国家增材制造创新中心面向以卫星导航、载人航天、深空探测等为代表的国家重大战略需求，重点攻克航空航天应用领域所面临的高精度、高性能、复杂结构零件一体化制造以及金属大型结构件高效制造等难题，在关键工艺和重大装备制造方面取得了显著成果，推动了增材制造技术在航空航天领域内的广泛应用。 金属大构件高效增材制造 以增材制造技术突破结构件的轻质、高刚度、高强度、整体化成形等关键技术，实现航空航天大型铝合金结构件高效增材制造，如直径3-10米火箭转接环、燃料贮箱及飞机机翼等。 2021年1月19日，国家增材制造创新中心卢秉恒院士团队利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件10m级高强铝合金重型运载火箭连接环样件。 燃料贮箱 方形框架结构件 精密复杂零件增减材复合快速制造及修复 有效结合增材制造适用于复杂零件成形及减材加工保证加工精度和表面质量的优点，成功实现航空发动机匣、航天发动机螺旋叶轮等复杂零件的增减材一体化制造。 机匣 螺旋叶轮 无人机用微型涡喷航空发动机 攻克微型涡喷、微型涡轴发动机自主创新设计及制造技术，开发出5种不同型号无人机微型涡喷发动机，零件总数减少80%，总重降低5-8%。 专用材料开发与关键组合件的成形制造 开发出耐高温新型复合陶瓷材料体系，实现了航空航天领域导弹天线罩、发动机涡轮叶片、燃烧室等耐高温结构件的快速制造。 梯度结构天线罩 发动机涡轮叶片 燃烧室结构件 装备推荐 由国家增材制造创新中心（简称：国创中心）自主研发的RC300环形铺粉设备突破了传统SLM设备逐层切片、刮刀往复铺粉的技术壁垒，通过螺旋连续切片、环形连续铺粉的方式实现激光扫描和铺粉过程同步进行，从而节省铺粉等待时间，成形效率提升30%以上，能够满足航空航天、军工等领域环形薄壁复杂构件的一体化高精度高质量成形需求。 目前，国创中心已成功开发5款SLM设备，设备长期运行稳定且通过应用验证，所有设备均通过欧洲CE认证。 产品家族 RC300环形铺粉 产品尺寸：2050*1050*2250mm 成形尺寸：Φ300*300mm适用材料：金属材料、纳米复合材料等产品特色：圆缸环形连续铺粉RC300-N2 产品尺寸：1950*1320*2280mm 成形尺寸：Φ300*300mm适用材料：金属材料、纳米复合材料等产品特色：双激光、高效、高质量RC300-N1 产品尺寸：1820*1320*2280mm 成形尺寸：Φ300*300mm适用材料：金属材料、纳米复合材料等产品特色：单双缸可定制RC100-N2 产品尺寸：1286*950*1920mm 成形尺寸：Φ120*150mm适用材料：金属材料、纳米复合材料等产品特色：双缸顶粉单向铺粉 RC100-N1 产品尺寸：1260*990*2050mm 成形尺寸：Φ120*150mm适用材料：金属材料、纳米复合材料等产品特色：圆缸上落粉双向铺粉 产品特色 1高效多激光协同扫描；螺旋连续切片，环形循环连续铺粉，节省打印等待时间，提升成形效率。 2开放自主开发工艺和控制软件，所有参数完全开放，打印过程参数曲线实时显示，支持新材料开发，工艺参数支持更新迭代。 SLM成形数据监测界面 3智能多源信息在线监测系统；数据可追溯，支持大数据工艺优化；设备运行状态、工艺数据实时APP远程监控；可实现设备的互联互通。 SLM成形多源感知在线监测系统 4稳定设备成型室气路循环和打印区域气流均匀性、烟烟除尘效果、设备整体结构强度与刚度均通过计算验证，设备稳定可靠。 成形腔内保护气体流动云图 中国航天事业从无到有，从有到优，每一步的发展都离不开技术创新和壁垒突破，尤其是近年来3D打印技术的高速发展，也为航天事业的发展带来了更多的思路与创新应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.国家增材中心《大讲堂》——增材制造中一体化软件服务平台的应用 3.美国家增材创新中心：借助衍生式设计平台能创建出怎样的高级热交换器 4.8本3D打印行业应用报告，覆盖航空航天、汽车、生物医疗及服务等多领域

过去一年，中国金属3D打印市场发展迅猛。据统计，国内拥有近百台金属机的服务厂商多达8家甚至更多。同时，随着关键性技术的攻克，增材制造的发展指向新的趋势：3D打印机逐步向大型发展，大尺寸高效成型能力逐步增强，金属3D打印迈进重量型、大生产时代！ 大尺寸设备意味着更高的工作效率，可以加快在航空航天、船舶、汽车等领域的应用，但也对打印工件的质量与精密性提出了更高的要求，打印后处理的问题也逐渐显现：金属3D打印的制造特点决定了粉末残留的必然性，如何有效清理大型工件内部残留的粉末，成为后处理的一个重要课题。 https://v.qq.com/x/page/m3333abn4ydtml 清粉3D打印后处理的重点环节 据了解，3D打印零件漫长的手工后处理和去粉化方法为制造商增加了不少成本。小型工件虽然可以人工进行清理，逃逸的粉末仍会对操作员身体健康产生不利的影响，更何况是大型精密工件？若想做好工件的清粉，做好以下几点是关键。 一是人工清粉的效率和安全问题。对于结构复杂且内部管路细密、质量较大的工件来说，人工清粉的技术有限，且不能通过摇动、振动等方法使粉末完全与工件分离，不仅清粉有难度，效率也很低下。 安全问题包括工件安全和操作工人的安全，工件安全是指若操作不当引起工件损坏，对制造商来说是致命的损失；不仅如此，清粉过程中若防护不当，操作工人长期吸入空气中的金属粉末，也会对健康造成极大的影响。 二是粉末回收再利用问题。粉末处理不到位首先会造成环境污染。金属粉末价格高昂，能有效、不影响粉末质量的情况下回收再利用能很好的降低成本。 大型工件的清粉问题要想处理好，必须在以上几点下足功夫！ TCB-100大工件清粉的解决方案 基于以上痛点，浙江拓博环保科技有限公司于2017年就开始对清粉设备进行了专门研发，并针对解放人力、保护操作员安全、保证工件安全、提高清粉效率、粉末高效回收等多个方面做了深入研究和试验，应对大型工件粉末清理的TCB-100防爆3D打印工件清粉系统由此而生。 TCB-100，针对航空航天、汽车、船舶等大型3D打印工件，可对其进行内部及隐藏空隙进行清洁工作。此系统以尽可能少量的人工操作，尽量多且高效的回收设备中残留的粉末为核心，节省时间高达90%，大大减轻人力负担，且能在惰性气体的保护下实现各种清粉操作，极大的保护了设备安全和人员安全。加之在密闭的空间内操作，操作员的劳保安全也能得到有效保障。 这一设备在实际投入使用中意义重大，对企业来说不仅意味着清粉时间的缩短，更重要的是为制造商缩短了交货时间。成本的降低，即是利润的增加，对企业来说，此类设备的使用大有裨益。 多管齐下，清粉效率大幅提升 那么TCB-100防爆3D打印工件清粉系统是如何实现高效清粉的呢？ 从负载设计上来看，大型、坚固的结构为大型工件的清粉提供了可能性，毕竟市面上少有应对大型工件的清粉设备。TCB-100防爆3D打印工件清粉系统可安装工件尺寸450x450x450mm，负载可达到130kg，此规格已能覆盖大部分市场上大型工件的清粉需求。 清粉的高效与否取决于清粉功能的设计。