近日，福特宣布与惠普合作，将废弃的3D打印粉末和零部件转变为注塑成型的汽车零部件，从而形成生产的闭合回路，这种方式为行业首创。对于这两家公司而言，可持续性是发展的重点。通过此次合作，双方开发出了这种看似不太可能但却环保的解决方案。该方案生产出来的注塑零部件不仅可满足福特及其客户对耐用性的要求和质量标准，而且更加环保。 （图片来源：福特） 回收材料将被用来制造注塑燃油管管夹，且该管夹被首次安装在福特Super Duty F-250卡车上。与传统管夹相比，该管夹具有更好的耐化学和耐潮湿性能，且重量减轻7%、成本降低10%。此外，福特还发现，当今车辆上另有10个燃油管管夹可以使用这种回收材料，因此未来也将采用这种材料。 福特公司可持续发展技术研究员Debbie Mielewski表示：“福特公司对于寻找能够利用可持续材料的新方法充满激情，因为这不仅可以减少浪费，还可以引领循环经济的发展。许多公司都能够很好地利用3D打印技术。但福特公司与惠普此次推出的新方法首次实现了废弃粉末的高价值应用，将原本可能会废弃的粉末转变为有用的、耐用的汽车零部件。” 惠普3D打印机旨在提高效率，其系统和结构可最大程度地减少产生的多余材料并可重复使用添加的大部分材料。福特公司高级制造中心（Advanced Manufacturing Center）使用的正是惠普3D打印技术，而惠普与福特的合作研究小组研发的新解决方案可实现零浪费。 惠普首席可持续发展和社会影响官Ellen Jackowski表示：“通过3D技术可使生产过程更具可持续性，但惠普希望做的更多，一直努力推动行业寻找可减少、重复利用和回收粉末及零部件的新方法。我们与福特的合作进一步扩展了3D打印技术的环境效益，表明我们可以与不同行业合作，更好地利用废旧制造材料，从而实现新的循环经济。” 福特正在开发新的应用，并利用多种不同的工艺和材料进行3D打印，包括丝材、粉末和光聚合树脂等。该公司已经将3D打印用于各种小批量的商用车零部件以及流水线工人使用的固定装置中，从而节省时间并提高质量。 福特的目标是使车辆使用100％的可持续性材料。Mielewski表示：“实现福特的可持续性发展目标并解决广泛问题的关键是与其他公司合作，仅凭自己是做不到的。通过与惠普合作，我们对浪费问题更加明确，并解决了技术难题，从而在一年内找到了解决方案。” 还有三家公司同样也助力福特和惠普事项项目成功。着眼于下一代口腔护理的SmileDirectClub公司拥有首个用于矫正牙齿的医疗技术平台，在美国拥有最大的惠普3D打印系统设施——60多台惠普3D打印机每天可生产40000多个对准器，该公司负责为福特收集回收废弃的3D打印机零部件；惠普的长期回收合作伙伴、树脂生产商Lavergne，会将模具和来自福特惠普3D打印机的废粉转化为适合注塑成型的高质量再生塑料颗粒；从事设计和生产装配的ARaymond公司，也是福特供应商。该公司最后会将塑料颗粒成型为燃油管管夹。延伸阅读：采用3D打印和机加工回收废料生产优质金属粉末 不仅高分子粉末存在废料，金属3D打印产生的废料、废品可能会更多，这对于本来就非常昂贵的金属粉末来说，造成的浪费确实非常严重。当前，早有企业着眼于将金属3D打印过程中已经循环多次使用的旧粉、废件，甚至机加工的铣削、磨削废料拿来重新加工，进而生产优质粉末，其目的就是实现循环经济，降低企业的生产成本。 促进增材制造向循环经济发展这项技术目前被美国6K以及MolyWorks公司大力倡导。据6K CEO介绍，气雾化法至少有50％的成本来自粉末的产量损失，而采用该公司的微波等离子体工艺的制粉效率则高达90-95％。该工艺能够非常精确地控制金属熔化成液滴的环境条件，通过调整时间、温度和流量大小，可以产生大量近乎完美的球形金属颗粒。采用机加工废料为原料，6K已经生产除了的高级In718镍基高温合金粉末以及钨、钼、17-4PH不锈钢、IN625、TC4等粉末产品。除此之外，6K公司还在开发3D打印用非共晶合金粉末，如高熵合金、特种铝合金等。 凭借该技术，6K成为世界首个可以利用可持续资源，生产增材制造粉末的公司。其目标是100％的利用进入供应链的所有材料，为增材制造用户提供一种新的项目成本管理和供应链控制方式，并同时朝着实现增材制造循环经济的方向发展。 6k微波等离子体工艺已生产的粉末 2020年，美国航空航天增材制造企业Relativity Space宣布与6K建立战略合作，共同开发经济、可持续的材料用于火箭3D打印。该合作将建立闭环供应链，届时，Relativity生产过程中产生的废料将通过6K转化为优质粉末，并重新部署到Relativity工厂。两家公司还将共同开发用于火箭制造和太空应用的新材料。 MolyWorks的技术思路也是将金属打印的废料转化为优质粉末，同时该公司提出了“Mobile Foundry”的业务发展模式（也可称为移动方舱），即在金属废料的产生地现场消化并转化为优质粉末。该提案获得了美国小企业创新研究计划(SBIR)以及美国陆军的支持。移动方舱被运送到战场，现场将弹壳、损毁的发动机缸体、装甲甚至午餐盒等废料转化为优质粉末。同时，该公司还将钛合金锻造废料转化来的粉末3D打印成了空军起落架的非结构件。 MolyWorks移动式方舱在战场现场将废料转为优质粉末并再打印为需要的零件 一般而言，与开采和加工新矿石相比，回收金属往往具有更高的能源使用效率，但是回收给定材料的收益可能会有所不同。MolyWorks最为关注钛合金，其使用量占全球增材制造市场的30％左右，并且也是回收利用率最高的材料之一。钛合金在使用过程中具有抗腐蚀和防锈的功能，这意味着它在回收时会更纯净。钛合金在回收冶炼过程中需要高真空的熔融气氛以防止污染，约90％的钛废料可以回收利用，而其他金属（如钢和铝）的回收利用率基本接近60％。 END 材料的成熟度和扩展方向一直以来是3D打印发展的最大问题。近两年的材料发展超越了之前的5-10年，这得益于与传统制造业对比，3D打印无需开模、可以进行个性化定制，甚至不需要过多的后期机加工等繁杂的步骤。与此相对的材料价格也在不断下降。在产业不断发展的同时，更多的问题得以暴露，同时也产生了更多降低成本、发展循环经济的方式。 无论是惠普和福特，还是6K和MolyWorks，他们的发展模式都为创造更好的3D打印体验提出了新的方向，产业涉及的范围也被拓展的更宽更深。 注：本文惠普和福特的合作内容来源于盖世汽车社区，已获授权。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新型材料助力3D打印行业的循环经济之路 2.中国航发：金属粉末循环使用导致的成分及打印件性能变化 3.增材制造关键词：绿色、柔性、高产、数字化 4.破除忧虑——采用金属回收废料制造的3D打印粉末能否符合规格

