2月22日，人力资源和社会保障部发布2021年第四季度全国招聘大于求职“最缺工”的100个职业排行，其中“增材制造设备操作员”赫然位列第90位，3D打印技术参考查询了去年其他几个季度数据，发现在第三季度位列第98位，而前两个季度则未出现在统计名单中。这意味着，当前3D打印行业的缺工问题正在凸显，这与行业的快速发展不无相关。 “增材制造设备操作员”于2020年5月被人社部能力司拟定为新职业，跨出了从以往政策支持学校培养到职业认可的重要一步。从去年的数据可以反映出，行业内部人才短缺的问题相比以前更为突出。当前我国增材制造行业从业人员的供需情况如何，存在哪些人才短板，人才政策有没有得到保障，《中国战略性新兴产业研究与发展·增材制造》给出了答案。 一. 我国增材制造行业从业人员供需现状 1. 从业人员分类 根据增材制造技术和行业需求的特殊性，中国增材制造产业联盟将增材制造从业人员分为技能型人才、科研型人才和管理型人才三类，并对增材制造领域36 家重点企业从业人员进行了调查统计，当前企业从业人员构成中，技能型人才占比 39%，科研型人才占比 43%，管理型人才占比 18%。 2. 供给能力分析 国内增材制造人才的培养主力是高校和职业院校，培养规模较小，供给能力有限。据中国增材制造产业联盟估计，我国增材制造产业从业及科研人员规模约为 2万人，并呈逐年增加趋势。从从业人员现状来看，除有技术经验的中高级人才短缺之外，复合型、骨干型、工程型和管理型人才供给数量也明显不足。 3. 行业需求分析 当前，我国增材制造企业超过 500 家，人力资源咨询机构 WANTED Analytics发布的全球增材制造行业人员招聘与雇佣趋势报告显示，近几年来市场上对增材制造相关技能人员的需求量持续上升，发布的招聘广告数量增长18倍。 中国增材制造产业联盟对国内增材制造领域 36 家重点企业从业人员规模进行了摸底统计。从企业性质来看，人才需求主要集中在民营企业。从规模来看，从业人员规模在 100 人以上的企业人才需求旺盛，企业人才引进规模逐年增长，年均增速超过 20%。 中国增材制造产业联盟对 36 家重点联系企业从业人员基本情况调查统计的结果显示： 1）从性别结构来看，男性是增材制造行业从业人员的主体，占比达到68.6%，而女性占比为 31.4%。 2）从年龄结构来看，增材制造产业从业人员年龄主要集中在 35 岁以下，占总人数的 72.9%，人员结构相对年轻化。随着人才培养规模的不断扩大，后备力量逐步增加，这有利于中小型企业的持续发展。 3）从学历结构来看，本科及以上学历从业人员占比为 50.7%，其中硕士占比 35.1%，博士及以上占比 3.2%，行业整体学历水平相对较高。另外，企业从业人员专科及以下学历占比达到 49.3%，这也凸显出职业教育在技能人才培养中的重要作用。 未来数年，增材制造行业对人才的需求会逐步增多，尤其是销售、工艺研究、材料开发以及工程应用和服务等方面专业人员。随着越来越多的企业进入市场，经验丰富的专业销售人员需求旺盛。由于制造商采用开源平台的趋势，材料开发企业的增多加大了对具有材料开发能力人才的需求。同时，随着增材制造技术应用不断深化，将需要更多的工程专业人员。从对人才岗位需求情况的统计结果中也可以发现，行业已经对增材制造的智能化趋势做出了反应，目前正在寻求更多的软件开发专业人员，尤其是具备云解决方案等专业知识的人才。 二. 我国增材制造行业从业人才短板分析 1. 人才数量不足 人才短缺正成为制约我国增材制造产业发展的主要短板之一。中国增材制造产业联盟预测，未来数年，增材制造领域研发、工程、设计、应用等方面人才数量短缺将达到 800 万人的规模。造成人才数量短缺的原因主要有：一是我国增材制造人才培养体系尚未完善，各层次人才培养跟不上新技术的快速发展；二是增材制造产业发展尚处于起步阶段，产业规模较小，企业研发能力薄弱，不足以支撑长期自主的人才培养；三是受行业环境、企业管理、薪酬制度及个人职业发展规划等因素的影响，民营企业人才流失问题普遍存在。 2. 培养能力较差 高校方面，学科建设不完善，多学科协同创新及交叉学科科研课题不足，这些都限制了增材制造复合型人才的培养，同时我国在增材制造原创性技术研发方面与先进国家仍存在一定差距，学生创新能力水平有待提升；职业院校方面，课程培养方案尚处于探索阶段，师资力量薄弱，培养模式单一，缺乏切合工程实际的人才培养体系和机制，而且我国职业教育受重视程度不够，暂不具备培养高级技能人才的能力；此外，企业作为人才培养的重要渠道，还未发挥出相应的作用，行业内大部分企业对人才培训认识不够，培训体系不完整，人力资源竞争力不足。 3. 管理人才匮乏 当前，我国增材制造管理人才主要依靠国内现有科研团队或企业自身培养，通过实际的增材制造产业链运作和商业模式创新应用等来持续提升管理经验和技能水平，逐步培养出符合增材制造行业特点的复合型管理人才。但是，现有的增材制造管理人才培养模式和渠道过于单一，这使得一方面大多数企业管理人员还是基于传统思维方式去推动增材制造技术应用及服务，未基于增材制造思维的管理模式和方法去推动企业增材制造技术应用及服务，另一方面也会造成我国增材制造管理人才发展出现断层，不利于后续我国增材制造产业链的高品质发展。 4. 缺少权威认证 我国增材制造人才认证工作尚处于起步阶段，人才认证方案不规范，培养考核标准不统一，相关认证市场认可度不高，未能形成增材制造行业标准化的技能水平测试和能力证明体系。缺少权威认证使得增材制造人才的培养缺乏指导，培养方向、目标、标准不明晰，人才的遴选、甄别、招聘、晋级缺乏客观指导标准和参考。破解“缺乏认证导致的人才短板”难题，亟需行业组织联合企业、高校资源，面向社会组织开展增材制造领域不同层次紧缺技能人才的考核与认证，注重学员实际应用能力的评测，打造具有权威性、领先性、实践性的增材制造认证证书，加快推动产业人才的培养与储备进程。 三. 我国增材制造行业人才政策概况 人才是发展壮大战略性新兴产业的首要资源，我国高度重视增材制造产业人才发展，出台了一系列政策以破解人才短缺难题。 1.《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》 2016年12 月19日，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，指出要打造增材制造产业链，并提出要加强人才培养与激励。一是培养产业紧缺人才，实施战略性新兴产业创新领军人才行动，聚焦重点领域，依托重大项目和重大工程建设一批创新人才培养示范基地，重点扶持一批科技创新创业人才；二是鼓励科技人才向企业流动，落实国家对科研人员的各项激励措施，鼓励企业通过股权、分红等激励方式，调动科研人员创新积极性；三是充分利用全球人才，在充分发挥现有人才作用基础上引进培养一批高端人才。 2.《增材制造产业发展行动计划（2017—2020 年）》 2017 年 11 月 30 日，工业和信息化部、国家发展改革委、教育部等十二部门联合印发《增材制造产业发展行动计划（2017—2020 年）》，提出要健全增材制造人才培养体系。推进产学合作协同育才，扩大增材制造相关专业人才培养规模，加强配套支撑的课程设计、教材开发、师资队伍、专门实验室等方面的建设，建成一批人才培养示范基地。加强海外高层次科技、经营人才的引入和国际化人才的培养，建立和完善人才激励机制，落实科研人员科技成果转化的股权、期权激励和奖励等收益分配政策，形成与增材制造产业发展需求相适应的人力资源管理体系。 3.《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017 版）》…