TCB-100针对复杂粉末路径难处理的特性，设备通过伺服电机使工件可360度立体旋转，确保无论工件内部需要清粉的粉末路径有多复杂都能够得到清理。控制工件的方式可采用程序来进行，也可通过符合人体工程学的摇杆来进行控制，并且可以通过摇杆控制工件旋转的速度。360度立体旋转，让粉末流动更加可控，也能根据实际情况加以调节，清粉更加便捷高效。 除此之外，振动装置和吹尘枪等套件的搭配使用，也提高了设备清粉的效率。设备通过振动装置对工件实施振动，从而将工件中密实的粉末被振散使其易于流动、脱落。配有吹尘枪套件用于高压吹扫狭小空间内的粉末，并且设有吸粉接口，可对接吸粉设备直接将粉末回收。如此一来，即便是复杂结构的工件，也能通过此装置顺利完成清粉的操作，粉末也能得到有效回收，不会对环境及人体造成危害。 安全防爆，更多人性化设计 后处理的过程中，除了要考虑到清粉的操作性与效率，对安全性的考虑也是重中之重。3D打印工件中的金属粉末通常都是易燃、易爆的，购置防爆设备一定要购买经过防爆认证的设备。TCB-100经过第三方权威认证机构认证，确保防爆性能符合相关规定，防爆性、安全性毋庸置疑！ 金属粉末活性高，容易造成安全隐患，提前做好防护便能大大规避风险。TCB-100的便捷操作性方方面面透露出人文关怀：全自动惰性气体保护，在线检测手套箱内氧含量、压力，面对突发情况可快速做出反应；全密封手套箱设计，在密封的情况下操作内部工件，防护到位，操作员的安全也得得到有效保障；充气密封结构，确保手套箱的高防护及氧含量的持续保持；进口耐磨、抗老化防静电手套，符合防爆要求，进一步保障操作员的安全；电器元件及PLC均采用国际一线品牌，如ABB，西门子，费斯托等，高质配件，质量有保证，保障设备的高效耐用。 作为一种专业的清粉解决方案，TCB-100还配有系统化设计，例如定制化全电动叉车、吸粉设备、筛分设备等供选配，配合清粉设备完成更加高效的运输、清粉、筛分、回收等一系列的工作。 当3D打印迈向新的发展里程，大尺寸、高精度和高性能将成为现在乃至未来设备的必备特性，也昭示着3D打印以实际行动助力着制造业产业升级。与此同时，后处理包括清粉等环节的辅助设备也将在市场占据一席之地。 2022年浙江拓博环保超大型清粉设备也即将面世，新品负载高达1000kg，安装工件尺寸高达850×850×1200mm，此规格可以涵盖到全球3D打印市场95%以上的工件尺寸。拓博希望大型工件甚至超大型工件清粉的问题将不再困扰3D打印技术的发展，将不断创新与突破，解决应用端遇到的难题。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.为大型、重型金属3D打印零件自动清粉至关重要 3.中国航天日 | 细数铂力特航天领域专用3D打印装备 4.王华明院士演讲：大型金属3D打印对重大装备结构、材料和制造业的影响

4.24日是中国航天日，我们不免想到3D打印技术在航空航天领域的应用日益增多。从长征五号运载火箭、天问一号火星探测器、新一代载人飞船到当前的空间站建设，3D打印在这些最新的航天产品上都在发挥重要作用。顺应趋势，国内金属3D打印龙头企业铂力特深度参与多项国家重点工程，持续开发多种新设备型号，在满足国内如火如荼的制造需求前提下，也促进了我国的增材制造应用水平的发展。 据3D打印技术参考了解，铂力特深耕行业超20年，自主研制开发了激光选区熔化成形、激光立体成形、等系列金属3D打印设备，其中航天领域专用3D打印及修复装备达9种，包括BLT-S310、BLT-S400、BLT-S450、BLT-S510、BLT-S600、BLT-S800、BLT-C400、BLT-C600、BLT-C1000。本期，我们将挑选其中的重点型号以及它们已经实现的航天应用进行介绍。 “铂”之重器 追光而舞——十激光BLT-S800 BLT-S800是铂力特在航空航天领域的集大成之作，可配置6/8/10光三种多光方案，是自动化、智能化的集大成之作。其中十激光配置的设备增产提效，助力大尺寸零件生产。更大的成形尺寸，更多的光束配置，全方位提升成熟设备的生产效率。BLT-S800的成形尺寸突破至800mm×800mm×600mm，可更大程度上满足大尺寸零件的成形要求，解决高端应用领域大尺度异形空间曲面特征、多特征跨尺度结构、镂空网状及空间连续拓扑包络等复杂结构的一体化成形难题。此外，更大的成形尺寸也可实现中小尺寸零件的批量化生产。 多个高品质光纤激光器联动协同打印，10光设备效率相较6光设备可提升30%以上，大幅提升打印效率。同时设备采用双向铺粉技术，减少单向铺粉的无效时间，提升零件打印速度。在保证零件质量的前提下，设备最高打印效率可达250cm³/h（与零件的形状、尺寸、材料和参数有关，与设备激光数量有关）。如此高效率、大尺寸的3D打印装备，是瞄准了圆筒型航天零件的高效生产和批量生产需求。 六年磨砺 大有作为——BLT-S600 铂力特充分调研航空、航天、发动机等诸多领域应用，结合自身数年的金属增材研发和制造经验，在保持高精度、高效率打印的同时，突破尺寸极限。BLT-S600设备最大成形尺寸达600mm×600mm×600mm，可满足多种应用场景零件尺寸需求，同BLT-S800一样，可实现极复杂结构的一体化成形，尤其适合生产圆筒型航天零件。 铂力特拥有的多光束拼接技术，经过长期的应用验证，对多种&多批次材料在不同成形区域内进行金相、尺寸精度、力学性能等全方位对比验证，海量的测试数据表明BLT-S600设备多光束搭接区域与非搭接区域产品质量及性能一致。多批次零件测试结果显示，零件精度、粗糙度、力学性能等均符合航空航天质量标准。其中，零件成形精度可控制在0.2mm以内，振镜拼接精度可控制在±0.05mm以内，零件表面粗糙度最低可达到Ra5，真正实现“用心精制”！ 2019年8月，中国航天科技集团有限公司捷龙一号遥一火箭将千乘一号01星送入太空。千乘一号卫星主结构是目前国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构，其尺寸超过500mm×500mm×500mm，由BLT-S600通过铝合金增材制造技术一体化制备。千乘一号卫星的运行稳定，标志着用于航天器主承力结构的3D打印三维点阵结构技术成熟度达到九级，即实际系统成功完成使用任务。 突破极限 志存高远——BLT-S510 丰富大型的复杂零件一体化成型解决方案，面向中小型零件量产效率提升需求，BLT-S510具有500mm×500mm×1000mm的成形尺寸。自主研发的多振镜控制系统，实现了多振镜协同工作，特别是在控制重合区不同振镜打印时边界的搭接工艺方面取得巨大突破，搭接处成形尺寸误差小，搭接处熔融质量等同于或优于单振镜打印区的熔融质量。打印过程中高效稳定，为打印大型零件提供了有效的保障。 设备自主研发质量追溯系统，包含高清摄像机、传感器、光栅尺、数据库软件等，实现打印过程实时监测并记录，保证零件打印过程全程可追溯。设备顶部安装高清摄像机，会对每一层的打印状态及铺粉状态进行拍照并保存，通过观察已保存的照片可以对该零件所有打印层状态进行检查，可在打印过程中识别孔隙缺陷、裂纹缺陷、吹风缺陷、打印缺陷等多种缺陷，有效保证设备高产值高成品率，为设备稳定运行保驾护航。 