氧化铝作为陶瓷3D打印领域最常用的材料之一，目前已经在航空航天、高温工业炉、复合增强、电气等领域获得应用。其成型工艺覆盖激光烧结、光固化、喷墨成型多种类型，产品的抗弯强度最高可以达到430Mpa，但仍不及整体式氧化铝的650 MPa。近日，来自奥地利莱奥本大学的研究人员采用多材料光固化3D打印开发的氧化铝陶瓷，强度突破了1Gpa，这是迄今为止在3D打印的氧化铝基陶瓷上测得的最高强度。 3D打印的多材料陶瓷 1. 能否利用逐层打印工艺制造具有增强机械性能的多材料结构 立体光刻技术在陶瓷3D打印领域发展迅速，尤其是基于该技术已经可以制造出与传统路线制造的陶瓷相当机械性能的大块体。适当的材料体系，以及定制和优化的烧结曲线一直是陶瓷立体光刻技术发展的关键。该技术成功应用的一个例子已在氧化铝陶瓷中得到证明，其中已测量出较高的机械强度和相对较低的散射。这就提出了一个问题，能否有可能利用逐层打印工艺来制造具有增强机械性能的多材料结构。 Lithoz陶瓷立体光刻原理 近年来，许多努力都集中设计具有改善强度和韧性的陶瓷结构上，并且在某些情况下基于多材料架构的陶瓷确实增强了可靠性。包含不同材料的层间组合与牢固界面相结合，可以产生出不同的面内残余应力，进而可以设计出具有高强度或能够抵抗裂纹扩展的新型陶瓷。这些设计都与最终应用相关联，并在研究中取得了进展。 奥地利莱奥本大学的研究人员展示了陶瓷立体光刻技术基于多材料方法制造具有空前高强度氧化铝陶瓷的能力。使用不同材料逐层沉积，可以在表层中引入定制的压缩残余应力，目的是与陶瓷材料的整体性能相比，提高陶瓷材料的强度和可靠性。目前，Lithoz公司的CeraFab 7500打印机打印机已经可以通过两缸系统添加材料，不仅可以复合打印两种陶瓷材料，还可以实现陶瓷与金属的复合。这为如何将增材制造的进步与多材料设计相结合，为制造复杂的3D打印陶瓷结构开辟了一条新途径（多材料陶瓷3D打印机的运行原理可查看3D打印技术参考视频号）。 2. 首次在3D打印的氧化铝陶瓷中测量到高达1GPa的特征强度 研究人员采用的材料是来自Lithoz公司的LithaLox MS548氧化铝光固化悬浮液和LithaLox ZTA20氧化铝和氧化锆（80%氧化铝和20%氧化锆）光固化悬浮液，制备了多层氧化铝(A)和氧化铝-氧化锆(ZTA)圆盘样品用于材料表征测试，其结构为ZTA层嵌入在A层之间，形成A-ZTA-A的结构。多材料结构使用Lithoz公司新型的CeraFab Multi 2M30打印机制造，单材料结构采用CeraFab 7500打印机制造，两台打印机的横向分辨率均为40μm，在打印过程中每层以180mJ/cm2曝光。所有样品分别在1600°C的条件下以1°C/min的加热速率烧结2小时。 图1：a）相对于打印方向（箭头）的A-ZTA-A圆盘（左）和单一氧化铝圆盘整体（右）；b）单一氧化铝和氧化铝-氧化锆整体材料的样条 此外，还打印了尺寸均为3×4 x 50mm的整体式弯曲棒，以测量单一材料（A和ZTA）的热膨胀系数、弹性模量和断裂韧性。如图1（b）所示，所有弯曲杆均沿横向打印。 经测试发现，单一氧化铝（A）、整体式ZTA样品的致密度均为98%，多材料A-ZTA-A的致密度为99%。因此认为无论是单一材料、整体式的多材料还是整体多层结构都可以被认为是致密样品，具有相对较低的孔隙率，这与优化的烧结工艺相关。 整体式氧化铝的杨氏模量为367Gpa，与文献报道的氧化铝典型值一致，即320GPa（95％相对密度）-410GPa（完全致密）。ZTA整体材料显示出较低的杨氏模量，为333GPa，这是由于添加了具有较低弹性常数的氧化锆所致。值得强调的是，测量的高精度对于良好估计多材料系统中的残余应力至关重要。 3D打印的整体式A和ZTA陶瓷的杨氏模量（E），热膨胀系数（CTE）和断裂韧性 图3显示了单一氧化铝A以及多材料A-ZTA-A样品的微观结构的SEM图像。A具有相当细的晶粒尺寸分布，平均晶粒尺寸约为〜2μm，在0.5μm-10μm之间分布。该微观结构在打印方向上看起来非常均匀，从而导致了低孔隙率且各个层的致密化程度很高，几乎看不到任何边界。值得一提的是，选择合适的烧结曲线对于保证均匀且致密的3D打印氧化铝材料至关重要。 图3（a）单一氧化铝A样品和（b）A –ZTA-A多材料样品的微观结构 图3b示出了多材料样品的微观结构，在A区域和ZTA区域之间显示出清晰的界面。这两种微结构非常均匀，表明所选择的烧结条件非常适当，LCM的打印精度也很高。顶部氧化铝区域的晶粒尺寸分布与单一氧化铝非常相似。ZTA区域包含非常细小的晶粒，平均尺寸为1μm。均匀的微观结构以及两个区域的低孔隙率与测得的99％的高相对密度相符。 弯曲强度测试结果表明，单一氧化铝陶瓷样品（A）和A-ZTA-A多层样品分别为645MPa和1013MPa，这是首次在3D打印的氧化铝陶瓷中测量到高达1 GPa的特征强度。多材料样品显著更高的强度可以通过氧化铝层区压缩残余应力的屏蔽效应来解释，在具有外部压缩应力的多层系统的情况下，总应力状态可以解释为作用在断裂发生区域的外加应力和残余应力的叠加。 整体式A和A-ZTA-A陶瓷样品的强度分布 a）位于打印表面的两个较大晶粒是氧化铝整体样品中的典型缺陷（参见箭头），b）亚表面颗粒(虚线)S是A-ZTA-A多材料样品A层中的关键缺陷 值得指出的是，对于单一材料整体样品和多材料结构板，所有失效的根源都在受拉的表面或附近。但是，在双轴加载过程中可能会激活中央层中的缺陷。失效是从表面还是从A-ZTA界面开始，可能取决于外层的厚度以及ZTA材料的强度。总体而言，将这种多材料方法与3D打印技术相结合，可能会成为设计具有出色机械强度和可靠性复杂零件的新途径。 注：研究原文已上传QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.生物医疗领域使用陶瓷3D打印面临的挑战 2.深圳大学&核工业西南物理研究院 | 采用3D打印制造核聚变陶瓷部件 3.LITHOZ 3D打印航空发动机陶瓷叶片型芯 4.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