“足帮帮”是一款基于三维视觉技术打造的3D脚型扫描仪，能快速完成高精度足部模型重建的程序。“足帮帮”力图通过技术和市场应用的融合合作，打通足部三维数据的高效采集及数据应用链条，助力医疗健康产业的方案升级。 01先临三维“足帮帮”3D脚型扫描仪 先临三维“足帮帮”3D脚型扫描仪能采用结构光三维扫描技术，快速获取完整的足部三维数据，并输出高精度的3D模型，还能融合3D检测、结合AR体验以及大数据等技术，是一项可靠的数字化手段，在医疗康复领域中有广阔的应用前景。 02“足帮帮”的核心优势 特点及优势扫描速度快 3秒快速扫描，减少人体活动对测量精度的影响。 数据精度高 人体足部的测量精度达±0.5mm。 操作简单 设备集成度高，可一键扫描。 高兼容性 可无线连接Pad、手机、电视等多种显示终端。 安全光源 使用非接触式蓝光扫描，扫描过程对人体无害。 03“足帮帮”的医疗应用场景 “足帮帮”能够高效获取足部3D数据，包括尺寸、足弓，足跟形状，以及足底受力区域的相关信息，还能集成足部康复云平台—扫描—设计—打印—线上跟踪等模块。 在医疗场景中，可实现患者3D数据的建档，科学矫治方案的指定，并进行治疗前后的数据对比。 同时帮助医疗机构建立如糖尿病足、内外翻足等专项数据库，配合行业科研和医疗方案升级。 “足帮帮”的具体应用 “足帮帮”在儿童足部健康监测中可发挥重要作用。儿童的成长发育过程快速，在这个过程中，经常会出现鞋子不合脚的情形，对于孩子的足部发育造成不良影响，长期鞋子偏大容易造成儿童走路拖拉，前脚掌不离地等不良习惯，鞋子偏小则会造成高弓足、指甲受伤、拇趾外翻、影响血液循环等。“足帮帮”可以通过足部扫描帮助家长及时发现儿童足部健康问题并及早干预。 关注足部健康 随着大众健康消费需求的爆发，人们对于足部的健康不断关注，“足帮帮”实现了从数据获取以及应用的完整闭环中扮演着至关重要的角色。先临三维一直致力于高精度3D数字化技术的普及化应用，推广“足帮帮”，是先临三维推进高精度3D数字化技术普及的一项重要实践，深化了3D数字化技术在医疗健康领域的应用。先临三维也将持续努力，以高精度3D数字化技术为更多行业赋能，以科技的力量助力创造更健康的品质生活！ 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新品揭幕|FreeScan UE激光手持三维扫描仪 让高精度检测更轻便 2.先临三维重磅推出高精度光固化3D打印机，助力原型设计和柔性生产 3.先临三维发布自有品牌高端三维设计软件——SHINING3D Design 4.与航空航天用户绑定，3D打印服务商获发展契机

金属3D打印技术包含多种不同的工艺，如粉末床熔融、定向能量沉积、冷喷涂等等，各种工艺已经证明适用于不同的制造领域。从个性化到小批量，再到超过10万件的大批量制造，3D打印正在创造一个个奇迹。然而各种工艺都有其技术限制，无论受制于材料、尺寸还是成本，各项工艺无法通用。 为推动金属增材制造多材料和多工艺融合发展，来自八个欧洲国家的21个工业和研究合作伙伴正在共同推进一项名为MULTI-FUN项目。该项目为期三年，由欧盟Horizon 2020创新计划资助，树立有两个重要的战略目标：第一个是通过使用新型活性材料，提高金属3D打印零件的性能；第二个是通过创新和经济高效的新3D打印技术，实现大尺寸、多材料、复杂结构协同制造。 21家参与者 这项工作的核心是完成与多功能、多材料3D打印相关的四项科技目标。其重点在于推动整个行业的发展，并不针对任何一种特定的3D打印技术。期间，一些合作伙伴将致力于PBF粉末床熔融技术，而一些可能聚焦于WAAM电弧增材制造，同时还会有机构着重开发新材料，特别是多材料3D打印。 MULTI-FUN项目计划将不同3D打印工艺进行组合，如通过将定向能量沉积（DED）和金属喷涂技术相结合来最大程度发挥作用，新一代一站式增材制造设备将使用两种甚至多种不同材料，在具体零件制造过程中将有选择的加入“活性”材料。 基于此，纳米技术有望被采纳，并有可能实现以下新材料和新型功能性零件的制造： 1.集成具有最高导热系数的散热材料（基于纳米技术，达到最先进水平的50%），从而使局部传热率提高100%。 2.高度集成的设计，例如在复杂形状金属结构中嵌入绝缘导线。 3.在金属零件中增加传感和数据传输功能，用于结构状态和健康监测。 在零件打印过程中直接嵌入功能器件 该项目设置有四个目标 第一个目标是开发五种专门用于增材制造的新材料，其中三种将使用纳米技术。这些材料将具有显著的热、电和耐磨性能，利用纳米技术一次优化两个材料参数，可使产品效率、质量和可靠性提高至少40％，从而能够制造出新的多功能产品。 第二个目标是开发一套包含软硬件的新系统，集成多种增材制造技术，能够使用不同工艺来打印五种新材料。最终，合作伙伴希望能获得至少十种材料组合，这些组合可采用不同的3D打印工艺进行协同制造。 七个具体的应用案例，分别是致动器壳体、大型隔板、透明A柱、仪表板、铝铸件模具、碳纤维零件模具、汽车测试零件 第三个目标是通过新设备打印七个展示零件并对其进行评估。这些零件涉及结构零件、模具和测试设备，并覆盖汽车、航空、航天和制造业四个市场。 