BLT-S510特别适合生产长轴类航天零件生产，铂力特使用该设备协助了中国航天科工集团三院三十一所关于水下传递火炬的研发和制作工作。高度807mm的火炬外飘带使用BLT-S510四光设备，充分利用设备光路和打印幅面，仅用四天便将10套外飘带打印完成。 先行一步 瞄准未来——BLT-S450 BLT-S450系列设备可选配单激光、双激光和四激光三种激光器配置，满足不同应用领域使用者对设备成形效率的需求，且激光数量的变化并不影响整机外形，后期可单独升级；设备可选配多种尺寸加工幅面，最大成形尺寸可达450mm×450mm×500mm，满足不同尺寸零件加工及高效率批产需求。 此外，BLT-S450系列设备在打印同种材料条件下，可定制多种针对不同零件特征和不同关键质量目标（如：表面粗糙度，致密度和成形效率等）的工艺参数。 批量生产 “智”造升级——BLT-S400 升级后的BLT-S400完成了从双激光到三激光的转换，相比双光设备，生产效率提升34%，目前已累计运行超3万小时。三激光BLT-S400对提高批量化生产水平，大有裨益。 BLT-S400设备使用顶部落粉方式，配合双向铺粉模式。该模式可以减少设备工作时间中铺粉时间的占比，尽量将设备工作时间全部用于激光成形。此次AIRSHOW CHINA展会上展出的升级版BLT-S400设备采用三激光配置，更贴合长方形打印幅面，打印效率较BLT-S400双激光设备大幅提升。 这台设备特别适合航天小尺寸零件的高效生产和批量生产，星众空间出品的“灵巧号”太空实验卫星以及蓝箭航天“天鹊”80吨液氧甲烷发动机的燃烧室，就是由BLT-S400打印的。 引领行业 全能旗舰——BLT-S310 BLT-S310是铂力特中型尺寸的旗舰机型，主要应用在航空、航天、发动机、医疗、汽车、电子、模具、科研院所等领域；是空客认证过的主力机型，多次远销海外。 BLT-S310经过多批次迭代，技术成熟稳定，先进的流场设计使成形质量大幅提升。该设备的双向智能铺粉功能，在效率提高60%的同时智能化节粉。氧传感器冗余设置多层防护，可使关键参数不失真；反吹过滤系统可使滤芯寿命延长至1500H。 BLT-S310上搭载的智能模块可以保证故障分级自诊断、实时监控运行状态、打印全程可追溯、UPS电源断电可继续打印。同时还有精细光斑配置方案、BLT-MES系统、三维重建功能、永久型过滤系统、自动对准嫁接等选配模块，客户可以根据需求选择相关模块进行配置。在这些技术的加持下，BLT-S310成为目前应用场景最广泛的旗舰机型，可用于航天零件的研制和生产。 这台设备的典型案例是制造了长征五号搭载的世界首个基于金属3D打印技术的立方星部署器，该案例体现了采用3D打印技术加工微纳卫星部组件在批产化方面的重要潜力。此外，该打印机还为蓝箭航天3D打印了“天鹊”80吨液氧甲烷发动机的燃气发生器身部，该零件内有数十个冷却通道，最小特征尺寸精度达±0.05mm，金属3D打印技术实现了复杂结构一体成形，大大缩短了发动机装配周期，集成化设计还可有效减少了零组件数量，提高了发动机的使用维护性。 END 从能够用于航空航天领域零件3D打印的装备种类来说，铂力特航天专用装备型号多达9种，这无疑在国内具有领先地位；从粉末床激光增材制造技术的发展水平来说，目前国际上趋向于更大尺寸、更多激光方向发展，铂力特开发的8/10激光金属3D打印机能够稳定生产超过三万小时，代表着公司技术达到了国际先进水平。 凭借多年专业积累和工业应用经验，公司对加工单位最重视的设备可靠性、成熟度、智能化、打印效率等问题的逐一解决，使金属3D打印技术真正能够落地应用，尤其能够应用于中国航空航天领域，并成为该领域最重要的服务供应商。 时值中国航天日，随着中国空间站的建设以及未来深空探测任务的发展，相信中国航天对这一先进制造技术的使用会更为开放。届时，犹如BLT-510、BLT-S600、BLT-S800这些大尺寸、多激光、应用最多的航空航天专用3D打印机将会带来更多令人惊喜的航天应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.年度总结：2021年中国航空航天领域3D打印技术10大应用 3.3D打印技术在航空航天静态和动态发动机组件中的应用案例 4.2025年服务于中国航空航天等领域的金属3D打印装备将超六百台

4月24日是中国航天日，在本月央视CCTV 9播出的一档记录节目——《下一站，火星》中，节目在人类探索外太空历史的大视野下，以"天问一号”的飞行历程为线索，梳理出中国首次火星探测任务的缘起、研制历程及目标，涉及多个重要器件的研制过程。根据此前中国航天科技集团官方的消息，航天五院开发的3D打印自支撑晶格结构在天问一号探测器及祝融号火星车上成功应用；航天科技集团六院则将3D打印技术用于7500N变推力发动机最终相关零件的制造。除此之外，业内知名的服务商也曾对外公布参与了“天问一号”研制。3D打印技术参考发现，央视纪录片中特别报道了7500N变推力发动机的研制过程，这是我们第一次以记录的形式“窥见”它的神秘色彩。本文介绍的重点也在于此，这也是中国航天日特别报道的第一篇。 火星着陆的七八分钟，要经历高速进入火星、大气高温灼烧、超音速开伞、悬停避障等等一系列复杂动作。为了保证着陆安全，中国各地的航天工程师齐心合力，协同共建。其中西安的团队（航天六院）负责着陆器的刹车装置——变推力发动机。当天问一号下降到距离火星100km的高度，环绕器和着陆器分离。为使着陆巡视器降低运行速度达到着陆要求，作为着陆巡视器主发动机的7500N变推力发动机发挥关键作用，为着陆巡视器动力减速、悬停避障和缓速下降等软着陆任务提供轨控推力。 7500N变推力发动机开机，动力减速、悬停避障和缓速下降 这种发动机在探月工程中曾多次使用，嫦娥三号、四号、五号落月的最后阶段，都是靠这种发动机反推实现减速和悬停的。但仅仅几年过去，发动机的样子已经完全不同。探月工程使用的变推力发动机高达1.4米，但火星着陆器布局受限，给变推力发动机留的空间只有半米多，必须缩小身形，但技术指标却不能降低。虽然基本原理一样，但改进工作与研制一台新的发动机几乎没有区别。从总装布局到系统参数都要大幅改变，从理论验证到反复试车，每一个流程都必不可少。探月的发动机研制了八年，而天问一号的这个发动机包括验证到交付使用了仅四年。 探月工程和天问一号7500N变推力发动机对比 探月工程和天问一号7500N变推力发动机对比 制造过程中，改进型7500N变推力发动机与以往7500N发动机的性能和推力一样，但重量和体积只有以前发动机的三分之一，结构也更加优化、紧凑。发动机的对接法兰框还首次采用3D打印技术，“一次打印成型”避免大余量去除原实心棒材或锻件引起的变形，也保证了发动机与总体对接的质量稳定性。 天问一号着陆巡视器成功着陆 在3D打印技术参考最新的航空航天案例介绍中，NASA和Aerojet Rocketdyne的研究人员明确表示，与过去制造零件的方式相比，3D打印能够增加可负担性、缩短交货时间并大大提高系统性能。实际上，这项价值几乎被所有的航空航天制造商所认可。