尼龙是强度很高的聚合物3D打印材料，而如果将其与碳纤维复合，则可以综合二者的优越性。尼龙碳纤的3D打印件具有很好的机械性能，强度与刚性比未增强的尼龙高很多，耐磨性、高温蠕变性和热稳定性都得到显著提高。此外，碳纤维增强尼龙在3D打印中阻尼性优良，与玻纤增强相比具有更好的性能。这样的高性能材料不仅可以用于汽车领域，还可以在时尚和奢侈品行业大放异彩（注：本文内容主要涉及短切碳纤维复合尼龙材料）。 1. 尼龙+碳纤的优势——用聚合物代替金属 在设计工业应用工具时，传统技术使用铝制或者替代性的金属合金材料，这是因为金属件的表现更加优异并符合该类工具的要求。在许多情况下，热塑性塑料可以达到该类工具的强度要求，但是无法满足执行测试任务时的刚性要求。 INTAMSYS3D打印的碳纤维增强尼龙夹具 而这正是复合材料发挥作用的地方。向基础聚合物中添加增强材料可以极大地改变原材料的性能，从而使塑料件替代金属件成为现实。目前常用的FDM增强材料有碳纤维和玻璃纤维，可用来增强ABS、尼龙（PA）、聚丙烯（PP）、聚醚醚酮（PEEK）等材料。 碳纤维增强尼龙是金属的理想替代品，由于结合了尼龙的轻质和碳纤维的机械强度和热性能，碳纤维复合尼龙材料的强度与刚度显著提高，其机械强度甚至超过了3D打印的PEEK和PEKK，在汽车工业中从车辆固定架和仪表等内外部组件到发动机壳体均可以替代金属部件。众所周知，汽车碳纤维由于其强大的热和机械性能，被广泛用于汽车制造，作为金属零件的替代品，碳纤维增强尼龙在汽车工业中具有广泛的应用前景，能够实现减轻重量与设计优化的可能性，同时具有环保和经济优势。 INTAMSYS3D打印的材料性能 制造业在不断调整以满足新的需求。定制化、按需生产和小批量生产等需求都在不断催生有别于传统制造方法的替代性方案。增材制造技术可能永远无法完全取代数控机床加工或铸造，但高性能FDM打印机能够以高性价比的方式满足这些需求。 碳纤维填充的尼龙材料相比纯尼龙具有更高的性能，是FDM材料组合中最强的热塑性材料之一，它不仅可以用于汽车制造行业，其特殊的性能可以满足其他行业的制造需求。 2. 碳纤维增强尼龙解决奢侈品行业的制造难题 Promotion SpA是一家在奢侈品珠宝以及手表行业中具有非常高知名度的公司，其材料研发科学家Federica Tiso表示，他们会把控整个过程，从原型设计、原型测试、生产制造、品控再到物流，为客户提供完整的解决方案。 该公司在多年前已经开始广泛应用3D打印技术用于缩短开发时间，并确保每条表链的质量。2014年，该公司引入了第一台基于SLM技术的金属3D打印机，并采用青铜和不锈钢来制作原型和工具，之后又购买了可以打印纯金的金属3D打印机；2019年，Promotion引入一台可打印液体树脂的DLP打印机；除此之外，该公司还购入了INTAMSYS的高端FDM 3D打印机。 INTAMSYS FUNMAT HTFFF 打印机 在手表设计验证过程中，通过3D打印制造的碳纤维增强尼龙夹具解决了一系列原型设计的问题。尼龙碳纤的机械强度和轻量化特点给这家公司留下了深刻印象。 INTAMSYSFUNMAT HT制造软件 在进行手表链条衔接的过程中需要进行表面焊接，该过程离不开夹具，而使用传统的3D打印树脂夹具则遇到了一些问题。为了保护表链不受夹具本身损坏，同时还要避免它们在加工过程中移动，需要使用一种软材料。该夹具的整体尺寸为115x16.75x10mm，齿宽约为0.8毫米，Promotion SpA在采用3D打印的树脂夹具时发现，因为受到光降解的影响，夹具的强度很弱，当施加太多的力时，树脂夹具很容易断裂。 尼龙碳纤3D打印的手表链条装配夹具 Promotion SpA不得不寻找其他解决方案，最终在工程师的建议下，采用INTAMSYS的FUNMAT HT FFF打印机和碳纤维增强尼龙来制造夹具。Federica Tiso表示，“我们之前从来没有使用过这样的材料，但它的高强度质量比给我们留下了深刻印象。3D打印的尼龙碳纤夹具需要固定侧螺母，但是它的强度和精度能够满足使用要求，即便是夹具已经超负荷了，也不会在中途翘曲。” INTAMSYS的 3D 打印机通过实际证明了对于Promotion的价值，尤其是证明了使用高性能材料打印的夹具可以替代金属，他们还在不断挖掘应用，包括使用尼龙碳纤材料打造轻质耐磨的机械手末端夹具等。而前面我们提到该公司购买了多种类型的3D打印机，从这个案例中我们可以看到，不同的工艺和材料，适用于不同的制造环节，相互之间难以替代。 END 纤维增强复合材料以其优异的力学性能已被广泛应用于各工业领域，但由于传统制造工艺的限制，复合材料依然无法应用于一些具有复杂构型的结构。3D打印技术的快速发展无疑为实现复杂几何形状的复合材料制造提供了契机，从而进一步拓展了复合材料的应用范围。 当然，3D打印纤维增强复合材料的形式有多种，除了本文提到的短切纤维复合，另外还有长纤增强复合；在制造工艺方面不仅有熔融挤出，还包括激光烧结。这两种形式和工艺所能达到的材料性能也有区别，所带来的制造成本和适用领域也大不相同。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.工艺创新：将FDM 3D打印技术的潜力开发到极致 2.Stratasys 3D打印机关键专利本周到期，高温FDM市场将迎重大变化 3.国产专业级FDM设备成功打入日本精密零件加工企业 4.中国3D打印企业助力SpaceX回收火箭翻修，使再发射提速