第四个目标是对材料、硬件、工艺策略以及零件设计和制造的所有环节进行评估，以更好地利用原材料和资源，减少对环境的影响，并将成本降低35％。 该项目将形成四项关键成果 该项目的实施必将更加充分发挥增材制造技术的潜力，综合运用多种工艺也将突破单一技术的制造极限。在项目实施和落地过程中，将形成四项关键成果： 1. 先进的金属材料：先进的结构金属和相应的活性材料解决方案，可实现创新的多功能新产品。 2. 新型增材制造设备：用于多种材料加工和原位合金化的硬件和软件，用于并行运行的几种增材制造技术的刀具路径规划和过程控制。 3. 多材料设计知识：通过集成、多材料设计，提高零件性能和模具冷却效率。 4. 标准化知识：增强对增材制造技术的深入理解，并有助于制定标准并支持监管机构接受多材料增材制造。 在MULTI-FUN项目中，比较知名的参与者包括德国弗劳恩霍夫协会结构耐久性和系统可靠性研究所、德国航空航天中心、欧洲焊接联合会(EWF)以及一些中小型企业，可谓是要将最前沿的生产技术直接运用到生产一线。 作为3D打印高级材料研究的参与者，MULTI-FUN项目将为欧洲中小型企业带来新机遇和新业务，整个价值链中的企业既是技术的提供者也是最终用户，不仅可以建立和执行针对增材制造的培训、接触最前沿的3D打印技术，还能对整个开发过程中涉及到的产品享有定价权。项目将推动中小企业通过技术和质量上的领导力获得更多发展机会，从而使其能够在增材制造材料、设备、质量等方面处于领先地位，以增强欧洲制造的竞争力。 欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功 2.GE增材 : 金属3D打印的广泛工业化需须受益于人工智能 3.增材制造的工业化与金属数字工厂

采用3D打印制造卫星部件所带来的好处是显而易见的，其不仅仅在于提供了复杂制造的可能性，还提高了制造进度、降低了成本并提高了卫星性能。而如果增材制造企业能够绑定卫星制造商，则无疑获得了重要的发展契机。专注于钛合金3D打印的Zenith Tecnica公司便紧紧把握住了机会，通过与知名卫星制造商Maxar Technologies合作，大力发了其航空航天增材制造业务。截止目前，双方合作已有五年之久，3D打印了260个钛合金零件用于卫星制造。 Maxar制造的全电动EUTELSAT 7C 卫星于 2019 年发射，使用近1000个增材制造组件 2016 年，Zenith获得了生产无人太空飞行部件的资格，其在定义和验证生产过程方面发挥关键作用。同年，Zenith与Maxar展开合作，并在两年后将第一颗含有钛合金3D打印零件的卫星被送入轨道。 Zenith的客户可以针对特定卫星特征和有效载荷优化零件结构和热特性。3D打印实现了以前传统制造方法无法实现的设计，这种优化的结果减少了零件质量以及数量，并提高了在轨寿命。据报道，自从通过Zenith采用3D打印生产航天器部件以来，Maxar受益颇多，包括提高了生产灵活性、降低了制造成本并提高了卫星性能。 Zenith Tecnica 3D 打印的卫星组件 该公司的钛合金使用 GE Additive Arcam EBM设备打印，然后对零件进行热处理，并对关键的装配特征进行加工。之后，需要对零件进行3D 扫描检查，以确保所有零件都符合规格。Maxar增材制造技术经理则表示，Zenith的团队是Maxar团队的延伸，前者总是加倍努力确保交付的零件质量达到高标准。到目前为止，两家公司在合作期间共同发射了五颗带有260个3D打印钛合金零件的航天器，这两家公司还有另外270个3D 打印部件要安装在其他八颗卫星上。 Zenith Tecnica3D 打印的卫星组件 3D 打印已经越来越多地用于生产优化的卫星组件，例如射频电路、波导信号互连和陶瓷天线等。对于3D打印服务商或者研究机构，绑定航空航天客户将是其获得发展的重要途径，尤其是在当前民用市场远远不足以支撑发展的情况下。铂力特，不就是深度绑定了航空航天和军工客户吗？ 但同时，3D打印服务商或研究机构需要具有好的设计和质量保证能力，航空航天用户也愿意一起探索这些新技术和新应用。不过，我们所提到的服务商并非一定是如铂力特这样的行业龙头，研究机构也并非一定是国内顶尖实验室。国内很多航空航天客户和研究机构也在寻找更合适的合作伙伴来满足自身需求，有实力的团队所需要的恰恰是这样一个机会。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.年消耗5.4吨钛合金，成功用于陆、海、空、太空的金属3D打印解决方案 2.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 3.新一代载人飞船实验船，实现60余件金属3D打印产品在轨应用 4.可替代Ti6Al4V | 航空航天结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料

拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

3D打印技术的主要价值之一在于能够生产传统工艺几乎无法制造的特殊设计，而实现创新且复杂的3D设计，几乎所有的公司都很难做到，这不仅需要想象力，还需要软件工具来实现；材料，是影响3D打印应用的关键，它直接决定了终端用户能否使用，即便当前3D打印材料种类繁多，却依然难以通过很多领域的使用要求；速度，则是影响应用成本的关键，3D打印速度的突破将使其应用范围变得更加宽广。然而，很少有公司能够同时贯通材料、设计和速度，而走通了这条路，至少可以打开一个应用领域，例如Carbon公司。 功能强大，性能导向的晶格设计软件 Carbon不仅仅是一家3D打印设备制造商，还是一家材料商和软件公司，它在3D打印运动鞋制造市场中占有举足轻重的地位。其推出的高性能材料和设计工具不仅成就了Adidas的新型产品，更几乎“灭掉”了其他3D打印工艺在该领域的光彩，至少到目前为止，采用其他工艺的其他运动品牌已经许久未推出3D打印新品。 