《下一站，火星》栏目在对7500N发动机的介绍中上不可能提及一项制造技术，但研制人员却明确标表示，与过去探月工程的发动机相比，研制时间足足缩短了4年，这无不让我们遐想是否有更多器件使用了3D打印，即使并未用来制造最终零件，但是否有可能用来进行原型制造，来加快设计迭代呢？ 天问一号火星探测器标注图（来自微博网友WLR2678） 在3D打印技术参考对中国民营航天的代表——深蓝航天和星河动力的专访中，双方都将3D打印技术应用到了相关产品的研发和制造中。深蓝航天雷霆-5液氧煤油发动机从方案设计到整机试车仅仅用时8个月，3D打印技术的应用加速了设计-制造-设计的迭代；星河动力则在“边界”系列轨姿控动力系统设计之初就将3D打印方案纳入考虑，3D打印使产品实现了轻量化、个性化、一体化、复杂化的总体性能提升。 更短的研制时间，更小的体积和重量，维持不变的性能和推力，天问一号的7500N变推力发动机在研制过程中是否更多的使用过3D打印技术，势必要等待以后解密。目前已公开的相关研究中，其推进剂贮箱采用了7055高强铝合金通过搅拌摩擦焊工艺制造，该工艺近些年来也被发展成了一种增材制造技术。 终归，在天问一号的研制过程中，金属3D打印技术确实发挥过重要作用。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.美军工商将3D打印用于最新高超声速武器和新型太空发动机关键部件制造 3.专访 | 3D打印技术如何助力深蓝航天快速成功实现火箭垂直回收 4.专访 |中国民营航天星河动力将3D打印技术用于火箭发动机制造

现代乘用车的汽油和柴油发动机采用全铝设计，成本和重量优化使用最新的传统生产技术。近年来，这些发动机的重量功率比呈渐进式增长，3缸和4缸发动机的质量功率比约为1.1kg/kw，反映了发动机在给定的生产边界条件下，材料特性、载荷分布和结构使用之间的平衡。这同时意味着，用常规生产技术进一步显著减轻重量是不可能的。 为进一步研究在新技术业态下发动机继续减重的潜力，德国联邦经济事务和能源部发起了一项名为LeiMot(轻型发动机)的研究项目，吸引了多家汽车工业重量级公司的参与，如FEV欧洲有限公司、大众汽车、亚琛工业大学以及弗劳恩霍夫的相关研究机构。项目旨在通过金属3D打印以及新型金属材料为发动机关键零部件减重。2020年8月，该项目现已进入了最终的发动机原型机阶段，通过使用纤维复合材料以及3D打印技术制成的部件替代传统的金属零部件，有望将最新一代内燃机重量减少30%。 采用金属3D打印的LeiMot发动机 采用金属3D打印开发的LeiMot发动机 因较高的机械负载能力，大众公司EA288Evo系列的2.0L涡轮增压直喷柴油发动机被设定为优化对象，并特别选中了汽缸盖和曲轴箱两个部件。这两部分均采用选择性激光熔融工艺制造，而不是像过去那样采用压铸铝。3D打印的高设计自由度不仅被用于减轻重量，还用于改善发动机性能。在LeiMot发动机概念的开发过程中，零部件的设计边界一直遵守3D打印的整个流程，包括支撑结构、打印方向和后处理。 研究人员首先对气缸盖和曲轴箱进行了功能分解。通过该方式，研究人员可以分析每个功能，并可以根据给定的边界条件进行设计优化。此外，研究人员需要确保LeiMot气缸盖能与大众曲轴箱实现相互兼容。同时，研究人员必须保留参考发动机的重要接口和组件，尤其是曲柄连杆机构、配气机构及换气组件。 优化汽缸盖——实现传统工艺无法实现的结构设计研究人员通过专门的设计方法，使厚度不大于２mm的材料实现了冷却、润滑及换气等功能，晶格结构的厚度明显小于２mm。与传统的铸造工艺相比，该方法可以根据负荷的不同而采用多种壁厚参数，且不会存在与传统制造相关的结构弱点。对于汽缸盖而言，工程师们需要对某些受到较高机械应力的区域进行加固，因为燃烧过程主要产生弯曲载荷，而整个发动机则要承受扭转载荷。减重与刚度的最佳比例是工字梁和集成封闭控制台的组合。最终，采用选择性激光熔融3D打印技术制造的结构优化AlSi10Mg汽缸盖重量减轻了2.3公斤，比原来的部件减重22%。 LeiMot气缸盖结构设计方案 带有晶格结构的排气道 3D打印技术的设计自由度有利于研究人员直接将各种结构集成到生产过程中。研究人员有针对性地对具有气隙和较少导热横截面的绝缘晶格元件进行了设计，从而优化了排气道的隔热效果，并可减少进入气缸盖冷却液的排气热量。在额定功率条件下，该隔热系统可使流入气缸盖的热流量减少5％。这可以缩短排气后处理系统的预热时间，并提高涡轮入口温度。 重塑曲轴箱——材料和结构要匹配性能 曲轴箱同样采用AlSi10Mg进行3D打印制造。考虑到曲轴箱的重量和刚度，决定采用铝制底座的短裙设计。通过减小轴承座的主轴承摩擦直径，可以用铝板底座替换钢制轴承盖。经过重新设计的曲轴箱（包括底座），与原始组件相比，重量减轻了5.1公斤。研究人员通过采用拓扑方法，对组件的主要流动路径进行了优化分析，并为隔板外部等低应力区域设计出了空腔和晶格结构。 对于接近极限的轻型设计方案而言，研究人员在设计过程中对材料特性进行了深入了解。由于该款材料有着特殊的微观结构，通过3D打印技术生产的部件的机械性能与通过传统铸造工艺制成的部件的机械性能之间，存在着显著差异。因此，研究人员通过样本研究了3D打印铝合金在不同温度下的多项机械性能，并将结果用于计算。 LeiMot曲轴箱 LeiMot水套 为进一步改善曲轴箱的冷却性能并使气缸温度实现均匀分布，研究人员在缸套间采用了宽2ｍｍ、高3ｍｍ的椭圆形冷却通道，以此对内孔进行冷却。此外，水套内部为经过充分优化的晶格结构。该结构扩大了传热面积，改善了冷却液流动过程，并提高了气缸刚度。改善后的缸套冷却系统可使缸套变形更为均匀，并能相应改善摩擦和漏气现象。 除此之外，通过采用3D打印技术，研究人员设计出了无明显偏转现象的新型油道方案。气缸盖和曲轴箱中的油道（直径范围为3-8mm）可实现直接打印。弯曲的通道和平缓变化的横截面会使气缸盖和曲轴箱内部管道系统的压力损失降低约22％。 END 归功于增材制造方法，该项目开发的概念发动机最终将配备最少数量的组件，通过极少的组件和高功能集成来最小化材料使用，最终基准柴油动力乘用车的主要部件减轻了约21％的重量，同时也提高了动力总成效率、运行性能、热管理能力，并且改善汽车噪声、振动和舒适性。 LeiMot研究项目有力证明了新制造工艺的设计可行性。此外，该项目还有助于研究人员探索用于内燃机开发的新方法。2021年，FEV公司将制造出5个LeiMot产品原型，并通过机械和热力学试验对其进行检验。 在中短期内，大批量通过3D打印技术生产的组件依然很难与大众市场的传统制造工艺进行竞争。在飞机部件制造等小批量生产过程中，3D打印技术已成功应用于小型部件中。未来，研究人员还可以采用混合解决方案，将3D打印技术与传统制造工艺结合在一起，从而进一步提升制造品质。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q2群：838951316；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 3.因零件整合，3D打印为一体化制造带来的60余项改变 4.更轻、更坚固、更紧凑，SLM Solutions为保时捷3D打印大尺寸电驱动器外壳