在航空航天等领域，利用金属3D打印技术实现快速研发测试验证进而缩短研发周期、成形复杂结构制造解锁设计潜力、多零件集成一体化制造提高性能等突出优势，已经取得一系列里程碑式进展。如近期大放异彩的，由我国民营火箭公司星河动力北京空间科技有限公司研制的：50吨级“苍穹”液氧/煤油发动机，就大量采用了金属3D打印技术制造的零件。 航空航天以其要求的高可靠性、高性能以及轻量化，对材料提出了极高的要求，目前航空航天金属3D打印主流应用的是：钛合金、高温合金和铝合金三大材料体系。在钛合金领域，TC4、TA15等材料得到批量应用；在高温合金领域，GH4169、GH3625等材料得到批量应用，并且如GH3536、GH5188、GH4099等新材料也进入测试应用阶段；反之，在铝合金领域，虽然有少数零件可用AlSi10Mg来打印应用，但应用所要求的高强度铝合金一直缺乏实际案例。可以说，业界也迫切需要轻量化的高强度铝合金能够发挥作用。 航空发动机的主要材料组成 近几年，国内国际不少企业均推出了高强铝3D打印材料，成分体系各有不同。如空客推出的Scamalloy，可实现抗拉强度520MPa的性能；HRL实验室推出了纳米强化的7075，据称极限抗拉强度超过600MPa；苏州倍丰推出了Al250C，可实现抗拉强度570MPa的性能；上海交通大学王浩伟教授研制出的高性能陶铝复合材料粉末，可实现最大抗拉强度超过540MPa；中车研究院推出了专用高强铝粉末材料，抗拉强度稳定超过560MPa；长沙新材料院推出了AlMgScZr，室温拉伸强度535MPa。此外，也还有部分其他粉末厂家也宣称能够提供高强铝粉末产品，并推向市场。可以看出，500MPa的高强铝粉末研制已经突破瓶颈，但对于更高性能的高强铝材料却鲜有报导。 近日，3D打印技术参考获悉国内领先的铝合金3D打印材料制造商--江西宝航新材料有限公司，已经成功研制了超高强度铝合金HS5601。这是一种适用于SLM工艺的超高强度铝合金粉末材料，其抗拉强度达到620Mpa，断裂延伸率8%。该材料同样为AlMg合金体系，相较于AlMgScZr而言，其具有更高的强度，有望应用于航空航天及国防军工领域对高性能材料的特别需要。下表是该材料与AlSi10Mg以及500MPa铝的性能对比： 第三方检测数据显示，打印态的零件抗拉强度通常在460-470MPa，经热处理后，强度稳定达到630MPa以上。 该性能结果得到了第三方检测机构的证实（左右滑动查看更多）据进一步了解，HS5601超高强度铝合金粉末有望能够帮助解决航空航天等尖端应用部门对轻质高强材料的特别需要。目前，宝航新材料已经能够批量该材料，并已于2022年2月份面向客户提供粉末样品，并可提供工艺参数方面的指导。而且，公司有计划研制更高强度如800MPa的铝合金3D打印材料！ 在金属3D打印材料国产化的浪潮下，正不断有新的3D打印材料和优质供应商涌现，在此也希望国内的应用部门加强和3D打印设备、3D打印材料等企业的合作，共同助力我国制造业的转型升级！ 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QQ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.西南交大实现铝合金3D打印多缺陷主导裂纹扩展行为的成像表征 3.金属顶刊《Acta Mater》：增材制造高强铝合金的疲劳与动态时效！ 4.高强铝合金在增材制造应用过程中的主要局限性和缺陷类型

碳纤维复合材料因具有优异的质量强度比而备受关注，采用3D打印技术将纤维增强材料通过连续或短切的形式与传统高分子塑料复合，可显著提高零件的强度、耐热性及抗冲击性。在航空航天、汽车和制造行业，3D打印的碳纤维部件正在迅速取代模压碳纤维和金属部件高性能原型和最终用途零件。 当前，碳纤维3D打印技术主要分为短切碳纤维混掺尼龙粉末的激光烧结工艺，与热塑性塑料复合制成丝材挤出以及直接连续纤维复合热塑性塑料的挤出工艺。在设备级别上，又分为大尺寸的工业机与小尺寸的桌面机。本期，3D打印技术参考主要介绍2022年值得关注的桌面碳纤维3D打印机。 1. Markforged Mark2 和 X7 Markforged Mark2基于连续纤维增强3D打印技术，配备两个挤出喷嘴，一个挤出该公司的专有高性能材料Onyx（碳纤填充尼龙），另一个喷嘴则在基体材料中填充入连续的纤维束（碳纤维、凯夫拉纤维或玻璃纤维）加固Onyx。这种连续的纤维增强工艺可生产出具有高强度和多功能性的最终用途零件。其构建尺寸为320x132x154mm，并且能够实现100微米的层分辨率。 为了简化生产过程，Markforged开发了自己的软件，允许用户针对高强度3D打印进行优化。 Markforged Mark Two 和 X7 Markforged 连续纤维3D打印的零件 X7是该公司的另一款工业级3D打印平台，采用连续碳纤维和凯夫拉增强材料。与Mark2相比，X7更为先进，它配备了强化的双喷嘴系统和一个微米级的激光检测系统，可以扫描打印中的零件来保障尺寸精度，具有330x270x200mm的构建体积和50μm的层厚设置。Markforged甚至推出了适用于X7的机器学习软件，其使用人工智能来帮助3D打印系统适应和调整变量，以期可以在第一时间生产出高精度的零件。 连续纤维复合材料3D打印系统可生产高度耐用的零件，具有最高质量的机械性能。此外，Markforged还推出有FX20碳纤维打印机，是该公司制造的最大、最快的3D打印机。 2. Stratasys F123系列 2021年，Stratasys宣布为其F123系列3D打印机（F170、F270 和 F370）系列推出基于ABS的碳纤维材料。该系列打印机是Stratasys最实惠的主力机型，并拥有即插即打印的设计功能，其跨越了台式和工业FDM 3D打印机之间的鸿沟，具有工业特性和台式易用性。 Stratasys F123系列3D打印机 Stratasys 打印的碳纤维复合材料零件 F123系列可制作带有曲线、悬壁结构和内腔的大尺寸、结构复杂零件，以及小尺寸、结构简单的零件。其具有两个喷嘴，一个打印实体零件，另一个打印支撑。因此，这款机型打印的是短切碳纤维复合材料。含有10%短切碳纤维的ABS，与标准ABS相比，强度提高了15%，刚度提高了50%以上，且比金属更轻，还能实现高精度打印，完全可以取代某些金属制造部件。水溶性的支撑材料也使复杂部件的后处理变得简单。 F123系列非常适合教室或办公室环境，F270的构建尺寸为305 x 254 x 305 mm，F370 为 355 x 254 x 355 mm。 3. Raise3D E2CF E2CF于2021年发布，是上海复志（Raise3D）推出的专用碳纤维3D打印机。其配备双挤出喷头，用于打印短切纤维复合材料，如碳/玻纤增强尼龙12、碳/玻纤增强耐高温尼龙等，专用的支撑材料可以很好的保证结构的完整性以及内表面的光洁度。打印结束后，可以轻松剥离，相比于水溶性支撑更加具有性价比。E2CF构建尺寸为295 x 240 x 240 mm，挤出机喷嘴可以达到300°C，而构建板可保持110°C。 Raise3D E2CF 3D打印机 Raise3D E2CF3D打印的零件 E2CF旨在满足汽车、航空航天和医疗领域工程师的需求。为了确保稳定的打印过程，E2CF 配备了两个独立的密封干燥箱，使材料在打印时保持最低湿度；另外还配置了高精度光学传感器辅助打印床自动调平，可提高喷嘴高度校准的准确性；定制的SiC喷嘴相比现有市面上打印机喷嘴的硬度提升了一倍，可打印高强碳纤尼龙超过1000小时。这款打印机的市场售价约为29000元人民币。 4.一迈智能MAGIC HT PRO MAGIC HT PRO是一迈智能（IEMAI 3D）推出的高性能材料专用3D打印机，配备了快拆式模块化双打印头，当用户需要打印短切纤维复合材料时，如碳/玻纤增强PEEK、碳/玻纤增强尼龙等材料，可更换更耐磨的硬化钢模块打印头。MAGIC HT PRO的构建尺寸为310*310*410mm，挤出机温度可以达到500℃，并具备液冷式散热功能，腔体温度可以保持120℃，构建底板的温度可以达到170℃，独立升降的双打印头为可溶或者易剥离支撑的打印创造了优秀的条件。 一迈 MAGIC HT PRO 3D打印机  一迈 MAGIC…