经过几十年发展，金属3D打印技术已日趋成熟，在齿科、航空航天、医疗、模具等行业已初步形成产业规模。在该技术走向产业化的进程中，“成本和效率”问题逐渐变得突出，尤其是所需打印的零件越来越大，设备打印幅面也随之扩大，单激光打印时间变得越来越长，因此亟需寻找解决办法来降低生产制造成本，提高单位时间内的生产效率。 金属3D打印的主要的成本构成有设备折旧、粉末成本、耗材、人工、后处理费用、水电气、场地等。提升打印效率的主要方法有采用多激光提高扫描效率，缩短单层铺粉时间，采用大层厚工艺参数以及扫描策略上的优化等。 在“成本和效率”问题上，华曙高科在给客户提供高性价比的设备同时也不断进行技术创新以提高设备的生产效率，为客户创造更多价值。自2019以来，华曙高科中大型、多激光金属设备的订单和装机量均显著增长，经历了产业化客户的验证。本期我们重点介绍华曙高科的提效降本技术之一 —— 多激光技术。 一. 高品质、高效率的多激光增材制造系统 采用多激光打印并不是简单的激光器、扫描振镜在数量上的叠加，只有当多个激光之间的激光一致性问题、扫描振镜搭接校准问题、搭接稳定性问题、多激光扫描任务分配问题等得到彻底解决才能形成稳定的高品质高效率的多激光增材制造系统。 1.激光一致性问题 激光的一致性主要包含两方面，一方面是光斑形态及尺寸，另一方面是激光功率。 华曙设备的光路系统为全自主研发，包含了光学系统整体设计、光学元器件的选型（源自高端知名品牌），安装调试等。 凭借过硬的研发实力和超过10年的工程应用经验，华曙能够将多激光设备的不同激光的光斑形态基本调至一致，光斑尺寸偏差控制在±3μm以内。 下图为用光束质量分析仪在华曙FS421双激光设备上所测得的前后激光光斑形态测量图。 前激光光斑形态 后激光光斑形态 依靠华曙自主研发的激光功率校准软件和测试工装可方便快捷进行校准，经校准后不同激光之间的功率偏差可控制在3W以内，FS421M双激光的功率校准结果如下图所示： 前激光功率校准 后激光功率校准 2.扫描振镜搭接校准问题 扫描振镜是激光选区熔化成型设备的首要核心部件，成型精度主要是通过它来保证的。通过计算机系统与振镜运动控制卡来控制振镜进行指令角度的偏转，从而实现激光束在指定位置进行精确扫描。 在振镜系统中，从理论上来讲其偏转角与平面坐标之间有着固有的非线性映射关系，再加上光学元器件本身存在制造误差、装调过程中也存在误差，这些都会给系统带来“枕形畸变”、“桶形畸变”和“枕桶形复合畸变”等静态误差；同时电子传输线路中的残留噪声、模拟电压漂移也会带来一些系统和随机的动态误差，因此必须进行振镜校准来保证成型精度。华曙高科自主研发了整套振镜校准系统，可方便快捷的实现振镜扫描位置精度的精确校准。 在单个振镜系统校准之后，在多激光的扫描重合区域还需要进行搭接校准，目的是为了让多个激光器在扫描位于搭接区域的同一位置时能够尽可能的重合。在实际扫描过程中如出现偏差，则通过平移加旋转操作便可将两个激光的扫描线重合。搭接校调原理示意图 针对搭接校准这一难题，华曙也自主研发了多激光自动校准系统，包含传感器等硬件工装以及相应的搭接矫正软件，软件自动读取测试数据，自动进行计算偏差和校正。 该套系统的出现能够极大的减少调试步骤，减轻调试人员的工作量，提高准确性的同时也能显著提高校准效率。经长期、多台设备综合验证测试，通过该套系统搭接校准精度可以稳定控制在0.05mm以内，满足航空航天客户的质量要求。 多激光自动搭接校准系统原理示意图 3.搭接稳定性问题 在完成多激光区域的搭接校准之后，通常用户还关心一个问题——搭接效果能够维持多长时间保持不变？ 一个好的光学系统设计再加上使用过程中的正常维护，按理来说搭接在相当长一段时间内均不需要再次校准。但是通常情况下，为了能够更好的监控设备搭接状态，建议每半年进行一次搭接效果检查，若出现搭接超差的情况则视情况进行调整，若搭接效果在标准要求范围内则不需进行调整。 同时，为了能够更好追溯多激光打印产品质量，也建议用户在实际的打印过程中，在多激光搭接区域放置金相块以及拉伸样条对搭接效果进行随炉旁证和质量追踪。 4.多激光扫描任务分配问题 当激光器数量增加之后，在扫描任务的分配上变得复杂，除了考虑成形效率之外，还需要考虑多个激光之间的相互影响，尤其是上下风向以及当两个激光相互靠近时的影响。优异的风场设计能够在一定程度上减轻这种影响，但是依然不能完全避免。经过长期的烧结验证测试，华曙高科在自主研发的数据处理软件BuildStar平台上专门开发了基于多激光设备的智能切片算法，能够从扫描任务分配层面上有效规避上述问题，在保证烧结质量的同时将效率提升至最大化。同时也提供用户自定义模式，零部件可按照用户指定的激光ID进行烧结。 FS421M-双激光 数据处理软件BuildStar切片扫描任务分配 FS621M-四激光 数据处理软件BuildStar切片扫描任务分配 FS621M-四激光 大幅面实际扫描效果（对应上图BuildStar切片） 材料为IN718 二. 