晶格，几乎是区分一款运动鞋是否采用了3D打印工艺的标志性特征，这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，可以达到结构的强度、韧性、耐久性、静力学和动力学性能的完美平衡。 Design Engine是Carbon推出的用来生产优化产品的设计软件，尤其专注于晶格结构的生成。传统设计工具在进行增材设计时难以完全兼容，尤其是对于以晶格为代表的复杂结构。Carbon公司指出，Design Engine是为简化晶格结构设计而生，基于云端的强大计算能力可以在几分钟内生成高级共形晶格，减少了对单机运算力的需求。 高度约10cm的零件生成晶格结构仅需117s 作为在晶格结构应用方面的领导者，Carbon注重晶格结构的性能特点。Design Engine支持用户在尝试不同设计时准确预测机械性能，从而帮助用户调整设计并缩短开发时间。同时，软件采用交互式界面，可同时制作五种不同的结构设计。即便对于最具挑战的外表设计，该软件也可以提供共形晶格结构设计，并减少生成设计后繁琐的修改步骤。值得注意的是，Carbon对于晶格结构性能的准确预测是基于本公司的材料。 在产品开发方面，Carbon已使用该软件成功设计了新冠肺炎检测取样拭子、高端自行车坐垫以及冰球运动行业从未有过的Super-Tacks X头盔。今年3月，Carbon宣布其所有会员用户均可以使用Design Engine软件。5月，Adidas推出最新款基于Carbon 3D打印技术的4DFWD运动鞋，并广泛使用了Design Engine软件进行鞋底晶格结构设计，新的点阵中底包含多达五百万种晶格结构，经过特殊编码，可以在垂直撞击时向前压缩，这种功能的实现均是通过晶格结构设计实现。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 前所未有，先进的3D打印可编程树脂 在很多情况下，由材料商或设备商推出的3D打印材料即便声称达到了多高的性能，但有时候却是只能感动自己。汽车领域的用户多次反馈当前的3D打印材料无法满足他们的性能要求，尤其是缺口冲击强度，PA、PP都无法满足。实际上每一种3D打印材料在其性能范围内只适合去承担其“力所能及”的应用，一味苛求它达到传统材料的性能在目前可能仍不可行。但，这反映了应用端对材料的迫切需求。无论材料商还是设备商，把握住这个需求，至少是掌握了打开市场的钥匙。 高性能树脂材料的开发便是Carbon成功的另一个关键，尤其是与粉末床熔融技术相比，Clip技术可以生产完全致密的零件。Carbon推出了多款高性能树脂，这些材料必须满足特定行业的性能标准和质量要求才能获得使用。 在汽车领域，福特、兰博基尼、自动驾驶技术公司Aptiv以及知名汽车紧固件制造和销售公司Araymond，均采用使用Carbon EPX 82材料批量生产汽车部件。EPX 82是一种高强度工程材料，其热变形温度为115°C，具有良好的冲击强度，非常适合要求强度、韧性和热循环耐久性均衡的应用，如连接器、支架和汽车和工业部门的外壳部件等。其机械性能可与玻璃微珠填充的热塑性塑料（如20％GF-PBT，15％GF-尼龙）相媲美，并符合USCAR-2流体兼容性标准。 兰博基尼SIÁNFKP 37通风口、APTIV拖挂式连接器盖、福特野马GT 500 EPB支架及兰博基尼SUV Urus油箱盖 在消费品领域，最为知名的应用便是Adidas采用Carbon的3D打印工艺、高性能树脂以及设计软件来大批量制造运动鞋中底。EPU 41是Carbon为Adidas Futurecraft 4D中底开发额革命性的弹性材料，双方密切合作，对150多种不同的材料配方进行了迭代，以实现所需的机械性能。用于最终生产的树脂材料特别适合生产弹性体晶格几何形状，在安全性和舒适性方面超越传统泡沫。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 在牙科和医疗领域，Carbon有专门用来生产牙模、间接粘合托盘、牙周夹板及导板的不同种类的医用树脂，并连续于2019和2020年在Dental Labs客户满意度调查方面排名排名第一。在其他领域，Carbon的Cyanate Ester 221材料被用来生产NASA自由飞行器冷气推进系统的四个高性能离合器零件，精密冷却系统制造公司Ebullient也采用该材料3D打印芯片冷却模块。这款材料材料性能与玻璃填充的尼龙相当，高热变形温度为230℃，并且具有非常高的刚性，非常适合制造需要长期热稳定性的组件。 3D打印的芯片冷却模块 从这些不同领域的应用可以发现规律，Carbon开发的树脂材料面向了客户需求，甚至与客户一同开发材料。与应用端结合，解决客户的需求，是其致胜的关键因素之一。相比之下， PA、PEEK、PP及其复合材料，是目前较为流行的3D打印高性能材料，而材料开发商在多大程度上是因为材料已经流行了而去重复生产和开发，有多少是考虑了终端用户的真正需求呢？来自汽车制造商的数据显示，目前主流的3D打印材料多无法通过实验室测试，尤其是冲击强度。 提升百倍，革命性的3D打印速度 Carbon最引人瞩目的成就便是对3D打印速度的突破，这是其成功的最重要因素。该公司的研究人员于2015年在Science上发表论文首次展示了这种称之为连续液面生成（CLIP）的技术，凭借一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。而因为区别于其他DLP工艺的抬起和下降步骤，它比传统3D打印技术快了100倍。   Clip技术原理 Adidas 3D打印运动鞋底的成型过程 在速度方面的突破，证实了3D打印可以被用于制造业，因此也吸引了各方的持续关注和多轮融资。自此，Carbon与福特汽车、阿迪达斯和里德尔体育公司达成协议，分别为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头盔。这同时成为Carbon取得3D打印批量制造和商业成功的关键。 