2020 年 11 月，Materialise推出了一种能够100%循环使用的尼龙粉末Bluesint PA12；2021年3月，韩国3D打印机制造商Sindoh推出了一款名为S100的机器，被认为是第一台能够使用Bluesint PA12材料的SLS 3D打印机，同时Materialise向其订购了五台设备。 将两条信息综合起来可以得出结论：用于激光烧结的尼龙材料确实可以做到100%循环使用；其次，能够实现材料循环使用的SLS 3D打印机经过了特殊改装。Materialise指出，这种专用的3D打印机配备两台激光器，其中一台用来烧结粉末，另一台则用于将粉末保持在某个温度阈值以上。通过防止粉末在两层之间冷却，可避免橘皮效应导致的收缩，不仅能使打印过程稳定，零件也可保持标准的机械性能和表面质量，从而大大减少材料浪费。 SLS工艺作为基于粉末床3D打印技术的典型代表，经过几十年发展，工业化成熟度已非常高，但因其打印材料工艺难度高、耗材贵等严苛条件使从事相关工艺的企业并没有像其它工艺那样呈现爆发式的增长，从事该技术的企业数量相对较少。 作为当前选择性激光烧结工艺的主要材料，尼龙（PA）具有耐磨、韧性高、强度大、耐热性好的优点。但尼龙材料在SLS成型过程中会发生老化，回收的粉末再次烧结会发生橘皮效应，导致PA粉末的回收利用率低、成本增加。在工业环境中，用户通常采用新旧粉末混合的方式解决粉体循环的问题，最常用的新、旧粉质量比为1∶1，工艺技术水平控制得好的用户，可以做到3∶7。该方式能够在一定程度上解决粉体循环的问题，但随循环次数的增加，粉体性能的恶化程度也会增加，使得粉体不再具备适宜的烧结条件。 3D打印技术参考获悉，武汉三迪创为科技有限公司的研发团队经过六年技术积累和工艺攻关，通过设备优化和工艺调整，于近期实现了100%全旧粉PA12重复利用，同时保证制件力学性能和表面质量达到标准要求，此举将大幅降低SLS工艺的耗材使用成本，并在该技术领域实现国际同等水平。 该公司工艺负责人表示，该成果的实现主要通过三项因素控制： 首先，采用拥有自主知识产权的基于双PID的温度场实时控制算法，可有效保障温度场的均匀性和精准性，适用于类似尼龙这种加工窗口窄的粉末材料成型。基于温度场的精准控制，实现温度场±1°的动态响应，是该公司的的核心技术。 基于双PID的温度场实时控制知识产权证书 其次，精准的温度场控制配合独立的切片引擎与实时多变的激光扫描策略，提升制件力学性能的同时，增强材料适应性。 典型扫描策略 第三，利用自有的面向激光高斯分布的表面质量控制算法，基于有限元和离散元熔池分析，对温度场、扫描路径、激光烧结等关键环节进行科学的分析和指导，获取最佳的表面质量和细节表现。 细节表现对比图 另外，该公司测试发现，使用重复循环40次的PA12烧结的零件拉伸强度与其他品牌公布的数据相当。 友商关键参数表 创为数据为第三方测试数据，相关友商数据为其官网公开数据创为100%旧粉打印，重复循环次数在40次以上※创为制件的弯曲模量可以通过增大激光功率显著提升武汉三迪创为采用100%旧粉除了可以为用户提供优异的力学性能、表面质量和细节表现外，还可保证极高的精度。基于光斑和轮廓双补偿的精度控制算法，结合激光光斑尺寸和内外轮廓补偿，制件尺寸精度可得到充分保障。零件尺寸小于100 mm时的误差可控制在±0.1mm以内，超过100mm则可以控制在0.1%以内。且容易被忽略的内轮廓误差精度即使大设计尺寸仍可以保持绝对精度不变。 对于100%的旧粉使用率可以为用户带来的收益，该公司也进行了简单估算：以一台幅面400*400mm、打印高度300mm、开机率50%的设备为例，按照3：7和1：1的新旧粉配比，每年可以为用户节约10万和25万左右的材料成本。 循环30次的旧粉+未通氮气打印的尼龙零件 创为在100%利用旧尼龙粉末的同时，还积极从用户角度考虑，尽量减少旧粉的产生： • 首创快速打印模式，基底厚度5mm，铺完基底后无需等待就可以开始打印； •常规打印模式，基底厚度8mm，预热时间1小时50分，打印完覆盖粉末厚度2mm； •两种供粉方式，一种是常规的固定供粉高度，另外一种是根据每层打印图案的截面积计算后进行供粉。 创为100%旧粉且未通氮气制件 合作伙伴提供的水性染色服务 武汉三迪创为SLS设备HW-S400及自主研发的四/六轴运动控制主板（左滑查看更多） 该公司表示，实现100%旧尼龙粉末打印，不仅依赖软件算法上的深耕，还实现了整个设备核心部件控制主板的自主化。自主研发的四/六轴伺服运动控制硬件主板适配自主研发的软件系统，完美契合个性化的工艺需求。并且，创为的运动控制主板还预先集成了振镜控制功能，为后续板卡直接控制振镜提供了必要条件。相较当下流行的振镜控制卡模式，板卡直接驱动振镜不仅可以在成本上实现了极大的节约，也为后续振镜工作效率的提升打下了坚实的基础。 具体的工艺控制远比本文的叙述要复杂的多，欲了解详细过程还需要与该公司探讨，3D打印技术参考在此无法判知详细过程及取得的效果。此外，该公司面向从事SLS工艺的用户回收尼龙粉末，联系电话：13922835977 ，微信：diamondpig。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流QQ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.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化 3.EOS LaserProFusion与HP MJF的批量化制造技术对比 4.3D打印尼龙制件的后处理方法