如何评判多激光打印工件质量 在充分解决如上问题之后，便可在多激光增材制造系统上进行高品质的零部件打印。通常需要从三方面来评判采用多激光所打印的零件质量，分别为：表面搭接痕检查、金相观察及力学性能测试。 1.搭接痕迹 零部件表面的搭接痕迹能够直观的体现出搭接效果的好坏，一般也可以通过触摸或放大镜对搭接区域质量进行进一步的评判。搭接效果较差时，搭接痕迹明显，不同激光之间错位较大，用手触摸时凹凸不平感较强烈。 搭接效果较差时的竖直面搭接痕迹 搭接效果较差时的水平面搭接痕迹显微镜下放大图 从上图中可以看出样块表面熔池线纹理清晰、规则排布，表面无明显颗粒物附着，体现其参数的适用性。但是由于搭接效果较差，可以清晰的看到上下两个激光扫描时的搭接熔合线隆起以及侧面的错位，错位量在0.1mm左右。 搭接效果较好的情况如下图所示，从图中可以看出其搭接痕迹不明显，用手触摸时感觉不到凹凸不平感。 FS421M-双激光搭接效果。材料为IN718，层厚0.04mm，工件打印时长206h 搭接局部放大图 2.金相观察 搭接痕迹只能从外观表象上初步判断搭接情况的好坏，虽然具有一定的参考性，但更重要的还必须要从“心”去评判。通常情况下通过对位于搭接区域的金相块的水平面及竖直面进行金相观察，通过比较得出搭接质量的好坏。 搭接未调试到位时分布在搭接线附近的孔洞缺陷，材料为AlSi10Mg，层厚0.04mm 搭接调试到位后的金相测试结果如下图所示，从图中可以看出中心搭接区与非搭接区金相无差别。 材料为AlSi10Mg，层厚0.04mm 3.力学性能测试 除了对搭接区进行金相观察外，还需要对搭接区域的力学性能进行测试，以进一步来确认搭接区域的质量。下图为FS621M-四激光设备的搭接测试包。 FS621M-4激光搭接性能测试包 材料GH3536 层厚0.06mm 打印时长25h32min 打印态性能测试结果（平均值）如下： 从测试结果看，搭接区域与非搭接区域样条性能基本一致 多激光3D打印系统是面向高效率、大尺寸及批量制造的解决方案之一，也是粉末床激光成型工艺发展的新趋势，它意味着可以给客户提供高效率、低成本的解决方案，也为3D打印技术在更多行业领域的应用打下坚实的基础。 华曙高科坚持自主研发与创新，攻克了多激光增材制造系统中存在的多个激光之间的激光一致性问题、扫描振镜搭接校准问题、搭接稳定性问题以及多激光扫描任务分配问题等诸多难题，并在产业化客户处实现了多台多激光设备的装机验证，设备所打印的零部件成功通过航空航天领域相关严苛测试标准并通过最终的验收，这标志着华曙高科的多激光增材制造技术成功走向产业化。 注：本文内容来自华曙3D打印。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.从有需求、无设备，到打印全球最大火箭燃烧室，成就航天，也成就3D打印行业 4.中国财经报：增材制造强力赋能制造强国建设

世界上许多性能最高的液体火箭发动机都是在20世纪80年代由俄罗斯和乌克兰的团队设计而成。科学家和工程师在当时的苏联取得如此成绩确实令人震撼，其代表产品RD-180至今仍然用于美国阿特拉斯5号的一级火箭。这也是被部分中国航空航天公司关注的重要原因。 不过，盯上他们的不止中国人，成立于2018年、总部位于纽约的航天技术公司Launcher，不久前任命了前乌克兰海基发射服务公司Yuzhnoye的液体推进部门副总设计师、火箭科学家伊戈尔·尼先科为首席设计师，其在高性能液体火箭发动机开发方面有超过30年的经验，参与了多种运载火箭推进系统的设计和开发。双方都在将增材制造大范围用于火箭重要部件生产方面富有冒险精神。这些努力，不仅成就了航天，也成就了3D打印行业。   3D打印，是新兴航天公司致胜的重要依赖技术 对于火箭开发来说，最具挑战性的任务之一就是制造富含狭窄、复杂形状冷却通道的燃烧室。火箭在发射过程中，燃烧室的温度达到3000-4000℃，这足以熔化任何金属。导致它不会立即熔化的唯一原因，就是一侧散失的热量要比另一侧吸收的热量更多更快，大约1mm壁厚的冷却通道发挥了重要作用。而它的机械加工，尤其是随后的封闭，都是一项困难的技术挑战。 通过3D打印，可以在燃烧室中创造出最优形状的冷却通道，将高传热和低水力损失结合起来。使用传统技术创建这样的通道，将会产生极高的机械加工和钎焊成本。对于新兴航天技术公司来说，3D打印则是他们致胜的关键。Launcher 3D打印的全尺寸E-2液体火箭发动机 2020年10月， Launcher开始测试其全尺寸的E-2液体火箭发动机，旨在以最低的成本为小型航天运载火箭提供最高的性能。因为采用了一米高的3D打印单件铜合金燃烧室，这家只有不到20名员工的公司，得以在最短的时间以相对较低的预算实现了这一目标。 然而，E-2液体发动机的3D打印零件不只有燃烧室，还有液氧泵、涡轮泵以及喷油器等等。接下来，3D打印技术参考将分别介绍这些零件的制造材料、完成单位以及其他细节。 从有需求、无设备，到打印一体化的全球最大火箭燃烧室 早在2017年，Launcher就指定了E-2发动机的制造路线图。最初是将涡轮泵的开发作为其首要目标，这是因为当时的SLM设备已经具备了这一应用所需的制造体积，然而当时还没有可以打印一米高零件的3D打印机，无法整体制造单件E-2燃烧室。其他航天公司则调整思路，选择生产较小的发动机，或者将零件分成三件或更多件分别打印再组成一个整体。然而，这种方法会降低燃烧/冷却性能，增加发动机重量以及成本。 