Carbon为里德尔开发的3D打印橄榄球头盔 基于Clip工艺，Carbon推出了多种类型的3D打印机。Carbon M系列是功能原型的理想选择，在零件质量、准确性和一致性方面深得客户满意；Carbon L1打印机作为成熟装备，服务于需求量产的产品设计师、工程师和制造商，其成型尺寸为400 x 250 x 460mm，阿迪达斯Futurecraft 4D鞋中底和Riddell Diamond橄榄球头盔便是采用该机型打印，它提供了稳定的质量和可靠性，并能够按需生产。 Carbon-Adidas 3D打印生产车间 在商业模式方面，Carbon采取只租不卖的模式，按年收取费用。这一方面降低了终端用户尝试Carbon技术的初期投资压力，另一方面也使得终端用户在面临Carbon后期设备技术更新的时候，能更轻松的切换到更新版本的设备。 END 从Carbon的发展历程来看，其首先突破了3D打印技术的速度限制，其次开发出了多款高性能3D打印树脂，为其产品的工业应用打开了通道。设计软件的开发，则是基于3D打印工艺在复杂结构制造方面的优势，尤其立足于使用其公司的树脂材料在晶格点阵结构方面的优异性能，开发出了只有该公司产品才能实现的、可接受的成本先进应用。 而从业内众多成功案例以及增材制造发展的趋势可以看出，速度和材料成为了一家公司致胜的关键，没有哪家公司不是在基于更快打印速度的基础上同时推出先进材料，惠普、华曙概莫能外。而尚没有哪家公司可以像Carbon那样，只有利用它们的打印技术、材料才能实现创新设计的高性能和相对低成本应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展 2.Carbon首秀TCT Asia并官宣:3D打印实现量产不再是传说 3.GE公司的新尝试：采用金属3D打印代替铸造，发现成本更加经济 4.预见2021：《2021年中国3D打印材料产业全景图谱》

5月26日，目前亚洲最大的3D打印技术展览会2021 TCT Asia在上海国家会展中心隆重开幕。安世增材以“聚集行业应用，推动产业升级”为主题，携最新技术成果及行业赋能方案重磅亮相，展示了以增材思维为核心的先进设计与智能制造解决方案。2020年中国已连续11年成为全球最大制造业国家，企业加速数字化转型，创造新价值，增材制造技术成为数字化研制和产品再造新的突破口。安世增材作为一家专注研发的创新型驱动企业，长期以来持续关注为各大行业赋能，推动产业升级，为行业提供咨询服务、软件配套、打印服务、生产模块配置全流程DfAM增材制造设计服务。借2021TCT Asia召开契机，安世增材向业内外人士展示自身长期深耕的成果与未来的发展方向。点击下方链接，回看现场精彩直播！ 升级与重塑 五大行业赋能发展 此次盛会，安世增材集中展示了五大行业解决方案：亟待提升产品性能质量和生产效率、完成升级换代的工业行业、客制化需求强烈的医疗、消费品与建筑行业以及教育行业。大工业领域：安世增材融合工业仿真技术经验与增材制造技术优势，构建基于正向设计的数字化研制体系，形成面向不同行业的增材制造DfAM整体解决方案，针对不同的行业、客户、工业品进行原创设计或优化再设计，在企业可接受的成本范围内达到产品性能、质量、生产效率的提升，完成产品的升级换代，辅助中国制造企业选择增材技术作为下一代的制造手段。工作人员认真为观众讲解目前安世增材已经形成了面向汽车、航天、航空等16个行业或工业品的DfAM整体解决方案。在这一次的展会中，安世增材带来了涡喷、5G通讯小基站散热器、金属高通量制备样件等工业样件，让观众在现场感受增材技术在工业制造方面的先进性。观众认真观看展品内容医疗领域：安世增材专注于数字化齿科及骨科康复解决方案的设计与应用，推动国内高性能医疗器械的突破发展，减少复诊流程，缓解医工交互困扰，另一方面能通过提高适配度，大大改善患者的治疗效果。安世增材在本次TCT展会中重点展示的限位套筒以及睿智手术导板，能实现种植牙角度深度的精准完美控制，达到安全、精准有效、经济等目的。工作人员引导观众观看医疗领域展品消费品领域：安世增材客制化制鞋解决方案，通过扫描脚的原型，将数据录入云端，生成完整的鞋数据，定制生产，即可线上销售适合于个人的定制化的鞋子，告别以产定销和批量化生产模式，满足新时代消费人群消费者对个性化、实用、颜值以及科技感的要求。安世增材打印的多款3D打印鞋在这次展会中，安世增材在展位上放置了多双3D打印运动鞋，轻薄的鞋身与炫彩的鞋面吸引了许多观众的眼球。安世增材的3D打印炫彩轻运动鞋颇为吸睛建筑领域：安世增材在建筑结构、建筑组件、建筑内装与景观类建筑打印技术上深入研发，与Luxmea公司开展友好合作，以增材思维驱动建筑数字化制造。在TCT展会现场中，观众可以看到安世增材展示的异形沙发、建筑模板，这些样件款式新颖独特，引得众多观众驻足。观众触摸感受安世增材设计的异形沙发教育领域：国家颁布的产教融合政策开启了定制人才培养时代，增材制造领域人才需求激增。安世增材作为教育部“先进设计与增材制造智慧学习工场”唯一技术支撑单位，与300多家高校合作，共建“安世增材产业学院”，助力合作高校在“人才培养”“科学研究”和“产业服务”三个方面取得更大的成就，为制造业的发展进行赋能。教育展示区域 开放与合作 推进行业整体进步 共促可持续性发展 控制驱动增材创新，开源激发生态繁荣，为实现增材技术推动各行各业的优化升级，安世增材推出自研材料矩阵、成型工艺矩阵、软件系统及APRO设备通用控制平台。更难能可贵的是，安世增材立足于根技术的发展，立志用开源、自主可控模式服务于整个增材行业以期推动行业的整体进步及未来的可持续性发展。在TCT展会上，安世增材设立技术堆栈区域，对在增材制造领域积累的技术及经验以丰满的“货架”的形式进行了分享，吸引了众多同行的目光，现场不少企业针对软件与平台的适配性进行了咨询。技术堆栈区自研材料体系3D打印设备作为增材制造的根本工具，安世增材创新性的推出桌面型、专用型、打样型、生产型四大类增材制造设备。