碳中和是2021年最热的关键词之一。随着国家战略出台，碳中和的关键技术路线图也渐渐清晰，主流观点有六大路线：源头减量、能源替代、节能提效、能源回收利用、工艺改造和碳捕捉。增材制造一直被认为是制造业数字化转型的关键技术，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。 那么3D打印技术能否成为应对气候变化、碳中和大战略数字化转型的关键支撑技术呢？答案并非那么简单！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，将在本文中详细阐述该技术对碳中和的重要价值。 本文也是安世亚太“增材思维 数智未来”系列文章的第二篇（第一篇：挑战与机遇并存：增材制造的数字化智造未来），接下来将陆续推出智能设计、成本控制、多源技术融合、新能源应用等方面的专栏文章，阐述增材制造的数字化未来。 当下3D打印技术的碳足迹现在的3D打印是低碳环保的技术吗？答案恐怕是不确定的。 近期世界上一些研究机构基于公认比较科学的碳足迹计算方法：生命周期评估法（LCA法），考虑产品或服务在生命周期内所有输入或输出数据得出总的碳排放量来评估3D打印技术对工业产品的影响。2020年，卡达尔基金会赞助了一项关于建筑混凝土3D打印应用对环境的影响的研究，项目考虑了四种不同的施工情景：• 传统施工 •钢筋混凝土的3D打印施工 •无钢筋的混凝土3D打印施工 •替代混凝土的混合物3D打印施工 该研究的环境影响类别包括全球变暖潜能值（GWP）、酸化潜能值（AP）、富营养化潜能值（EP）、烟雾形成潜能值（SFP）和化石燃料耗损（FFD）。 图1：4种施工条件下建筑混凝土3D打印应用对环境的影响 研究发现，与传统的施工方法相比，3D打印混凝土的3种情景能够在全球变暖潜能值（GWP）、酸化潜能值（AP）、富营养化潜能值（EP）、烟雾形成潜能值（SFP）和化石燃料耗损（FFD）方面显著降低环境影响。第四种通过混料增强方式的混凝土3D打印的施工方式显示出进一步降低环境影响的效果。这些发现为建筑业的未来制造方向提供了支持，建筑业下一步不仅要研究3D打印的基础设施，还要探索新型的可打印材料，以维护建筑结构的完整性并减少对环境的负面影响。2020年11月，荷兰TUDelft大学对比了常见的增材金属，如铝、不锈钢和钛合金传统工艺和增材工艺，考虑到材料的冶炼，工艺能源、后处理、成型失败导致的废弃、打印过程的有害排放、增材金属最终产品使用、打印产品的金属材料的回收和再利用的各个方面，得出结论：每公斤铝或不锈钢材料采用3D打印直接成型的碳足迹可能比传统工艺高10倍。不同行业的最终产品可能会有不同的结论，如航空航天应用钛合金由于增材设计的减重效果明显，碳足迹可能减少。但是对汽车应用来讲，增材不一定有更好的碳足迹数据，主要的负面影响还是粉末材料生产过程产生的排放过高。研究最后也表明由于现在增材制造还没有足够的数据来建立可信的环境影响因子，需要有更全面和标准化的LCA计算方法，考虑增材产品全生命周期的各个环节，并且能够关联设计、材料、工艺参数、设备能源、完整生产技术、物流等各个环节。图2：3种钛合金零件影响碳排放值，1号打印零件最高（体现了无减重不增材的思想） 未来的3D打印技术与碳中和 前面几篇研究都基于当前3D打印的技术、碳排放状态来映射对环境的影响，这样的方法不具有动态时效性，笔者无法认同他们的结论合理。当我们以发展的眼光考虑整个产品生命周期时；原材料、制造、组装、使用、维护和产品寿命结束、循环的完整过程——3D打印在碳足迹方面比传统制造有相当大的优势。 AMSE于2017年度增材大会上发布了一篇关于3D打印对环境的可持续影响的研究。这项研究中突破性的引入了3D打印工艺可持续性评估和改进的要素最终回归至CAD文件，再结合生命周期评估LCA方法完成关联。研究的结论是：3D打印对环境的可持续发展有积极的作用，未来需要将3D打印材料制备生产环节、及打印成型过程细化，做出更合理的LCA基准数据；同时建议3D打印可持续评估建模需要考虑环境、经济、社会等更多维度的效应，与生命周期成本模型LCC方法挂钩；最后研究表明对3D打印工艺可持续发展影响最大的是环境友好型材料的开发，这才是突破性的因素。 图3：基于3D打印工艺的CAD-LCA关联研究方法框架 2017年另一篇TUDelft发表在ELSEVIER的研究，以更高维度的模型，从下至上的建模方式来考虑2050年增材制造和全球能源需求的关联。研究使用了演绎探索性情景（Shell壳牌2008首创的对未来能源技术的假设理论）建立了4个场景，考虑全球对增材技术的合作态度，属于高度竞争（Scramble）还是高度合作（blueprint）。另外考虑了AM增材对整个社会活动周期渗透度的程度，分为低渗透（low AM impact=20%）和高渗透（high AM impact=80%）。研究针对航空业飞机产品的已有LCA数据分析，根据渗透程度不同，全球高竞争环境节能效果在5%-20%，全球合作环境节能效果可以提升到9%-25%。对建筑行业的计算结果类似，应用AM节能效果显著，而且建筑行业的节能效果主要体现在原材料的节约和建筑使用过程保温层的节能。最终这项研究将这套模型推演到整个工业领域，研究的结论是AM可以降低现有能源消耗的5%-27%，全球高度合作情景下节能潜力更为明显。 图4：基于演绎探索性情景研究方法框架的4个增材技术未来场景 当我们把技术从时间维度和应用广度考虑进去时，增材制造是否低碳就不再是一个单纯的技术问题，而是一个社会和政策问题了。 3D打印技术走向碳中和的关键要素 我们仍然试图给这个技术、社会、经济、政策交融的问题解耦，那么先从技术的维度来看3D打印应对碳中和核心要素是什么。 1) 材料3D打印可以减少碳足迹的一种关键方式是对每个零件、部件、产品所用的材料减少。3D打印对比传统制造的切削铣刨磨环节大大减少，最终产品的材料使用率有巨大的提升。基于再设计理念，通过DfAM设计能够减少零部件5-25%的材料使用也是一个行业共识。潜在耗能的另一种方法是取代传统设计中由高耗能量材料制成的零件。例如，车辆或设备中不一定每个部件都需要金属制成。在许多情况下，3D打印的聚合物或复合材料部件也可以给予同样的性能。从这个角度，减材设计和材料取代设计的关键都是正向设计，需要让最适合的材料去制造最低碳的零部件。另外研发适合3D打印的环保材料也是这个环节中最重要的要素之一。2)制造制造过程能源包含将原材料制成可用最终产品的所有环节，包括制造、组装和包装。PBF为工艺底层的3D打印工艺由于高功率激光和成型环境，是通常人们认为3D打印高耗能的原因。但是比如DLP打印工艺只需使用注塑工具 1% 的能量。另外3D打印只是制造众多环节中的一个核心步骤，全制造过程的能耗分析，才能智能匹配某个产品最适合的3D打印工艺。以低碳为目标的智能产线规划是这个环节的核心要素。3) 运输现场和按需 3D打印制造减少了整体能源浪费并减少了碳足迹。组装、运输、物流、维护、储存的环境成本完全或几乎被消除。3D打印背后的支撑逻辑是以高效和有效的方式生产价格合理的产品，因此它们耐用、重量更轻（在运输时尤其有利）并且几乎为材料零浪费。重点是高质量、高效率和小批量制造。DfAM设计将通过帮助新产品的设计和早期生产阶段消除库存，实际产品减重后可以降低运输成本并改善能源和资源的使用。我们当前全球航运和物流基础设施的碳足迹大概占到人类总活动的30%, 3D打印支撑的分布式数字制造意味着更短的交货时间以及更低的运输能源。这个未来不是靠“每个家庭都有一台打印机”来支撑的，而是一个能够满足区域需求的分散式增材制造节点网络，智能生产与物流的协同规划是这个环节的核心要素。4) 使用3D打印带给产品的应该是外形、功能、性能和耐用性的提升，从使用寿命上将会带来碳足迹的降低。正向设计，以最少的材料设计制造出最优的产品是这个环节中最重要的因素。5) 循环如所有工业品循环再利用的瓶颈一样，3D打印制品的核心问题在于许用的判断、回收的方式合再利用的标准。6) 社会及政策要素现在3D打印产值只占工业总产值的0.1%以下，所以对3D打印产品全生命周期的碳评估还没有引起全世界政策上的广泛关注，但以发展的眼光看3D打印这项技术，从政策维度还是应该有以下支撑：•制定碳足迹相关的准则或标准，在3D打印制品要求节省原材料并且使用可回收的环保材料； •在AM最佳实践基础上，为使用阶段的产品（包含房屋）制定能效标准； •在基于AM分布式制造理论下，制定产品运输能源使用的标准； •开源的AM设计库来支持并鼓励作为备件产品的维修和再利用； •为工艺成型过程的碳足迹定基，为AM设备制定指导方针、最佳实践合标准 结论与展望增材制造是重新设计-制造万物的通用技术，现存的每个产品，生活中的每个不起眼的小物件都值得用DfAM和碳中和的价值观重构一遍。