Launcher一直在推动SLM设备制造商开发更大成型尺寸的金属3D打印机，但当时只有EOS旗下的AMCM公司愿意尝试，并迎合Launcher的开发需求。此外，AMCM看到了更多的潜在应用以及需求，进而加快了开发进程，使其M4K打印机得以提前两年投入使用，这使得Launcher能够在推进涡轮泵研发的同时开发E-2燃烧室。 AMCM M4K打印机 M4K打印机的成型尺寸为450 x 450 x 1000mm，配备4台1000w的激光器。在正式打印之前，AMCM采用AlSi10Mg打印了第一个燃烧室模型。最终全尺寸的燃烧室采用CuCrZr合金打印而成，它是世界上最大的单一组成部分3D打印燃烧室。 2019年以来，AMCM已经为Launcher完成了多个版本的燃烧室制造任务，以供不同的测试需求。2020年10月lanucher开始对E-2进行测试，前两次测试的燃烧室并没有冷却功能，以降低风险并测试3D打印喷油器的性能，两项测试均获成功。第三次测试的燃烧室则具有全部功能，并确保冷却通道的清洁。 3D打印的铜合金燃烧室具有优异的表面质量 镍基合金只是折中方案，铜合金整体打印却不是谁都能做 在开发全尺寸的E-2发动机之前，E-1已经是一款功能齐全的小型原型机，用于全面评估和测试发动机设计的各个方面。最初计划采用镍基合金制造这两款发动机。但在项目的早期阶段，Launcher发现英国3T Additive Manufacturing 公司正在采用SLM技术打印铜合金。双方接洽后，开始测试标准的C18150 CuCrZr合金作为燃烧室材料的性能，结果发现该材料具有高效的热传导性和冷却效果，且传导性能达到了镍基合金的20倍，不仅提高了燃烧室的寿命更降低了成本。 如今，铜合金被广泛认为是冷却液体火箭发动机的最高性能材料，而镍基合金则是一种折衷方案。然而，在当时则鲜有能够完整打印整件铜合金燃烧室的服务提供商。通过与3T的合作，Launcher在不到8周的时间里完成了从报价、制造到试车的过程。 3D打印燃烧室剖面图可看到复杂的流道 从E-1到E-2，更大的内部冷却通道更容易打印和清洁粉末，但制造具有必要强度的壁和歧管则较为困难。这一阶段的关键除了设计优化之外，还需要在打印机上开发能够制造一米高铜合金燃烧室的工艺参数，这成为该项目成功的关键因素之一。 工艺开发分为两个阶段，首先是在AMCM M290 1KW打印机上开发，之后将其移植到M4K上，它们具有类似的光学配置。在生产完第一批样品并确认材料质量后才进行燃烧室的打印。2018年和2019年，launcher对E-1发动机的各种原型进行了试车，包括研究不同制造参数（如粉末层厚度）的性能，以及制造速度和制造成本等。 3D打印的燃烧室在进行热等静压 热处理也是项目成功的关键因素，E-2的最终热处理和热等静压（HIP）由Launcher定制开发，Quintus Technologies的设备完成，以达到其特定的材料性能目标。 除燃烧室、喷油器采用3D打印制造外，E-2火箭发动机的液氧泵、涡轮泵也是3D打印而成。前者是火箭发动机的核心部件，用于液氧的输送与增压，由EOS M290采用镍基合金和铝合金材料3D打印；后者又被称作是火箭发动机的心脏，用于给发动机增压，它由Protolabs采用Velo3D的设备和In718镍基合金打印而成。可以明确的是，这两个零件都经过了热处理，并留下了经过加工的表面。截至2020年7月，3D打印的涡轮泵已完成70多次验证。 3D打印的E-2火箭发动机液氧泵 3D打印的E-2火箭发动机涡轮泵 将3D打印的优势、缺点，统统转化为优势 Launcher首席设计师伊戈尔·尼先科列举了增材制造技术的优势，包括实现独特形状（包括内部通道等）的设计自由度的能力、相比传统技术在进行更大和更复杂项目方面的处理速度以及将多个组件整合到一个零件中的能力等，均被用到了E-2燃烧室的设计和制造中。然而，3D打印也有固有的不足之处，即表面粗糙度较大。然而，在燃烧室的设计中它也起到了积极作用：通道中的粗糙表面可以显著增加冷却液的传热。在一些传统制造的发动机中，燃烧室通道也会以特殊方式加工来获得人工粗糙度。3D打印在此方面的不足，反而变成了优势，从而减少了后续加工。 燃烧室已连接管道准备试车 任何传统技术，包括冲压、机加工、钎焊、焊接和再次机加工的许多阶段，都不可能在两周内从零开始制造出一个几乎完工的燃烧室，即使拥有这方面所需的所有机械，而增材制造却将此变成了现实。 END 航天领域将成为金属增材制造越来越重要的市场。Launcher和AMCM之间的合作，使由此产生的材料和工艺技术向更为宽广的应用范围扩展。作为一项加工技术，它不仅被行业巨头开放，私营企业和小型组织也完全可以获取。 金属3D打印是促成Launcher等私人航天快速发展的创新技术之一，它以相比过去极低的成本开发和制造火箭发动机，大大加快了开发时间，并取得了燃烧效率的提高。而在此前，火箭发动机的高昂成本只有超级大国才能负担得起。如果没有3D打印，像Launcher这样的小公司则不可能以如此小的代价取得如此大的成功，而没有这些应用的推动，3D打印技术的发展则可能不会这么迅速。 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.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 2.国家增材中心10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 3.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 4.从143到304，多材料3D打印为汽（赛）车提速、增效、降本