近日，3D打印技术参考获悉，知名骨科企业北京科仪邦恩医疗器械科技有限公司研发的国内首个基于激光选区熔融工艺（SLM）的3D打印关节植入物“Apex 3D 髋关节假体”，通过国家药品监督管理局（NMPA）的审批注册，获准上市！标志着激光选区熔融3D打印工艺在国内正式应用到关节置换领域！ “Apex 3D髋关节假体”采用 Ti-FOAM 3D打印骨小梁结构，经过前瞻性、多中心、随机对照临床试验后，结果表明其安全性、有效性表现优异，其对照结果优势显著。“Apex 3D 髋关节假体”在研发和制造过程中，充分将临床应用和其工艺特点相结合，最大程度发挥出激光选区熔融工艺（SLM）的高精度打印优势，其最小丝径可达到 300μm，孔隙率可达 80%，更能呈现类松质骨结构，相比传统工艺制造的微孔涂层假体能提供更好的骨长入效果及固定强度。 “Apex 3D 髋关节假体”在国内的批准上市，可为髋关节假体初次置换、翻修、个性化定制等提供更具优势的临床解决方案，同时其类松质骨的三维结构针对复杂关节置换，例如翻修手术患者以及DDH的病人提供了优异的骨整合效果，保证了最佳的骨长入，降低了手术失败风险，大大提高假体的生存率，给患者带来更多福祉！ 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.3D打印PEEK植入物迎来重要发展：国家药监局发布注册审查指导原则 3.视频：国家增材中心《大讲堂》——生物金属的3D打印及医疗应用 4.迈向关节3D打印的未来：Nature发布戴尅戎院士团队生物3D打印项目专访

目前国内外激光烧结3D打印技术主要用于成形较低熔点的热塑性聚合物材料。PA12及其复合材料(熔点在180℃左右)目前仍是SLS技术用的最多、也是最成功的成形材料，占SLS商品化材料的90％以上。能够进行PEEK激光烧结的3D打印机，在很长一段时间内几乎只有EOS可以做到。 聚醚醚酮（PEEK）作为一种特种工程塑料，具有质轻、力学性能优异、生物相容性和影像学低干扰等众多优点，在航空航天、医疗等领域有重要应用。尤其在医疗领域，相比于钛合金植入物，PEEK的生物力学性能更加接近人体骨骼，可有效缓解应力屏蔽效应，有利于内植入物与骨组织之间的骨整合, 保证了PEEK内植入物的长期稳定性。 3D打印相比传统技术更容易制造形状无规则零件，能够满足个性化的手术需求。华中科技大学史玉升教授团队在国家重点研发项目“面向增材制造的模型处理以及工艺规划软件系统”、“高性能复杂聚合物零部件增材制造技术的研发与应用”以及湖北省技术创新专项重大项目“高性能特种聚合物的增材制造技术与装备研发”支持下，研发出了针对PEEK材料的高温粉末床激光烧结（HT-LPBF）增材制造成套技术；同时还与协和医院杨操教授团队共同承担国家重点研发计划项目“高性能聚合物材料个性化仿生内植入物增材制造技术及临床应用研究”，实现了复杂结构PEEK骨植入物的快速个性化定制及临床应用。 相关研究成果 在装备研发方面：团队于2018年研制成功预热温度达400℃的独立控温第一代HT-LPBF装备，型号为HK PK125，台面125mm×125mm。2021年研制成功第二代HT-LPBF装备HK PK350，台面350mm×350mm。设计了具备独立空间的送粉腔体和成形腔体，实现了送粉和成形两个关键操作的独立预热与温度场均匀性控制，装备最高预热温度可覆盖PEEK等绝大多数高性能特种工程塑料。 （a）第一代HT-LPBF装备HK PK125，（b）第二代HT-LPBF装备HK PK350，（c）PEEK粉末材料，（d）PEEK材料成形过程 在材料制备方面：提出了高温红外辐射制备方法，制备了适用于HT-LPBF工艺的PEEK粉末材料，可同时满足粉末高温流动性、烧结窗口与堆积密度等关键指标的要求。制备的粉末整体形貌均一，堆积密度达0.37±0.01 g/cm3，烧结窗口达27.26℃。此外，揭示了PEEK粉末材料的老化机理。粉末老化使晶体结构更加有序，晶格体积减小，烧结窗口变宽。老化后分子链并未发生断裂，但大分子已交联形成联苯结构，降低了粉末的结晶度。 在成形机理方面：揭示了HT-LPBF周期性过程中涉及的动态非等温和准静态等温动力学结晶过程，及其对PEEK制件力学性能的影响规律。等温结晶较非等温结晶的HT-LPBF制件强度更高。 PEEK在HT-LPBF成形过程的结晶动力学过程与特征晶体结构 在临床应用方面：以华中科技大学附属协和医院杨操教授团队为依托，在国家重点研发计划项目的支持下，开展临床应用研究。将高性能PEEK植入物进行生物安全性检测（体内细胞毒性、致敏性、内植入物局部反应性、急性毒性、亚慢毒性、遗传毒性和致癌性），所有测试项目均已完成并通过生物安全性测试。临床试验严格按照人类伦理道德原则，遵守相关医学研究伦理准则，对拟展开的植入手术进行病人招募，对受试者进行常规的术前检查和综合评估。截止目前，已实现椎间融合器临床应用11例，并在术后定期跟踪随访，功能评估，病人各项指标正常，术后恢复良好。 （a）多孔点阵椎间融合器，（b）螺纹中空椎间融合器，（c）临床植入情况，（d）术后X线结果 成果主要完成人 史玉升，华中科技大学教授，曾获国家科技进步二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、中国十大科技进展1项、中国智能制造十大科技进展1项、省部一等奖8项，省部二等奖6项，领导的团队入选湖北省和教育部创新团队。闫春泽，华中科技大学教授，长江学者特聘教授、材料成形与模具技术国家重点实验室副主任、增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心主任，发表SCI论文130余篇，研究成果获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国专利优秀奖、日内瓦专利金奖、湖北省专利金奖各1项。杨操，华中科技大学同济医学院附属协和医院脊柱骨科主任，二级教授，主任医师，国家重点研发计划首席科学家，教育部新世纪优秀人才。现任中国医师协会骨科医师分会委员，中华医学会骨科分会脊柱外科学组委员。长期从事脊柱相关疾病和再生修复的基础研究，发表论文100余篇，授权发明专利30余项。文世峰，华中科技大学副教授，武汉华科三维科技有限公司技术总监。在LPBF装备国产化、大型化等方面做出了开创性研究，成功开发出动态聚焦方式大工作范围激光扫描系统和LPBF装备预热温控系统。发表论文40余篇，研究成果获国家技术发明二等奖、机械工业科学技术一等奖。陈鹏，华中科技大学博士后，主持国家自然科学基金、中国博士后基金等项目，以第一作者发表论文7篇，授权发明专利10余项，主要研究方向为PEEK材料激光粉末床熔融增材制造，及其在生物医疗和航空航天领域的应用。苏瑾，华中科技大学博士，主持华中科技大学研究生创新基金1项，2项国家重点研发计划骨干成员。发表学术论文10篇，授权发明专利5项，主要研究方向为生物增材制造技术与临床应用。注：本文内容由研究团队提供。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：838951316；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.3D打印PEEK植入物迎来重要发展：国家药监局发布注册审查指导原则 3.超越PEEK，3D打印的碳纤维增强尼龙有怎样的性能和应用潜力 4.视频：国家增材中心《大讲堂》——生物金属的3D打印及医疗应用