例如屋顶上安装太阳能电池肯定会对家庭的碳足迹产生积极影响，但每天使用的耐用品制造方法的不那么明显的变化可能会对碳足迹产生更大的影响。例如汽车产业的碳中和方案，可以将汽车作为主体和汽车环境体两部分考虑。汽车作为主体主要考虑材料制造、零件制造、整车制造、行驶过程、及回收再利用。从设计作为原点开始改变，以碳中和为目标的设计后整个供应链会随之改变，在这点上3D打印和碳中和是相同的。此处设计指广义的顶层设计而不是狭义的工程设计。例如在电动车的主体中可以通过区块链等技术，将电动车的电池进行全生命周期的碳足迹排查及优化设计方案，其中每个环节中增材制造都能起到减碳的关键作用。 图5: TCT杂志关于3d打印支撑的绿色制造概念 以汽车的大环境考虑碳中和目标，外部协同的对象主要是能源产业及交通产业，例如汽车主体倒逼能源行业减碳，那么现在最火热的氢能源和电能都有3D打印关联性发挥的空间。汽车主体驱动交通环境改变，那就涉及到未来汽车的形态这种底层热点讨论了，对智能交通的想象不应停留在二维的平面驾驶中，未来的交通为什么不能是三维空间起落式交通呢？在碳中和的大目标下，LCA和增材技术作为支撑，0排放的飞行汽车也是可以畅想和模式设计的！ 图6: 来源Dave Brenner密歇根大学环境与可持续发展学院 安世亚太公司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二篇（第一篇：挑战与机遇并存：增材制造的数字化智造未来），接下来我们将陆续推出智能设计、成本控制、多源技术融合、新能源应用等方面的专栏文章，敬请期待。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流QQ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.聚焦行业应用、打造核心要素！安世增材推出最新技术成果及行业赋能方案 3.一款小程序，用于评估工业零件的增材制造潜力及工艺可行性 4.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

3D打印砂型铸造模具和型芯正在改变当今高性能、大型金属零件的制造方式。增材制造使现代铸造厂能够在交货期内快速生产出复杂的金属零件。本文以约1米长机械臂的重新设计和制造为例，阐述了将铸件先进设计与3D打印砂模相结合的优点。 砂型铸造和工业3D打印 金属铸造是一种常见且成熟的制造方法，用于生产融入我们日常生活的商品。如今，90%的制造产品和机械都使用了铸造零件。而当前最流行的金属铸造工艺是砂型铸造；超过70%的金属零件都是采用这种生产工艺制造的。砂型铸造过程首先需要创建一个牺牲模具，该模具由混合有粘合剂的压实砂组成。通过浇注系统用熔融金属填充模具的型腔，然后将模具破坏取出铸造件。 大型砂型铸造模具在3D打印和清洗后即可使用 砂型铸造可以追溯到公元前 1 世纪。几个世纪以来，这种技术已经发展成为我们所熟知的工业流程。然而，数字制造和3D打印技术的出现使得现代铸造企业进一步得以发展。使用 3D 打印砂模和型芯的砂型铸造正在成为增材制造的一个关键工业应用。直到最近，设计工程师和铸造厂还主要将这种混合制造技术用于原型制作。今天， 越来越多的铸造厂正在采用这种制造技术来增强其内部流程。3D打印的砂模和型芯是在工业3D打印系统中利用数字文件直接逐层制备的。打印头将粘合剂材料液滴喷射在薄薄的沙层上来创建每个横截面使用3D打印模具和型芯进行砂型铸造的好处• 3D 打印的砂模和型芯有助于创建合理的浇冒口系统，从而可以制备具有更少内部缺陷的高性能的金属零件，零件的材料强度最高可提高15%； •增材制造消除了对工艺装备和铸造模具的需求以及相关的几何限制。这有利于生产具有复杂几何形状的高性能的优化零件； •3D 打印和其他数字制造技术有助于改变传统铸造厂的形象，吸引年轻人才和新的劳动力进入该领域。 使用3D打印砂模和型芯进行砂型铸造的局限性 然而，3D 打印只是一种工具。这种新技术在砂型铸造方面的局限性包括：•零件设计仍需遵循铸造工艺和 3D 砂型打印系统的限制。这些设计考虑包括壁厚、件截面的变化和壁与壁之间的间隔； •目前可用的工业砂型3D 打印机是有限的，而且 3D 打印模具的制造成本也相对较高。作为参考，砂型3D 打印的成本约为每立方英寸 0.1 美元，而传统的铸造厂对一个模具的收费通常在 1-2万美元之间； •与每一项新技术一样，获得砂型3D打印知识和设计技能的途径仍然有限。难以找到最佳设计案例和设计准则，这阻止了工程师和制造商最大限度的利用这项新技术。 下面的案例研究将设法解决最后一点。通过将每个决策中的设计方法和实际考虑因素文件化， 我们希望让制造商、设计师和工程师更容易的使用这项技术。案例研究：拓扑优化的机械臂为了展示使用 3D 打印模具和型芯进行砂型铸造的优势，nTopology、宾夕法尼亚州立大学、Flow 3D 和 Humtown的工程师联手重新设计了一条一米长的机械臂。他们共同创建了一个端到端的数字化铸造工作流程--从零件优化到可制造性设计，最后是制造。金属铸造模具组件的分解试视图该团队将拓扑优化等先进的设计技术与只能通过增材方式制造的先进铸造特征（包括浇口、浇道和冒口）相结合。使用这种方法，该团队设法达到以下几个目标：•将零件的重量减少40% •避免常见的铸造缺陷 •直接 3D 打印整个砂模 •在一个星期内制造出该零件 该项目的第一步是优化机械臂的几何形状。利用拓扑优化软件，该团队将零件的重量减少了40%--从 240 磅减少到 165 磅--同时仍然满足规定负载条件的功能要求。 拓扑优化是一种仿真驱动的设计技术，该技术通常用于航空航天和汽车工程领域，优化目标通常是刚度最大化和重量最小化。nTopology 软件中的的自动光顺处理和模型重建功能使该团队能够快速、轻松地进行设计修改。nTopology 拓扑优化过程概述，从原始设计到最终导出CAD主体当然，工程团队在设计阶段就考虑了该零件的可制造性。最终的金属零件用铝铸造时重 165 磅（或约 75 千克），其边界尺寸为 39″ × 16″ × 16″（或 1.0 m × 0.4 m × 0.4 m）。机械臂的尺寸限制了团队生产这个巨大零件的选择。按照传统的制模方法（使用木模）会带来一些复杂性问题。由于几何形状的复杂性，设计团队将不得不做出许多妥协，从而降低了零件的性能。为了展示该技术的能力，该团队决定直接 3D 打印整个模具。通常情况下常见的生产方式是只打印模具的一部分，如模具的型芯或其他关键的部位。这一决定使该团队能够优化模具的其他关键特征，如浇口、浇道和冒口的几何形状和位置。这些优化将使金属铸件具有最小的内部孔隙和较高的材料性能。该模具是宾夕法尼亚州立大学和 Flow3D 公司合作设计的。该团队在设计过程中考虑到了两个主要的设计要求：•熔融金属必须尽可能顺利地填充型腔。研究表明，低于0.5米/秒的流速是必要的， 以尽量减少湍流，并减少由于氧化层脱落和孔隙造成材料缺陷的可能性； •冒口必须在零件之后凝固。不均匀凝固是造成内部缺陷、收缩、开裂和零件变形的另一个常见原因。出于这个原因，铸造后将被加工掉的部分必须最后凝固。 该模具是分体制造的，然后在浇注熔融金属之前进行组装，这种螺旋状的浇口设计无法用传统模式制造为了确保在填充模具时不引入湍流，该团队重新设计了浇注系统和冒口。他们使用了一个螺旋形的浇口，而不是一个向下的浇口。他们选择了具有球形或半球形的冒口，而不是圆柱形的冒口。这种优化的浇口和冒口的几何形状确保了熔融金属的流动速度低于所需的阈值，并且熔融金属会均匀地凝固。此外，这些特征只能使用增材制造技术来制造， 因为使用传统的制备工艺不可能制备出这样复杂的浇冒口系统。 铸造过程模拟帮助团队确保速度流量保持在0.5毫米/秒的临界值以下 为了确定最佳零件浇铸方向和流道、浇口和冒口的最佳位置，该团队使用铸造模拟软件进行了多次设计迭代。仿真的目的是优化冒口性能，最大限度地减少孔隙率，并验证浇口流速。仿真阶段确保了该部件一次成功制备，并将开发时间从几个月减少到几周。3D…