引言：北京时间2021年4月8日0点34分，SpaceX 使用猎鹰九号成功发射第23批60颗星链卫星。至此，SpaceX已成功实现79次火箭回收。有人评价埃隆·马斯克是继乔布斯之后当代最伟大的企业家，SpaceX则是其创立的所有企业中最璀璨的明珠。相比其他国家级以及商业航天机构，SpaceX的制胜之道究竟是什么？ 2021年SpaceX第十次猎鹰9号发射任务，也是猎鹰火箭的第79次回收 频繁的航天发射次数 SpaceX的发射有多频繁？2020年，SpaceX共发射火箭26次，成功26次，从发射总量而言，占全球商业航天的70%。 数据来源：航天爱好者网 不过相比发射数量而言，更让人震惊的是，2020年SpaceX的发射全部使用的是“猎鹰-9”火箭（Falcon 9）。 图 | 猎鹰-9号火箭家族 猎鹰-9是仅次于重型猎鹰的大载重运载火箭。到达全动力后，9台发动机每秒耗费燃料和液氧3200 lbs，产生约850,000磅(38.55吨)的动力，近地轨道有效载荷质量22.8吨。 这使得SpaceX的火箭可以实现“一箭多星”甚至“一箭百星”，也造就了入轨航天器发射数量遥遥领先。 图 | SpaceX Starlink“星链”一箭多星示意图 下面的全球统计口径我们可以相对比较清晰地了解SpaceX的发射次数和入轨航天器数量——SpaceX承担了美国90%的入轨航天器发射量。如果把SpaceX以外的全球所有其他机构计入在内，其发射入轨的航天器总量也仅仅为SpaceX的一半。要知道，这都是在2020年美国疫情下完成的，到今年一月开始，SpaceX平均每10天就进行一次发射，而这种效率的基础，就是SpaceX火箭的模块化组装和回收能力。 回收、翻修、迭代——挑战人类工程技术的极限 SpaceX火箭一级回收技术是它被人熟知的开始，自2015年首次成功以来，媒体和大众早就习以为常。2017年更是实现了14次尝试，全部成功，其中4次实现了发射“二手火箭”。2018年4月首次试射成功的猎鹰重型火箭，左右两个“捆绑”的助推器其实就是之前成功回收的火箭一级助推器，中间的为崭新的火箭一级助推器。一个新的猎鹰9号火箭相当于一枚崭新的猎鹰9号火箭和两枚被回收的火箭一级助推器组合而来。 图 | 降落中的重型猎鹰火箭 一枚崭新的猎鹰9号（Falcon 9）火箭报价在5500-6200万美元之间，远低于同类的宇宙神5（Atlas-5）和德尔塔4（Delta-4）1-4亿美元不等的报价。得益于可回收火箭这项独门绝技，经过维修后的“二手火箭”再次登场时，相比新火箭，报价将打七折左右，但运力没有区别，这使得它的竞争力进一步上升。 同时通过回收火箭，工程师可以更加了解火箭的配重、燃料并且进行结构优化。同样以猎鹰9火箭为例，从v1.1到FT的版本提升中，F9 FT比F9 v1.1仅仅增重不到10%，9个Merlin 1-D的推进能力被从588吨提到了761吨，提高了30%，低地球轨道运载能力增加了9吨， 近之前版本荷载的70%。 3D打印如何助力SpaceX火箭翻修 作为SpaceX的重要供应商之一，Elite Aerospace负责承担SpaceX部分航天部件的翻修工作。如何满足SpaceX回收后快速重复发射的商业模式，以及应付马斯克本人隔三差五邮件要求的“速度越快越好”成为了Elite Aerospace公司工作的重中之重。 图 | 图中的猎鹰一级助推器已经是第六次使用 在翻新使用的猎鹰火箭时候，首先要确定哪些零件需要更换或者维修，然后确定好维修的加工工艺，接着是针对加工工艺开发定制夹具。 由于每次发射的火箭都有迭代，且实际损耗的部位不同，无法提前预知。因此如何快速地定制开发出夹具成为了Elite Aerospace在承接SpaceX的猎鹰火箭翻修任务中最大的挑战之一。就在不知道如何应对马斯克的下一封邮件的时候，SpaceX的研发人员在和Elite Aerospace的交流过程中，向他们推荐可以尝试使用Raise3D的3D打印机来制作夹具。 NASA很早就使用Raise3D的打印机进行创新开发 来源：NASA空间技术转化项目报告Bring NASA Technology Down to Earth这一想法被很快验证可行，大尺寸、打印精度、打印效率、可兼容的耗材、可控设备成本——Elite Aerospace公司在使用过Raise3D打印机之后，立刻和其他航空航天企业一样成为了Raise3D的忠实拥趸。并在之后采购了多款机型。通过使用这一技术除了解决了SpaceX的交付时间要求，同时也为整个项目节省了数百万美元的经费。 航空航天工程是人类工程科技的集大成者，每一个部件的生产和装配的设计都需要专业的分工和加工链支持。如今，3D打印已经是如此复杂工程网络中不可或缺的一员。Raise3D帮助NASA、SpaceX的研发和工程人员压缩时间（TIME COMPERSSION），为人类可见未来的火星移民增添一份绵薄之力。   展会预告：与SpaceX同款设备零距离接触 Raise3D（上海复志）将于5月26-28日参加在国家会展中心（上海虹桥）举办的2021年亚洲3D打印、增材制造展览会（TCT亚洲展），我们将在此次的展会上全球首发包括间接金属、大尺寸增强碳纤维和内嵌人工智能维护的多款全新一代3D打印设备，NASA的授权复刻版3D打印工具、以及全球领先的工程技术企业的创新案例。 现在起至5月1日通过扫描上方Raise3D专属展会报名二维码进行预约参观，免50元门票外，还将获得BASF Ultrafuse ABS Fusion+或雷孚斯LUVOCOM 3F PAHT限量定制款展会胸卡挂钩纪念品一个，数量有限（各300个），先注册先得。