在展会现场，观众可以通过现场播放的视频与手册，了解到公司现有的先进打印设备。观众认真观看硬件设备区 开放与合作 推进行业整体进步 共促可持续性发展 尽管安世增材在设备研发上有非常丰富的沉淀和全工艺链的覆盖，但安世增材并没有带来实体设备展示。这是因为安世增材意识到随着增材制造技术的发展，设备一定会是未来的生产工具，但不是主导行业发展的唯一落脚点，如何推动产业升级，通过技术满足消费者乃至其他供应链生产者的需求才是重中之重。现场除了多样性的解决方案展示，还有多位专家带来精彩的DfAM相关课程报告。通过以下视频，一睹现场专家们风采！关注更多现场报道，或者课程信息，请微信搜索安世亚太公众号，关注账号——点击菜单栏——商城培训——TCT现场报告分享。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2021 TCT 3D打印展精品展品（一） 2.百余增材制造新品发布 – TCT亚洲展首日启幕 3.巴斯夫Forward AM：创新增材制造 4.2021 TCT 3D打印展值得关注的新设备（精选）

5月26日TCT亚洲展现场，先临三维正式发布AccuFab-L4K 高精度光固化3D打印机，该产品是先临三维自主研发的高品质3D打印机，拥有4K高分辨率、192*120*180mm的成型尺寸，具备稳定、准确的打印精度，并支持连续打印，能够实现设计原型的快速迭代以及小批量快速生产，可应用于工业设计、零配件/手办/医疗辅具打印等众多专业领域。AccuFab-L4K 的发布，进一步推进了先临三维“3D扫描-设计-3D打印”系统解决方案的普及化应用。 AccuFab-L4K高精度光固化3D打印机主要优势：• 高精度打印，准确呈现设计原型•4K分辨率，还原细节，实现终端打印•大幅面，快速成型，高效率打印•连续打印，稳定性强，实现小批量快速生产•适配多种工程树脂，满足不同品质要求•软硬件人性化设计，使用高效便捷合作巴斯夫，进一步提升高精度打印品质高质量的3D打印设备+高质量的3D打印材料，可以为应用者提供稳定、高质量的打印服务，得到优质的打印产品。为进一步提升AccuFab-L4K的打印性能，先临三维在进行良好硬件设计的同时，也在材料上投入大量研发精力，部分自主研发的树脂材料，已通过医疗器械认证备案，可应用于医疗专业场景。 同时，先临三维也与巴斯夫3D打印解决方案品牌Forward AM取得合作，将巴斯夫Ultracur3D®光固化树脂纳入AccuFab-L4K打印材料库。 基于巴斯夫在聚氨酯研究和生产方面数十年的经验，Ultracur3D®光固化树脂拥有以下优势： •使3D打印零件具有长期的紫外稳定性•使3D打印零件具有良好的力学性能•打印精度高•表面质量优良•抗变形能力强•环保，对环境影响小 “我们非常荣幸此次和化工巨头巴斯夫进行合作。L4K打印机研发之初，我们便十分注重设备稳定性，作为高稳定性的3D打印机，对于设备的各项性能要求均比较高。巴斯夫的材料种类众多且性能稳定，使用巴斯夫的材料，为我们L4K打印机的性能又增加一项加持。” ——先临三维3D打印研发部经理 庞博 “我们很高兴与先临三维达成此次合作，实现‘AccuFab-L4K 高精度光固化3D打印机+ Ultracur3D®系列光固化树脂’的解决方案，该方案能帮助客户更高效、更稳定的实现高性能功能性原型和小批量零件的制造。” ——巴斯夫3D打印解决方案（Forward AM）亚太区业务及运营总监 陈立博士 在3D打印领域，先临三维拥有多年的行业经验，所研发的打印机在齿科领域已得到良好应用。此次，先临三维发布AccuFab-L4K 高精度光固化3D打印机，是将3D打印技术在工业领域扩展的又一项实践——使用3D打印技术助力工业设计以及小批量柔性生产，推进智能制造的发展。先临三维也将持续努力，不断致力于高精度3D数字化技术的普及化应用。 关于先临三维 先临三维成立于2004年，公司专注高精度3D数字化及3D打印技术十余年，主营3D数字化与3D打印设备及相关智能软件的研发、生产、销售。公司是全球为数不多的拥有自主研发的“从3D数字化到智能设计到3D打印直接制造”的软硬件一体化产品解决方案的科技创新企业，致力于成为具有全球影响力的3D数字技术企业，持续推动高精度3D数字技术的普及化应用。 关于巴斯夫3D打印解决方案有限公司 巴斯夫3D打印解决方案有限公司总部位于德国海德堡，是巴斯夫新业责任有限公司的全资子公司。通过Forward AM品牌，专注于3D打印领域先进材料、系统解决方案、组件和服务的开发和业务拓展。公司凭借灵活、充满初创活力的内部结构，满足多变的3D打印市场中的客户需求。该公司与巴斯夫全球研究平台和应用技术部门紧密合作，以及科研机构、高校、创业公司以及行业合作伙伴开展密切合作。其潜在客户主要是致力于将3D打印用于工业制造的企业，所服务的典型行业包括汽车、航空航天和消费品。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2021 TCT 3D打印展值得关注的新设备（精选） 2.6激光+移动式扫描系统，国产2×2×0.65m金属3D打印机重磅发布 3.新型材料助力3D打印行业的循环经济之路 4.焦点关注：上海复志将推全球第二代桌面金属3D打印解决方案