一起向未来TOGETHER FOR A SHARED FUTURE冬奥会的雪车项目是速度最快且观赏性极强的项目，胜负常在毫秒之间。雪车的制造研发固然重要，但是配套设备也起到决定性的作用。 由东莞理工学院教育学院（师范学院）副教授李楠领衔的东莞理工学院雪车头盔研发团队参与研发的雪车头盔已经应用于国家队冬奥项目训练中。 华曙高科项目团队采用业内打印效率超高的双激光高分子光纤激光烧结Flight技术和万华化学新型TPU材料打印，并运用了华曙特殊后处理工艺，为运动员量身定制了25套雪车头盔内衬。 增材制造、材料科学、设计优化三方发力，为2022冬奥会国家雪车队运动员助力！雪车的平均时速在100公里左右，最高可达160公里，素来有冰上F1之称，其风驰电掣般的竞速过程，能给人带来无比刺激的感官享受，是雪车比赛的最大看点。在如此高速的状态下，运动员的安全保障工作是重中之重，而头盔装备则是保障雪车运动员安全的重要防护装备。 双激光Flight 技术兼顾效率和细节 华曙高科Flight光纤双激光烧结技术，具有超高的生产效率和极佳的细节，2个雪车头盔内衬仅需7.5个小时即可打印完成。为了保证内衬晶格结构的性能以及重量要求，华曙高科研发团队同时快速地进行了多种参数组合的实验，成功开发最优的烧结参数，以确保头盔内衬品质及性能。在后处理过程中，华曙独创的SP抛光技术能有效提升表面质量，提升打印头盔内衬晶格的结构强度。 华曙开源软件快速筛选最优化烧结参数 采用Flight双激光技术打印雪车头盔过程 2个雪车头盔内衬打印时间对比 定制TPU材料确保内衬弹性 与此同时，制造材料决定了头盔点阵结构的特性和应用。TPU具有优良的承载能力、抗冲击和减震性能，即使在-35℃时仍保持良好的弹性和柔韧性等物理性能，被广泛应用于医疗卫生、电子电器、工业以及体育等领域。同时，TPU也是主要的适用于3D打印的弹性体材料。针对此项目，万华化学专门开发了新型材料WF-PU95AB TPU，为雪车头盔赋能。 个性化设计提升运动员体验 与传统泡沫头盔相比，3D打印技术可通过采集运动员的数据，进行一对一个性化定制雪车头盔，以达到能紧密贴合每一位运动员头部效果，完成重力自适应，提高佩戴舒适度和运动安全性，且每款头盔上都刻有运动员姓名缩写，具有纪念价值。 晶格设计内衬助力减重，提升防护性能 采用碳纤维外壳及3D打印技术制作的雪车头盔，重量仅约1.1千克，比之前国家队使用的传统头盔减少了500克，有效地为运动员减少了负重。目前，这款雪车头盔已经通过GB和ECE认证，达到国际雪联规定的赛事头盔要求，并交付了国家雪车队。 3D打印在制造点阵结构方面具有天然优势，它几乎可以实现任何的空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性。基于此，3D打印的点阵结构可以制造防护体育器材，从而为头盔、盔甲和其他防护用品的改造升级带来了新动力。 东莞理工学院雪车头盔研发团队开发的点阵结构由多层且软硬不一的缓冲带构成，不同碰撞频率的区域配备着不同密度的结构分布，能够精准地管理因头部碰撞而产生的各种冲击力，以抵御头盔在遇到碰撞时的各种冲击力，为运动员提供前所未有的防护性能。 头盔内衬由东莞市科恒手板模型有限公司提供设计验证 “科技冬奥”是北京冬奥会的一大亮点，在“科技奥运”理念的指引下，无数科技工作者开始了“奥运科技长跑”，这是体现我国综合国力的舞台，更是实现高水平科技自立自强的舞台。近年发展迅速的3D打印，也在冬奥会的筹备过程中发挥了重大作用，作为3D打印产业化的推动者，未来华曙高科将继续为“科技奥运”贡献自己的一份力量！

雪车是冬奥会速度最快且观赏性极高的项目之一，胜负常在毫秒之间，因此对硬件要求十分严格。由东莞理工学院教育学院（师范学院）副教授李楠领衔的雪车头盔研发团队参与研发的雪车头盔已经应用于国家队冬奥项目训练中。该团队运用3D逆向建模、点阵结构3D打印技术，通过采集运动员的数据，进行一对一个性化定制雪车头盔，以达到能贴合每一位运动员实际需求的效果。该款精心“智”造的头盔具有个性化、减重、安全性等特点。本期，3D打印技术参考介绍这款雪车头盔在材料与结构方面的3D打印技术应用问题。 材料与结构的选择 根据相关要求，头盔要求所有配件、材料都需要做到中国自主。 在材料的使用上，这款自主研发的雪车头盔外层采用强度高、防撞性能优异的中国航天T800碳纤维材料制成。T800碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型材料。由于材料经过碳化及石墨化处理，因此具备密度小、强度高等优点，根据相关资料，碳纤维材料的密度比铝还要低，但是强度却比钢铁还要大。 碳纤维外壳+TPU 3D打印的点阵缓冲层 头盔内部材料缓冲层采用了3D打印点阵结构。材料的微观结构对其吸收冲击的能力发挥着巨大作用，3D打印技术参考获悉，研究团队从晶格的选择到头盔外壳及材料性能的匹配经历了上万次的计算，最终确定了最优的晶格结构与材料。采用3D打印（SLS技术）和TPU粉末材料，设计研发雪车头盔缓冲层的点阵结构，优于传统的EPS发泡材料，其抗冲击性能提升40%左右，可抵御头盔在遇到碰撞时的各种冲击力，更好地保护运动员的头部。 据3D打印技术参考了解，采用碳纤维和TPU点阵结构制成的头盔，重量仅约1.1千克，比之前国家队使用的头盔减少了500克，有效地为运动员减少了负重。目前，这款雪车头盔已经通过GB和ECE认证，达到国际雪联规定的赛事头盔要求，并交付了国家雪车队。 使用TPU 3D打印点阵缓冲结构 点阵结构一般是指由杆、板等微元件按一定的规则重复排列构成的空间桁架，具有体密度小、比表面积大、比力学性能高等特点。将其作为芯材的夹芯结构在冲击载荷作用下因结构动态失稳产生巨大的塑性变形并转化为热能，可吸收掉大部分的冲击能量，因而具有优良的缓冲吸能和抗冲击性能作用，从而起到防护功能。 3D打印在制造点阵结构方面具有天然优势，它几乎可以实现任何的空隙精度、空隙率、空隙形状、空隙大小、孔分布以及相互之间连通性。基于此，3D打印的点阵结构可以制造防护体育器材，从而为头盔、盔甲和其他防护用品的改造升级带来了新动力。 李楠团队开发的点阵结构 李楠团队开发的点阵结构带有运动员姓名缩写 此外，制造材料决定了点阵的特性和应用。TPU具有优良的承载能力、抗冲击和减震性能，即使在-35℃时仍保持良好的弹性和柔韧性等物理性能，被广泛应用于医疗卫生、电子电器、工业以及体育等领域。同时，TPU也是主要的适用于3D打印的弹性体材料。 基于以上因素，雪车头盔团队选择TPU作为点阵结构材料。 点阵结构极大影响缓冲性能 在点阵结构的设计上，胞元结构的大小和密度以及胞元结构方向，都会影响点阵结构的可打印性及其性能，有时甚至可以借助结构设计来弥补材料性能的不足。 胞元结构的大小和密度是指单个胞元的大小以及在一个空间内胞元的数量。胞元本身的大小取决于其节点和连接节点的梁宽度和长度。较大的胞元更容易打印，同时强度也更高；较小的胞元相对更均匀，但会受到打印工艺特征尺寸的限制。