Aerojet Rocketdyne（洛克达因）被公认为是美国航空航天和国防领域的领导者，主要服务于导弹、太空探索、国防和军备市场。其知名项目包括为NASA阿尔忒弥斯重返月球计划开发太空发射系统（SLS），以及为美国高超声速武器提供超燃冲压发动机等。 值得注意的是，在其最新的宣传中，洛克达因均将3D打印技术用于以上两个项目的相关研究和制造中。 为最新高超声速武器3D打印超燃冲压发动机，零件数量减少95% 2022年3月中旬，美国成功测试一枚高超声速导弹，但因目下皆知的局势原因未及时公布消息。这枚由洛克希德·马丁公司生产的高超音速巡航导弹从B52轰炸机上发射，以大于5马赫的速度飞行，飞行高度超过19812米，飞行距离超过482.8千米。该超声速导弹由Aerojet Rocketdyne超燃冲压发动机提供动力，而该发动机的制造采用了3D打印技术。 洛克达因表示，通过使用创新的制造技术和材料，他们不仅提高了产品性能，同时大幅降低了成本和开发时间。而在此次测试中所使用的超燃冲压发动机因使用3D打印技术，使零件的数量相比此前X-51A Waverider（美国另一款高超声速武器）的发动机零件减少了95%。 再生冷却薄壁夹层结构 超燃冲压发动机的功能要求其采用再生冷却热防护技术，即燃烧室外层需要覆盖精密流道，以实现燃料对燃烧室的冷却，因此其结构非常复杂。采用传统工艺制备，需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂装备得到，由此，复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度，而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室制备周期相对漫长，此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量，这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。 超燃冲压发动机测试过程 这种特殊的结构特点非常适合采用3D打印进行一体化制造，这也是零件数量大幅减少的原因。同时，也为更好的气动热性能、制造的可负担性、可扩展性和快速制造创造了条件。实际上，不仅洛克达因，其他多个国家都在采用3D打印技术开发适用于高超声速武器的超燃冲压发动机。 为 NASA 3D打印太空发动机关键部件，质量、尺寸、成本均大幅降低 除了武器装备，洛克达因还为太空任务提供服务。本月，该公司透露使用金属3D打印技术制造了更小更轻的飞行器关键部件。最新公布的这个案例是阿尔忒弥斯计划的一部分，所制造的部分被称为“四重”反应控制系统，包括四个单独的推进器，能够控制航天器在飞行过程中的滚动、俯仰和偏航。该部件最初是为阿波罗任务创建，已有60年历史，项目团队希望重新设计并采用增材制造以提高效率。Aerojet Rocketdyne团队希望使推进器更可靠，减少整体零件数量，使它们更易于组装和维修，同时还要减轻重量。 公司航空航天工程师兼任务架构师表示，在整个阿波罗计划期间，美国宇航局生产了650多个这种推进器来支持六次登月，花费了巨额资金，然而对于所有复杂的任务，越是负担的起，确保完成的机会就越大，而金属3D打印在此方面发挥了关键作用。 四推进器模块传统与现代的设计 重量减轻可以降低发射成本，同时还允许在飞行器上放置更多组件，从而可能延长服务期或提高其任务能力。而易于组装则将降低制造成本，特别是可能面临整体项目时间表经常被压缩的情况，同时由于组装工作通常需要在洁净室环境中进行，因此易于组装非常重要。 零件数量的减少使公司更容易迭代新设计，这也意味着需要制作的工具要少得多。这显著减少了工艺开发的时间并降低了成本，更少的零件意味着更少的流程和工艺步骤，以及更少的零件和材料之间的相互依赖性。只要3D打印步骤得到很好的控制，就可能更容易达到目标。这确实意味着将风险更多地集中在作为一项技术的3D打印上，但这可能意味着更少的紧固件、焊缝、胶水和其他材料的相互作用而导致的意外故障。 优化的喷射器模块内部结构 然而，所有因制造产生的成本都是其次，因为太空任务过于昂贵，如若部件发生损坏则需要人员在外太空修理，其中的风险可想而知。3D打印一体化设计和制造将这些可能的风险尽量排除，并能够增加器件的安全性。 Aerojet Rocketdyne在初步优化后采用IN718打印了概念模型，但由于悬垂问题，工程师不得不添加大量支撑来防止热变形，此后还需要去除支撑，这不仅增加了产品成本且对表面质量造成了影响。项目团队认为仍有大量轻量化和拓扑优化的空间，即便在重新设计过程中消除了大块不必要的材料，但仍不完美。最终Aerojet Rocketdyne选择与nTolpology为该项目的推进器进行重新设计，并由Velo3D提供制造服务。 优化的喷射器块的横截面 nTopology的技术人员对“外壳”喷射器主体的块状结构进行了进一步优化，在复杂流体端口和通道周围留下一致的壁厚，同时消除应力集中区域，并采用晶格结构填充由此产生的空隙，增加了它的强度和刚度。 Velo3D在业内以无支撑打印而闻名，且拥有独特的解决方案来减轻打印材料内累积的内应力，是少数能够成功打印大型复杂钛零件而不会开裂的金属增材制造系统供应商之一。最终3D打印的钛合金结构优化推进器在重量、尺寸、制造成本方面均大幅降低：与传统制造版本相比，质量仅有以前的1/5，尺寸减小了一半，制造成本也仅是此前的1/3。而且由于它包含的组件少得多，因此组装起来也更容易，在操作过程中发生故障的机会也更少。   实际打印的喷射器结构 实际打印的喷射器结构 项目团队人员表示，通过利用增材制造和先进的软件技术，与过去制造零件的方式相比，3D打印能够增加可负担性、缩短交货时间并大大提高系统性能。他们的下一步是演示这个概念模型，并将进行实际测试。 END 洛克达因公司在二十多年来一直致力于将3D打印技术整合到其火箭发动机、导弹和战术防御系统的生产过程中。公司的增材制造团队使用GE旗下Concept Laser以及EOS和Velo3D的装备来满足3D打印制造需求。洛克达因高级项目经理在2020年就表示，公司多年来不断加深对3D打印材料、工艺及设计的理解，掌握不同系统组件使用温度范围（-254~3316℃）内的材料特点，彼时已开发了至少11种合金；其他还包括如何依赖设计实现组件整体、一体化制造，从中节省成本、加速设计迭代。 注：视频演示请查看3D打印技术参考视频号。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext + PM South China解锁增材智造新技能！ 3.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 4.中国日报海外版：3D打印加速中国导弹生产