当前主流SLM设备均采用多激光、多振镜实现更大尺寸打印，但由于单个振镜扫描面积有限，数量的增加并不能完全解决尺寸的限制。2020年，弗劳恩霍夫激光技术研究所推出了基于粉末床的下一代金属3D打印技术新型解决方案，推出了成型尺寸达1×0.8×0.5m的大尺寸金属3D打印机。其技术的核心在于采用可移动式扫描系统，可实现打印尺寸的扩展。而同样基于类似技术，国内苏州西帝摩2×2×0.65m超大型金属3D打印机将于TCT 3D打印展重磅发布！ 6激光+可移动式扫描系统，全球最大SLM金属3D打印机 苏州西帝摩公司于2015年获得外置可移动扫描系统专利，并于2017年推出了基于该技术、成型尺寸达750*750*500mm的XDM750，在航空航天等行业获得应用。面向更大尺寸的制造需要，西帝摩公司根据多激光SLM技术的发展趋势及公司可移动扫描系统的技术储备，于2020年推出新一代超大型金属3D打印机XDM2000。 XDM2000设备仓内 这一超大型3D打印机采用了单列6振镜6工位并行移动扫描方案，将2000×2000mm的加工台面分成大小相等的6×6个区域，单列6个区域分布6套振镜系统，在开始加工时6套振镜同时工作，当前工位扫描完成后移动振镜平台到下一工位，然后6套振镜同步扫描，依次扫描完成6个工位的加工后结束本层扫描，等待铺粉完成后接着进入下一循环，直至整个零件加工结束。这样，6套并行的同步扫描方法即能实现加工的高效性，也大幅减低了成本。同时值得注意的是，可移动扫描系统对打印尺寸的贡献是巨大的，其直接导致了打印幅面的可扩展性，只要有需求，完全可以进一步优化设备设计，这也是弗劳恩霍夫激光技术研究所强调可扩展性的原因。 除此之外，这一超大型3D打印机采用上送粉的供粉方式，铺粉装置包括多个向下延伸呈放射状的粉末流道，各粉末流道底部连接于储粉仓顶部与其内腔贯通，各个粉末流道底部沿储粉仓长度方向等间距排列，储粉仓底部的落粉板通过驱动组件控制开启或关闭落粉槽。对于如此大型的3D打印设备，上送粉的设计将大大节省设备运行所需要的材料成本。 移动式烟尘处理装置，将“大”化小，保证打印过程稳定可靠 西帝摩公司设计了一种可移动式的吹吸烟装置，该装置随着振镜的位置同步移动。吹吸烟装置与激光振镜一样，在移动过程中具有六个工位，因此在成型仓两侧分别设计了6个管道接口，用于各个工位吹吸烟的气体对流，当吹吸烟装置移动至该位置时，管道接口处的电磁铁启动将吹吸烟管道结合，形成循环的气体对流环境，然后激光振镜开始扫描，加工中产生的烟尘便能在这样的气体对流环境下得到有效处理。将2000mm跨距烟尘处理问题转化为350mm跨距。 这种移动式的烟尘处理装置相比传统全跨距吹吸方式更能有效解决因打印幅面过大所导致的烟尘处理难题 从打印过程可以看出，整个打印区域内未显示任何烟尘，6激光系统根据零件切片数据，首先协同打印一个区域，之后振镜组移动至下一区域继续加工，直到整个片层打印完毕；同时可以看出，激光扫描区具有较好的金属光泽，周围未发现飞溅物，打印过程稳定，可见打印工艺较为成熟。 面向航空航天大型结构件增材制造 多激光系统是大尺寸、高效率增材制造的重要解决方案，然而单纯增加激光器数量，打印幅面仍然受制于振镜扫描区域。移动式扫描系统是解决这一问题的关键，以弗劳恩霍夫以及苏州西帝摩为代表的研究组织和企业，推动了该技术的实现和商业化，突破了选择性激光熔融技术对3D打印尺寸的最大限制。 XDM 2000设备打印的Ti6Al4V零件，直径1110mm、高度15mm 如此大型的金属3D打印机无疑将专注于大尺寸零件生产，为航空航天等行业新应用带来更多可能。针对航空航天大型薄壁复杂结构件及大型精密复杂功能件等钛合金零件难加工问题，西帝摩成功研制了适合钛合金零件直接成形的高效、高精度大型选择性激光熔化成形装备，形成了集优化设计、分析与直接制造的成套技术，可实现加工幅面2000mm×2000mm、制件尺寸精度±0.1%以内的零件打印，并在航天薄壁复杂结构件和大型精密复杂功能件等航天产品中进行了验证。 除超大型XDM2000将亮相TCT 3D打印展之外，西帝摩还将在本次展会展示其新一代高效智能XDM 750大型激光选区熔化设备、用于高效高品质零件批量制造的XDM 300以及全流程的质量管理体系等解决方案。 XDM 750 3D打印过程 与上一代2017年发布的750相比，新一代设备采用了全新的除尘系统，使不同激光扫描区域之间流场一致性更好，更避免了上下游扫描烟尘对激光的相互影响。经过升级的软件系统，在人机交互、性能、智能化程度也有明显提升。质量管理体系则涉及数据保护、粉末质量控制、过程监控、成品检验等，是一套全流程可追溯的解决方案。 END 本次TCT 3D打印展将是本行业先进技术争奇斗艳的一场盛宴，多激光、大尺寸选择性激光熔融技术无疑会成为这场盛宴的主角。未来，大尺寸的钛合金风扇叶片、发动机机匣以及火箭发动机燃烧室，这些形状和结构复杂的部件都将可以采用选择性激光熔融技术实现高精度一体化成型。增材制造新的时代，无疑已经到来。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.专题：2021，多激光、超大型金属3D打印的时代已经到来 2.专题：金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 3.华南理工杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展 4.多激光无缝拼接的大尺寸粉末床激光熔化自动化设备是怎么工作的？

由于在电子设备、热管理系统和航空航天工业以及电动汽车等许多应用领域的广泛潜力，高纯铜的3D打印得到了广泛研究。然而这种材料并没有像其他金属那样获得广泛的应用，其原因在于纯铜的3D打印有几个重大的加工挑战需要解决。 由于铜的高导热性，熔体区域散热迅速，局部热梯度大，容易导致分层、卷边和零件失效；而且，铜对氧化具有高敏感性，需要对其3D打印工艺进行特殊处理；此外，纯铜还是一种高反射金属，传统的SLM技术难以对其进行加工。然而，纯铜的3D打印工艺探索并非停滞不前，而是接连取得实质性进展。本期，3D打印技术参考汇总纯铜的3D打印工艺种类。 基于粉末床熔融技术的纯铜3D打印 纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于常规激光器打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器等。因此，基于传统SLM技术的纯铜3D打印发展的始终不尽如人意。 真正的转机是绿激光和蓝激光的发展。纯铜对515nm绿激光的吸收率接近40%，对450nm蓝色激光的吸收率则达到65%，分别相当于常规SLM用红外激光的8倍和13倍。