通常情况下，点阵结构会默认为不需要支撑，这一方面需要注意设计过程中的设计极限，如横梁宽度、梁的倾斜角度等等；另一方面也需要注意摆放角度，选择最理想的零件自身支撑摆放方向，尽可能降低加工成本并减少后期处理工作。但对于SLS技术而言，通常粉末材料可充当零件的支撑，从而减小了胞元结构方向对打印的影响。 李楠团队开发的点阵结构 由于冬奥会项目尚在进行之中，关于雪车头盔的性能数据，3D打印技术参考目前无法提供。但国外有研究人员此前曾测试了由惠普MJF工艺打印的PA11和激光烧结工艺打印的TPU材料的多种类型的点阵结构对撞击的缓冲作用。动态冲击测试采用5kg的圆形金属物体从1m的高度掉落到测试对象上，测试设备可以测量样品吸收的总冲击力。从测试的过程可以发现，不同结构的点阵对冲击的防护作用差别很大，研究人员可以因此选出最佳的结构。该测试项目获得了欧盟H2020框架计划的资助，其内容包括研究几种生成晶格结构的技术，并对这些结构进行测试，最终将其应用于在攀岩、骑行、滑冰等运动中的个人防护头盔。 国外研究人员设计和打印的几种点阵结构（与雪车头盔设计无关）为贯彻“筹办好北京冬奥会、冬残奥会”的要求，加快推进“科技冬奥(2022)行动计划”，2019年，科技部发布了国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项2020年度项目实施方案。科技奥运将充分利用现代信息技术和科技手段，在“更快、更方便、更准确、更安全”的原则下，让体育比赛和辅助活动顺利进行。 END 与传统泡沫头盔相比，3D打印领先的制造工艺具有固有的定制适应性，并具有优于传统泡沫头盔的独立安全测试得分。将头盔的各个组件组装在一起，包括打印的内部结构和外壳，头盔可实现按需打印，从而提高赛场上的保护性能和佩戴舒适性。 “科技冬奥”是北京冬奥会的一大亮点，在“科技奥运”理念的指引下，无数科技工作者开始了“奥运科技长跑”，这是体现我国综合国力的舞台，更是实现高水平科技自立自强的舞台。3D打印作为近年发展迅速的新技术，也在冬奥会的筹备过程中发挥了重大作用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流QQ群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.降维打印！强度提升37%-65%，3D打印点阵结构研究取得重要进展 2.一种特殊晶格结构的3D打印散热器，既提供刚度，又增加传热面积 3.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构 4.冬奥火炬能耐800℃：3D打印、碳纤维、高温阻燃树脂实现多项创新

在当前金属增材制造产业链中，材料端正在受到越来越高的关注，一方面是由于金属增材制造逐渐铺开带来了量的明显增长，更重要的是应用端正在牵引材料端进行更新换代，其中既包括粉体特性改进，也包括新成分的设计与应用。对于未来增材制造粉末产品开发而言，粉体制备技术与材料研究缺一不可。 作为我国有色金属行业综合实力雄厚的研究开发和高新技术产业培育机构，国资委直管中央企业，有研科技集团于2021年底整合旗下增材制造及特种粉体材料业务板块新设立有研增材技术有限公司并实现独立运营，其中有研粉材和康普锡威分别占股60%和20%，钢研投资占股20%。新公司以有研集团球形粉体制备技术、装备、人员为基础，将重点开发和生产增材制造金属粉体材料。有研集团在有色金属材料研究和球形粉体制备领域同时具备研发优势，本期3D打印技术参考将就有研增材部分重点产品进行介绍，突出粉体制备技术与材料研究在增材制造材料开发中的作用。   1.高流动性铝合金粉末 自铝合金应用于增材制造技术以来，其流动性问题一直受到关注，主要是由于铝合金密度轻，本身不易获得好的流动性，同时铝合金粉末形貌控制较其他合金难度要大。虽然当前主流粉末床工艺并非要求原料粉末必须具备霍尔流动性才能使用，但应用和制粉厂家都希望就铝合金粉末的流动性状态加以改善，以便获得更好的粉末均一性和工艺适应性。有研增材团队自2016年开始生产增材制造铝合金粉末，就相关制备技术开展了专项研究工作。2021年有研增材推出稳定工艺的高流动性铝合金粉末产品，粉末球形度高（＞95%）、流动性好（15-53μm霍尔流速约70s），松装密度高（≥1.45g/cm³），同时空心粉率控制在3‰以内，在航空航天、汽车等领域获得了批量应用。未来增材制造铝合金粉末制备技术研究仍将具有重要意义，一方面是金属增材制造转向流水线后将对粉末流动性等特性提出新的要求以适应流程自动化，另一方面是新的铝合金增材制造工艺对粉末特性还有不同要求，例如有望在汽车领域实现铝合金规模应用的粘结剂喷射工艺等。总体而言，未来高流动性铝合金粉末将在增材制造中有重要用途。 高流动性铝合金粉（来源：有研增材） 2. 高导电率纯铜粉末 相对于铜合金，纯Cu的优势是其导电和导热性，但由于纯Cu对常规1064nm波长激光吸收率较低，不易实现致密，因此其打印一直是一个难题。目前解决方法一是利用短波长激光，如TRUMPF的515nm绿色激光设备，另一个是提高激光器功率，但无论是哪种类型的设备和工艺，想要获得高致密度或者说高导电导热纯铜制件都需要原料粉末保持高纯净度，同时还具有更易实现致密化的粉末特性，如粒径分布合理、流动性好、松装密度高等特点。对于纯铜粉末制备而言，保持材料高纯度同时具备高球形度是追求目标。有研增材团队2021年针对纯Cu粉末制备开展了攻关工作，解决了纯Cu粉末高纯度与球形度的兼顾问题，推出了适用于选区激光熔化的高导电率纯Cu粉，粉末松装密度高于4.8g/cm³，流动性在15s/50g以内，制件导电率高于95%IACS。相关产品已在散热、导电件打印中取得重要应用。纯铜或高铜含量铜合金不易实现高球形度粉末制备，有研增材相关技术将在此类材料制备中体现优势。 3. AlCu系高强耐热铝合金粉末 高强铝合金是目前增材制造铝合金材料的迫切需求。随着增材制造转向实际产品，AlSi系合金性能已不能满足要求，但由于传统高强度铝合金牌号不完全适用于激光成型，由此才有了增材制造高强铝合金的成分设计与改进问题。目前增材制造高强铝已有几类改进成分，如空客专利产品Scalmalloy，澳大利亚莫纳什大学的AlMnScZr，美国HRL的7A77.60L等，但相对于广泛的铝合金产品需求来讲，现有增材制造高强铝材料仍显单一。在传统工业制造中，铝合金是应用最广的有色金属材料，各类不同强度、刚度、硬度、耐热、耐腐蚀性能的铝合金牌号众多。未来，增材制造铝合金材料也将依据综合性能要求形成不同体系，而不仅限于强度一个维度。有研增材团队在高强铝方面持续关注高强、耐热、耐腐蚀材料开发，2021年与集团内部单位有色金属材料制备加工国家重点实验室合作开发了适用于增材制造的AlCu系高强耐热铝合金产品，200℃条件下抗拉强度大于400MPa，有望成为增材制造高强铝合金中一类重要新产品。有研集团有色金属材料制备加工国家重点实验室是国内铝合金材料的重点研究单位，在有色金属结构材料强韧化理论，航空航天飞行器制造用高强高韧铝合金，汽车轻量化制造用新型铝合金材料开发方面具有雄厚实力。增材制造高强铝材料相关研究（来源：相关文献） 4. 适用于模具行业的高强高导铜合金粉末 在模具行业，铜合金也是一类广泛应用的材料。当前模具钢材料的随形水路打印已经取得广泛应用，未来更高导热属性的铜合金随形水路模具同样具备应用潜力。