近日，台湾电子巨头富士康与增材制造公司Triditive宣称联手开发基于粘结剂喷射的金属3D打印机。Triditive公司的代表性产品是金属熔融挤出制造系统，具有丰富的后烧结经验，因此能够帮助富士康解决粘结剂喷射金属3D打印零件的成形质量控制问题。两家公司同时将合作扩展该技术平台的自动化制造能力。 富士康是科技领域最大的公司之一，是苹果、索尼和英特尔等巨头的设备及其他产品供应商。其传统上多采用模具制造工艺，或采用3D打印进行原型制造，此次是这家制造巨头第一次主动自主研发3D打印设备。富士康在考虑在生产中采用3D打印来减少高劳动密集型的生产环节并提高其生产能力的自动化程度。Triditive基于挤出工艺制造的金属3D打印零件 粘结剂喷射技术是一种粉末床、基于烧结的增材制造工艺，与现有技术相比，粘结剂喷射能够以更快、更低成本和批量化的形式制造金属零件，满足制造业对3D打印技术的生产需求。惠普、通用电气和Desktop Metal等巨头充分理解该技术的市场潜力，纷纷投入巨资研发，意图颠覆全球价值12万亿美元的制造业市场。2021年，已拥有超过30年喷墨技术经验的日本理光公司突然发布了一款采用自有工业喷墨打印技术的新型粘结剂喷射金属3D打印机，加上Desktop Metal于去年进行的一系列收购，粘结剂喷射技术在整个增材制造行业正在进行一场别开生面的演出。而富士康的加入，势必让这场演出更有看头。 粘结剂喷射技术通过向金属或陶瓷粉末床上喷射粘结剂，配合固化过程能够得到零件的生坯。对于粘结剂的开发，Triditive将与西班牙研究和技术开发中心Tecnalia合作，同时还将与德国Fraunhofer技术中心合作优化金属粉末。 基于制造量和零件复杂性的3D打印技术图，Binder Jetting的主要影响将出现在更高产量的应用中（来源：Ampower） 该技术与市场上其他3D打印工艺的区别在于生产的可扩展性和金属零件制造成本的降低，使其在扩大增材制造采用方面更具吸引力。然而，就如3D打印技术参考在此前已经解释过的那样，对于粘结剂喷射金属3D打印技术，在尝试使用该技术时必须要考虑整个工艺链，因为采用该技术生产零件时存在固有的挑战，且主要与烧结工艺有关。 粘结剂喷射技术整个工艺链涉及的问题 粘结剂喷射金属3D打印技术对材料、粘结剂以及打印工艺（包括粘结剂的喷射量、粉末中的压力分布、沉积时间等）、烧结制度、零件设计等等有着重要的依赖关系，技术含量并不比其他金属3D打印技术低。与此同时，该技术所制备的零部件存在两个主要缺点：一个是在烧结过程中零件的非各向同性收缩问题；另一个是由于零件重量与烧结制度匹配不佳所带来的潜在变形问题，这会限制所能成型的最大零件尺寸。此外，还有一个不可忽视的因素是设备成本问题，后工艺阶段的脱脂烧结炉，可能比3D打印机贵的多。除这些因素外，该工艺还必须保证在快速去除松散粉末的同时还能保持零件具有足够的生坯强度来保持特征形状，这是实现工业化生产和自动化的重要条件， Triditive和富士康也特意对自动化进行了强调。 Triditive基于挤出工艺的金属3D打印技术自动化生产线 当前，越来越多的证据表明，粘结剂喷射金属3D打印技术能够达到铸件零件的性能，且零件表面质量能够满足最终用途，对于重要的位置也可与其他金属3D打印工艺一样采用精加工。但也有证据表明，该技术并非像宣称的那样完全不需要支撑结构，这与烧结过程中的易变性不无相关。 但无论如何，粘结剂喷射金属3D打印技术确实正在受到越来越多的关注。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.千呼万唤始出来，Desktop Metal终于交付第一台生产级粘结剂喷射金属3D打印系统 2.粉末床熔融和粘结剂喷射金属3D打印零件热处理及烧结面临的挑战 3.Magics为粘结剂喷射金属3D打印零件创建烧结防变形支撑 4.金属粘结剂喷射3D打印：在尝试使用该技术时须考虑整个工艺链

增材制造作为一种新兴的制造技术，一经出现就在制造业引起了广泛关注。尽管它目前还存在着不尽如人意的地方，但是人们普遍认为这是一种具有巨大发展潜力和想象力的技术，代表着数字化转型的重要发展方向之一。安世亚太公司深耕增材制造产业化应用多年，深刻认同增材制造在未来数字化制造变革中的核心地位，基于多年的项目经验和思考沉淀，推出了“增材思维 数智未来”系列文章。本文是该系列文章的第四篇内容（前三篇内容见文末链接），阐述DfAM设计思维解决增材制造降本增效问题。 成本——增材制造大规模应用的软肋 增材制造技术相对于传统的材料去除切削加工技术，是一种以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了网络信息技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合。增材制造技术的出现，因其具有能够实现高性能复杂结构零件的无模具、快速、全致密近净成形等优势，为实现复杂结构优化设计、快速设计验证、小批量零部件快速制造、快速客户响应等关键问题带来了一种全新的解决思路。 在增材制造技术的实际应用过程中，成本成为制约该技术大规模推广的关键因素。38%的从业者认为，增材制造技术虽然具有独特的优势，但是成本过高，是增材制造的最大软肋。通常情况下，增材制造只适合复杂结构件小批量试制。 制约3D打印的因素 每批次3D打印零件数量 任何新技术要实现商业化应用，必须对该技术的成本构成做出清晰明确的分析，增材制造也概莫能外。对于增材制造产品而言，计算成本要考虑以下7个方面： 设计开发成本：产品的结构设计、功能仿真、工艺验证费用。一般来说增材制造的产品结构比传统结构更复杂，性能要求更高，设计开发的成本往往也更高。 原料成本：零件用料、支撑用料和其他用料消耗。可以在产品最终重量的基础上再增加30%-40%，作为原料成本的粗略判断。 机时成本：3D打印机在生产过程中的机器损耗成本。一般3D打印综合机时成本在100-300元/小时。 后处理成本：包括热处理、线切割、机加工、热等静压、人工打磨、磨粒流等抛光、表面渗碳渗氮等表面处理产生的费用。对于某些复杂产品或者精度要求特别高的产品，后处理成本甚至超过打印成本。 人工成本：生产涉及到的人力成本，包括模型数据准备、机器准备、打印过程监控、机器清理维护、后处理、生产管理等产生的人力资源费用。 间接成本：包括设计仿真等软件成本、水电煤气费用、房租等间接费用。 风险成本：打印失败的损失。一般打印时间越长，出现故障的风险越高；模型结构越大越复杂，打印失败的风险越高。某些产品打印失败1-2次并不少见。 降本增效——增材制造实现批产的出路 一般认为，增材制造的成本优势与结构复杂程度和批产数量密切相关，如果批产数量超过平衡点，传统的铸造、锻造、机加等工艺将更具竞争力。根据不同的结构复杂程度和替代工艺成本，这一平衡点介于数十件到数百件之间。 然而，GE公司的3D打印燃油喷嘴成功打破了这一魔咒，它是世界上第一个实现大规模量产的3D打印零部件，年产量达到3~4万件。其原因就在于通过基于增材制造的优化设计，提高了发动机的燃烧效率和燃烧稳定性。 虽然燃油喷嘴只有核桃般大小的结构（黄色方框内），里面却有14条精密的流体通道。