3D打印自诞生30多年以来，该领域包括设备、材料和服务在内的全球收入平均年增长率为26.1%，过去四年的平均增长率为20.8%，并有23年以两位数的速度增长。这个行业具有巨大的未开发潜力，因受疫情影响，2020年3D打印市场发展虽然放缓，但仍然保持了正向增长。本期，3D打印技术参考介绍该市场2020年的发展情况，涵盖设备、材料以及应用服务，观点、数据及图表基于《Wohlers Report 2021》制作和总结。 1. 总体市场达到127.58亿美元，增长7.5% 通过总结全球261家服务提供商、系统制造商和材料生产商的数据，《Wohlers Report 2021》指出，2020年全球3D打印市场规模达到127.58亿美元，相比2019年增长7.5%，低于此前21.2%的增长率。全球范围内众多公司受到疫情影响，裁员、削减支出更是普遍，其中以业内最大的两家公司Stratasys和 3D Systems最为典型。2020年，两家公司在整个行业所占比重为8.5%，而2019和2018年分别是10.7%和13.8%，呈现逐年下降的趋势，这也意味着，业内其他设备制造商正在崛起。 需要指出的是，127.58亿美元的市场规模仅涉及与3D打印直接相关的设备、材料、软件、培训、售后、展会等，并不包括其在汽车、航空航天、医疗/牙科产品、体育用品、珠宝等应用端所产生的价值，同时也不包含风险投资和其他投资形式，如果将这些计入在内，3D打印市场的规模将难以量化。 2020年，包括打印机、材料、软件以及光学系统等在内的所有3D打印相关产品的全球市场估计为53.03亿美元，比2019年的50.43亿美元增长5.1%。其中，设备销售额估计为30.14亿美元，与2019年的30.13亿美元持平。 2. 2020年，有2万台工业系统和百万台桌面系统售出 近年来，3D打印设备制造商的数量增长迅速。下图的顶部线显示了工业3D打印系统的制造商数量。2020年，全球有228家制造商生产和销售工业3D打印系统（价格高于5000美元），与2019年相比，增加了15家；自2012年以来，工业系统制造商的数量增长了近7倍。底部线显示了每年至少销售100台机器的制造商数量，这意味着2020年有37家公司的工业3D打印系统销量超过了100套。 228个系统制造商分布在世界各地，对比Wohlers 报告2020和2021版，美国制造商数量保持47家不变，排名第一；德国增加2家到27家，排名第二；中国制造商的数量则减少7家下降至25家，排名第三。 2020年，估计有21029套工业系统售出，相比2019年的22970套下降8.5%。美国公司占总销量的37.8%，高于2019年的35.0%，欧洲和亚洲分别保持在27.1%和19.1%。在所有工业系统中，2020年共售出2169台金属3D打印机，较2019年的2333台下降7.0%；聚合物工业系统的销量则是金属系统的8.5倍，这主要是两者之间的成本差距过大造成的。 工业3D打印系统每年的销售量 金属3D打印机每年的销售量 工业3D打印系统的平均售价在经历2019年和2018年的飙升后略有上涨，与此同时，低成本桌面3D打印机的销量在2019年大幅增长后，2020年出现温和增长。2020年，台式3D打印机的销量增长了6.7%，估计为753211台，而2019和2018年的增长率分别为19.4%和11.7%。沃勒斯同时指出，中国公司在2020年生产了100多万台不到1000美元的3D打印机，其中很多被送往欧洲和美国用于生产个人防护装备及响应其他疫情防护需求。而根据国内创想三维发布的消息，其在2020年桌面3D打印机出货量超过100万台，其中大多数出口至国外。 3. 主流3D打印材料将发生变迁 沃勒斯认为，当系统销售下降时，制造商会把更多的精力投入到增加服务销售上，这一增长与2020年材料销售的增长相对应。去年，全球3D打印材料市场规模估计为21.05亿美元，包括工业和桌面系统的材料，不限于金属和高分子粉末、液态树脂、丝材和粒料等，该市场相比2019年的19.16亿美元增长9.9%。 光敏聚合物的市场为6.349亿美元，相比2019年增加了3.8%；用于粉末床的热塑性聚合物市场为6.292亿美元，比2019年增长16.7%，这包括用于激光和高温粘结剂喷射成型工艺的粉末。两组数据对比发现，使用最多的3D打印材料可能将在未来几年内发生变化，高分子粉末即将超越光敏树脂成为最受欢迎的3D打印材料。 热塑性塑料丝材的销售额达到4.141亿美元，相比2019年的3.943亿美元，增长了5.0%；金属3D打印材料的收入增长了15.2%，达到约3.834亿美元，高于2019年的3.327亿美元。 4. 专业服务提供商的盈利水平正在提升 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%，也意味着服务已经成为行业发展的重要推动力量。其中，排除类似Stratasys或3D Systems等设备商的服务收入后，由专业服务提供商产生的收入为52.77亿美元，占服务总收入的71%。 该部分的调查数据来自包含中国在内的27个国家的124家公司。