SLM Solutions公司于2019年推出适用于模具制造的CuNi2SiCr产品，该材料是一种可热处理的硬化合金，具备高强度以及导热导电性能的平衡组合，同时合金中包括镍和硅，具有很高的耐腐蚀和耐磨性。CuNi2SiCr本身不是一个新成分，该材料对应美标C18000合金。有研增材团队在2020年开展了CuNi2SiCr产品的开发工作，对于粉体特性和热处理工艺对该材料强度、硬度、热导率的影响规律做了细致研究，形成了该材料的制备工艺标准、打印参数包和热处理工艺制度。值得一提的是，相比于其他材料，成分和热处理工艺对打印性能产生的影响属铜合金波动最大。有研集团在上世纪90年代初就对CuNiSiCr系合金开展了研究开发工作，对此类材料的成分设计与应用有深入研究。有研增材以此为基础对CuNi2SiCr产品做了成分改进并开发了相应热处理制度才将屈服强度稳定在550Mpa以上同时保持相应硬度和热导率指标以满足模具制造要求。 END 目前金属增材制造材料正处于更新迭代之中，未来将会有更广泛的新材料乃至增材制造专用材料投入使用。在推进材料更新换代的过程中，材料研究与粉体制备技术缺一不可，尤其是材料研究在增材制造产品开发中所起的作用愈发明显，这一点国外厂家优势明显。近年来，国产材料厂家已经注意到这一转变并开展了相关工作，相信在国产厂家不断发展以及行业内单位共同合作的趋势下，未来国产材料能够在高性能增材制造材料领域实现反超并建立领先地位。 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QQ群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.增材制造用钛合金的种类、应用、粉末制备技术，及市场用量情况 2.增材制造用铜及铜合金材料发展现状概述 3.国产「高流动性」3D打印铝合金粉末获批量应用 4.盘点：2021年值得关注的3D打印新材料及成型工艺突破

据《Wohlers Report 2021》报告，2020年3D打印服务市场规模约为74.54亿美元，比2019年的68.23亿美元增长了9.2%，该细分市场在2019年增长20.3%，2018年增长35.0%，同时，这一数值相当于整个市场规模的58.4%。这意味着，3D打印服务已经成为行业发展的重要推动力量。2021年，国内3D打印服务市场进一步增长，以SLM技术为代表的齿科3D打印机被以百余台的级别批量交付，以SLA为代表的3D打印服务行业更是革新了行业规则。批量化3D打印，正在成为一种趋势。 数字化口腔作为3D打印技术最成熟的细分市场应用之一，在不知不觉中走入我们的日常生活。鉴于每位患者的差异特性，齿科医疗的个性化定制需求与3D打印的技术特点完美匹配。当前，齿科行业已从对3D打印应用的摸索，逐步进入到了快速规模化的阶段。本期，3D打印技术参考以齿科3D打印为例，介绍在批量化制造的前提下，自动化的管理软件所能起到的效用。 数字化口腔——3D打印技术最成熟的细分市场应用 3D打印在齿科行业最为常见的应用包括牙模、正畸、金属牙冠牙桥、金属支架、手术导板等。从早期的DLP技术通过价廉物美的特点敲开齿科市场的大门，到如今简单易用的椅旁方案被牙医、正畸医生和口腔外科医生广泛接受，3D打印正在帮助齿科行业完成从数字化生产到智能化生产的转变，并深入渗透到种植牙、隐形正畸、手术导板等多个应用场景。 无论是采用光敏树脂固化还是金属粉末熔融，都需要针对模型进行数据准备，包括文件导入和修复、模型识别和摆放、面向生产的模型优化、支撑排版、切片等步骤。 专利研发多层冠桥排版自动算法 © Oqton Oqton MOS系统是一款人工智能的云端生产管理系统，不仅从计算机辅助制造（CAM）工艺自动化层面，更协助制造企业从精益柔性生产管理维度释放生产力。 因此，以3D打印为例，Oqton MOS不仅提供单版次的自动化数据准备/数据预处理（CAM），从产程计划上更提过多版次的产线全自动排版。 24小时无休——正畸牙模产线全自动排版 3D打印是隐形正畸牙套（矫治器）目前的最佳生产工艺，更是口腔数字化向传统制造进行深度渗透的必然结果。然而单病例多牙套、多生产工序、和合规要求产程可追溯，都给制造企业带来巨大的挑战，其中3D打印牙模更是产程节拍的关键一环。 24小时 产线排版功能 上线，全程无需人工干预 © Oqton 全自动产线排版只实现一个功能：对数字化病例管理的牙模进行24小时、无间断（面片修复检查、底部切平、模型镂空、腔体加强筋设计、外形补偿缩放、系统打标）超高密度排版。 Oqton MOS利用云原生的计算特性，快速完成大生产三维数据的分析编程运算，解放数字生产力；同时云端访问优势使得“中心数据设计+分布式生产+即日交付”的新制造模型跨越成本门槛，成为可能。 在帮助齿科客户的数据处理工程师们以更简便的操作，得到更容易去除的支撑设计、更精确避开颌面的摆放方向后，经过与Oqton多位排名前列的隐形正畸品牌挚友超过2000版次的试量产测试后，「Oqton智能牙模产线连续排版功能」正式上线。 Oqton产线排版功能自动化简单易懂，24小时自动多版次排版，不仅效率高，Oqton MOS 单版排版的排版质量、自动化要求同样严格。 单版自动排版——更高版面利用率、更小废品率 不仅全面支持树脂、金属、多激光金属、SLS、MJF等多种3D打印工艺自动排版，Oqton MOS针对不同的大生产使用场景，Oqton MOS 为细分领域的生产场景提供专家级别的制造工艺包，力争帮助制造企业使用品牌设备和专业工艺的同时，更提升生产计划效率。 • 树脂牙模排版 正畸牙模排版可谓没什么技术难度，但其数十倍的三维模型个数，仍给数字工程团队带来巨大的工作量。300mm*445mm, 版面利用率60.1% © Oqton Oqton MOS不单单在排版密度上达到超高版面利用率，每个牙模都受到了人工智能的“照顾”：牙模根据刮刀方向进行了摆放角度优化，力争保住最优形变伸缩补偿。同时，排队排版的时候，零件需要沿着刮刀方向放置，以在非整幅面打印中，尽可能减少刮刀移动距离，减少生产中不必要的耗时。 •树脂导板自动排版 作为椅旁数字化口腔的重要应用，树脂导板的数据预处理模块重点设计在其排版的远程性、即时查看、及连接物联网设备。 自动排版预处理，立即发送3D打印机开始打印 © Oqton •金属冠桥、支架自动排版 Oqton MOS的金属桥冠自动排版久经考验，以超高的版面利用率、高达99.9%自动化（支撑打标排版切片）获得全球义齿厂和技工所的喜爱。 独立研发、独此一家的多层冠桥排版，更是为众多小型打印设备的产能拓展打开了新思路。 在支架打印工艺日趋完善的发展下，Oqton MOS的自动化2D、2.5D嵌套排版，为逐渐摆脱笨重“加强筋”设计的金属支架生产成本降低提供了强有力的保障。 100mm*100mm 版面利用率68.2% © Oqton 140mm*140mm 版面利用率37% © Oqton 生产管理系统——更聪明智能地进行生产计划与管理 除了排版上的超高利用率与自动化，Oqton MOS 在订单管理、生产计划上提供了更加强有力的支持，例如拼单、插单等多种生产实际情境，Oqton MOS也能轻易解决。 Oqton MOS 默认单个订单优先排版，即同一个订单，会优先在同一版面进行运算；如果排不下，则立刻新建在临近下一个版面，方便针对同个订单进行快速生产与交付，同时又达到打印效率上的最优化。 Oqton MOS 保障生产动作信息追溯闭环© Oqton 当然，相应的生产报告、生产零件标识图、NFC二维码等功能均已集成进了Oqton MOS系统，即能帮助制造企业自动化、又智能化管理生产计划与操作。 关于 Oqton…