这些复杂的冷却流道大大提升了冷却效果，降低了燃油喷嘴积炭的速度，因此喷嘴的使用寿命增加了5倍。 3D打印燃油喷嘴对油路流道进行优化设计，消除流道中的突然扩张和突然变向，增大燃油流速，从而减少燃油流过这些地方时与热管壁的换热。最终，3D打印燃油喷嘴重量比传统方式减轻了25%，寿命提高了5倍，成本效益上升了30%。国产C919客机也采用了这款带有3D打印燃油喷嘴的Leap发动机。2021年，GE公司又开发了另一个增材制造批产零件——涡轮机引气部件，在精确评估成本/效益的模型基础上，证明了金属3D打印在成本上也可以和铸造工艺一较高下。 GE Aviation梳理了现有的数百种铸件，从尺寸、形状、功能、材料、工艺、后处理等角度制定了成本分析模型，核算了每个零件的3D打印成本与收益，最终选择了涡轮机引气部件。经过摆放优化后，可同时打印4个零件，大大提高了生产率，削减多达35％的成本，成功逆袭传统制造工艺。 GE Aviation的增材制造部门负责人表示，这是他们第一次发现金属3D打印比铸造还要便宜。更为重要的是，这次3D打印的零件在前期已经基于铸造工艺设计定型，金属3D打印取代铸造后仍然体现了成本上的优势。这一发现极大振奋了GE Aviation，正着手寻找其他发动机上更多的零件，并采用金属3D打印来降低成本。 成本效益分析——找到下一个批产零件的法宝 GE公司找到增材制造批产零件的法宝，是他们建立了一套精确的成本/效益评估模型，利用这套模型GE公司对数百个铸造零件进行了评估，终于找到了这个百里挑一的“天选之子”。在增材制造的成本效益评估方面，我国目前处于相对落后的状态。部分原因归咎于我国增材制造的应用相对集中于航空航天等军工市场，这是一个市场经济规律稍显薄弱的特殊市场，保型号、保节点、保重量、保质量等因素的重要性远远高于保成本，增材制造得益于其快速、灵活、适应复杂结构、适应小批量生产的特点，在军工市场率先得到了广泛应用，而需求量更大的民用市场发展稍显缓慢。由此也造成了国内的增材制造行业缺少价值管理的理念，有的产品为了蹭上增材制造的热度，不计成本的“为了增材而增材”，另一些产品则出现了和菜市场买菜一样“论斤吆喝，按克收钱”的魔幻局面，相当于只赚取了材料费和加工费，甚至在“内卷”严重时，做到赚钱都困难。造成这一现状的主要原因就是增材制造产品的设计与制造割裂，产品的功能价值提升有限，在与其他加工方法竞争时缺少议价能力。 成本效益分析 安世亚太公司基于对增材制造全流程的充分理解和全面把握，根据成本效益分析方法、全寿命周期分析方法等评估模型，从大量工业品制造案例中抽取出20个核心判断要素，形成了一套算法小程序：增材应用潜力评估系统。该评估系统从增材制造产品全生命周期的角度考虑成本和收益，尤其是通过增材设计带来产品在服役过程中减重、节能、效率、功能等收益的增加，以及时间、人力、装配、维修等成本的降低，并综合考虑增材制造的工艺约束分析、产品可靠性分析、打印风险分析等。只需花费2分钟，就可实现自动评估产品的增材制造可行性与增材设计对产品的附加值潜力，并根据您提供的信息生成增材设计与制造方法的指导建议。简单来说，这款小程序解答了3个问题：1、产品是否适合增材制造？2、产品在增材制造过程中要注意什么问题？3、如何提升增材制造产品的技术收益？ 扫描二维码进入微信小程序 DfAM思维——增材制造“降本增效”的答案 ▍减少成本的DfAM设计思维在零件设计阶段就考虑打印摆放方向和摆放位置。尽可能设计为自支撑结构，减少所需的支撑结构数量；最大限度地增加在构建平台上的摆放数量，一次打印更多的零件；尽可能降低零件高度，减少打印时间。在零件设计阶段就考虑后处理方法。最大限度减少空间死角，减少粉末清理的工作量和支撑去除的难度；尽可能将打印质量较差的面设计为后续需要机加工的面，减少表面打磨抛光的工作量；预留好定位、装夹等位置，为后续加工提供便利。在零件设计阶段就考虑打印层厚。最大限度增加打印层厚，同时最大限度减少打印台阶效应对产品的影响，针对台阶效应明显的区域，要么设计为后续要机加工的区域，要么设计为对表面光洁度不敏感的区域。▍提升效益的DfAM设计思维结构轻量化。轻量化的结构设计不仅可以减少材料成本和打印时间，更重要的是增加了结构的承载效率，减少了系统的运行成本，这一点在航空航天领域尤其重要。对于大型民用飞机而言，减少1kg结构重量，在全寿命周期内可节约燃油4.5万升，节省成本2.2万欧元。结构/功能一体化。利用增材制造数字化、智能化制造的优势，在结构设计时充分考虑宏观–介观–微观尺度的形性协调，在结构本身实现承载功能的基础上，满足其他功能性指标，如在结构外部增加散热面积，实现散热功能；在内部设计复杂流道，实现热交换功能；在夹层中设计点阵结构，增加吸能抗震功能等等。改变生产/商业模式。作为一种生产设备依赖更少的数字化制造技术，增材制造将有可能改变某些产品的生产模式和商业模式，给企业和消费者带来巨大的经济和社会效益。当前随着数字化技术的发展，生产模式进入智能化时代，大规模定制能力成为核心竞争力，生产效率和灵活应变兼顾。创成式设计等DfAM设计思维大大降低了设计师的行业门槛，将消费端、生产端、销售端、物流端统一结合起来，全部人员直接参与到产品生命周期当中。 DfAM赋能商业模式进化 DfAM思维驱动——降本增效的成功案例 德国Fraunhofer激光技术研究所在增材制造降本增效方面做了大量的研究工作，尤其是在DfAM思维驱动下的系统性降低成本研究取得了显著的效果。最近，Fraunhofer IAPT利用工艺改进和优化设计相结构的DfAM思维重新设计了跑车车门铰链，成功使其成本降低了约50%，重量减轻了35%。 3D打印车门铰链 首先，Fraunhofer IAPT开发了一款增材制造潜力评估软件——3D Spark。3D Spark与安世亚太自主开发的增材潜力评估小程序类似，具有零件分析和筛选功能，可引导找到适合增材制造的零件。这是本项目取得最终成功的关键一步，所选零件增材潜力的大小，决定了降本增效天花板的高低，因此找到合适的零件至关重要，可以达到事半功倍的效果。在设计的环节中，铰链臂的结构根据DfAM设计原则进行了优化，充分利用了增材制造的优势，并对几何形状进行了拓扑优化，将铰链臂的重量减少了35%。由于材料需求的减少和打印时间的缩短，与没有结构优化的设计相比，成本降低了20%。在设计环节中还应考虑结构形式对后处理的成本影响。减少不必要的支撑结构可以大大节省生产时间和材料数量，并减少后处理阶段产生的成本，与不考虑后处理的设计方案相比，降低成本10%。最后，Fraunhofer IAPT优化了零件的打印工艺。包括设计摆放位置和打印方向，减少打印时间、优化打印工艺参数、优化设备使用效率等措施。与未进行此类优化的增材制造工艺相比，节省了20%的成本。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流QQ2群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.3D打印真的是一种低碳环保的技术吗？答案并非那么简单！ 3.深度：3D打印技术当前发展面临的主要问题及如何变革制造业未来 4.3D打印解决方案，以让大众消费群体穿上高舒适度的定制鞋为目标