随着对短波长高功率激光器开发的克服，采用SLM技术进行纯铜3D打印开始出现转机。 2017年，Fraunhofer激光技术研究所表示正在探索采用绿激光进行纯铜3D打印；同年，日本岛津推出了100w的高功率蓝光二极管激光模块，并采用它进行了纯铜的3D打印。但对于这两家机构，目前尚未看到有专用的SLM设备推出，Fraunhofer则表示未来将创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器，稳定输出最大功率达400w的515nm波段激光。真正的商业化是在2018年，通快推出了第一款绿激光SLM打印机，该设备配备波长为515nm的TruDisk1020绿光激光器，打印零件铜含量高于 99.9％，实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。该设备将亮相今年上海TCT 3D打印展。 通快采用绿激光3D打印的纯铜器件 除激光粉末床熔融技术外，电子束对纯铜3D打印也具有优势，不过该工艺打印的零件表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈等应用的后处理带来不便。 本部分上传资料：通快、EOS纯铜材料数据表及设备资料。 基于粘结剂喷射技术的纯铜3D打印 理论上，能够用于金属注射成型的材料均可采用粘结剂喷射工艺成型。然而，该技术的代表型企业Exone在很长时间内推出的官方认证材料却只有17-4PH、304L、316L、M2工具钢等等，纯铜也一直未能出现在同技术类型公司的材料清单中。 几种纯铜3D打印工艺特点对比 实际上在采用粘结剂喷射技术成型纯铜之前，已经有学者采用SLS技术对铜和PMMA的粉末混合物进行了研究。PMMA作为中间粘结剂，在激光扫描过程中融化来粘结铜粉形成生坯，之后再进行脱脂烧结处理。这种方式其实与粘结剂喷射技术的过程类似，都是先将铜粉成型出零件的形状，只是方式不同。研究人员发现，这种间接的SLM过程，纯铜的致密度远低于理论密度（约77-78%），孔隙较多，且脱脂过程产生的杂质被留在了材料内部。 无论对于金属注射成型、粘结剂喷射还是激光烧结，合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制对于纯铜的成型来说都是关键因素。相比激光烧结，粘结剂喷射技术更容易控制粘结剂的含量，这避免了前者铜粉一次掺入粘结剂而造成的固定比例问题，在工艺调节和研究过程中更加灵活。 不同3D打印工艺制造纯铜零件的性能（参考） 此前，国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 Digital Metal粘结剂喷射3D打印成型的散热器及扩音器天线 本部分上传资料：纯铜的粘结剂喷射成型研究；Digital Metal粘结剂喷射成型纯铜的性能数据。 基于熔融挤出技术的纯铜3D打印 2020年2月，Markforged宣布推出纯铜3D打印丝材和工艺，并成功应用于散热器和汽车制造领域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系统的纯铜材料及工艺。 Desktop Metal打印的纯铜电机座和螺旋换热器，均具有内部冷却通道 与粘结剂喷射技术一样，基于熔融挤出的金属3D打印都需要脱脂和烧结。Desktop Metal声称，新推出的纯铜材料致密度可以达到98%，能够制造具有复杂几何形状和内部通道的零件，借助其Fabricate软件可自动执行复杂的冶金过程，从而生产出密度和特征精度均与铸造相似的高质量零件。 本部分上传：Markforged、Desktop Metal纯铜材料数据表。 基于数字光处理（DLP）技术的纯铜3D打印 2021年3月，美国Holo公司宣布推出基于DLP技术的纯铜3D打印材料。采用该公司专有的PureForm技术，利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，并结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。 Holo公司的专有浆料材料特性 Holo公司的浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 Holo 3D打印的纯铜零件 基于已经成熟的工艺，Holo着重于散热器件的开发与制造，而不是销售3D打印机。其目前的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件，并希望每年生产数百万个铜散热片零件。 END 在电子元器件飞速发展的今天，热损耗与热安全问题日益凸显，设计紧凑、高效、一体成形的散热器具有重要的应用空间，而这些特征正是3D打印相比传统加工技术最大的优势。 除热管理系统和热交换装置外，纯铜3D打印还可用于射频阴极和感应加热线圈等。对于不复杂的器件，纯铜3D打印可能并没有特别的必要，其发挥作用的空间还是在于产品开发、特殊结构制造等方面。 当前，纯铜3D打印的工艺其实还有其他种类，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有极大的发展空间，这与激光、材料和后处理技术的研究和发展密切相关。 注：本期资料均已上传qq群（共五份）。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：金、银、铜等典型高反射材料的激光增材制造 2.ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印 3.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 4.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度