在所有使用的技术中，来自3D Systems的SLA 打印机占有率最高，达到301台；EOS的SLS打印机以202台排名第二，惠普的MJF打印机以100台排名第三。金属3D打印机方面，EOS以134台的使用量排名第一，通用旗下Concept Laser打印机以90台排名第二。 除此之外，服务商们认为惠普的MJF技术盈利能力最强，因此也成为在扩大生产能力时首先选择的技术类型和品牌；其次是EOS的SLM技术，EOS的SLS技术和3D Systems的SLA技术紧跟其后。另一方面，服务商通常会选择技术成熟的机器类型，但2020年由服务商购买的404台设备中，有312台打印机来自非顶级品牌，这一比例相比2019年的41.4%提高很多，这也意味着其他品牌正在逐步获得市场认可。 在使用的材料方面，光敏树脂在长时间以来一直是最主要的3D打印材料，而在过去五年里，用于粉末床的聚合物粉末已经赶上光敏树脂，并预计在未来几年内取代其成为主要材料。根据调查，聚合物中的聚酰胺以及金属中的铝合金是用于服务最赚钱的3D打印材料。 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 2.3D打印助力后疫情时代，梳理全球企业资源图谱，解析百亿美金市场现状 3.SLM金属3D打印装备的市场价格趋势与竞争差异分析 4.专题：2021，多激光、超大型金属3D打印的时代已经到来

  在赛峰集团与SLM Solutions的一个联合项目中，双方采用选区激光熔化技术制作了一款商务喷气式飞机的前起落架组件，采用SLM技术来3D打印制作如此大尺寸的飞机部件，尚属世界首次。 该项目的目标是证明通过SLM3D打印技术生产主要配件的可行性。传统起落架零件，通常是通过5轴加工和三个锻造零件组装而成，为适应3D打印逐层制造的工艺特点，需要将组件进行重新设计，这不仅节省了整个制造过程的时间，最终还将原来的三个零件组合为一个整体，重量减少了约15％。 作为将载荷从车轮传递到飞机结构并在起飞后缩回的部件之一，赛峰对该零件的性能有严格的要求，因此材料选择了钛合金，它不仅强度高、耐腐蚀，打印后的表面质量也能够达到使用要求，仅需对功能表面进行机械加工。相比能量沉积技术，后者虽也能制造大尺寸零件，但仍需大量的后期加工才能满足使用要求，这无疑会耗费更多时间并增加成本。 赛峰着陆系统增材制造项目负责人表示，之所以选择SLM Solutions，不仅在于激光粉末床技术相比粉末沉积技术的优势，还在于该公司具有足够的专业知识，且其SLM®800设备能够满足赛峰在机器尺寸和可靠性方面的要求。 SLM®800仍然是目前世界上最大的金属3D打印系统之一，它具有垂直延伸的结构外壳，非常适合生产大型部件。该机器配备了SLM Solutions经过验证的四激光技术和创新功能，例如获得专利的气流和永久性过滤器，可确保最高的可靠性。 SLM Solutions全球服务与解决方案执行副总裁解释：“增材制造能够快速制造测试零件，这有助于在鉴定和认证阶段节省时间。采用大型工业级增材制造设备可以在几天内生产主要配件，而锻造过程则需要几个月。” 赛峰对着陆部件的新设计已实现了在零件性能和减重方面的双重目标，目前已经申请了专利。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.国内外采用3D打印直接制造飞机起落架的技术和材料 2.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 3.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 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？

过去一年因为疫情，各行各业均受影响，而3D打印无论在国内还是国外，都备受关注，它在紧急响应物资短缺问题上的作用被有目共睹。据《Wohlers Report 2021》最新数据，2020年3D打印市场规模接近128亿美元，虽低于往年平均增长率，但增长幅度仍达到了7.5%；全球3D打印材料市场约21.05亿美元，增长幅度为9.9%，高于总体市场增长。 超20%的年平均增长和不断降低的成本助力应用端加速 非金属类材料主要包括工程塑料、光敏树脂、陶瓷材料和细胞生物原料等。众所周知，塑料材料一直朝着高强度方向发展，通过增强塑料强度用来直接替换金属用于各类复杂构件，既便宜又质轻，所以塑料材料在3D打印制造中被广泛应用。此外，塑料材料还可以避开缺陷向复合化、功能化方向发展，特别是实现多元材料复合，进而赋予塑料特定功能。 而材料的成熟度和扩展方向一直以来是3D打印的最大问题，近两年的材料发展超越了之前的5-10年的跨越。非金属3D打印之所以可以发展得如此快，主要是因为与传统制造业对比，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。 在新冠疫情常态化的全球大背景下，个人防护用品的批量生产也在另一方面加速了3D 打印塑料材料的发展进程，护目镜、防护面罩、口罩带以及核酸检测鼻咽拭子等用品正在逐渐使用3D打印耗材和设备进行批量生产，随着应用领域不断扩大，塑料材料性能也将不断提高。 3D打印的防护面罩 绿色环保和循环经济已然成为3D打印塑料材料发展关键词 去年十月，全球最大的聚合物生产厂商之一科思创（2021 TCT亚洲展展位号：E46）宣布以16.1亿欧元的价格收购帝斯曼（2021 TCT亚洲展展位号：C48）树脂和功能材料业务（RFM）。据悉，科思创意欲通过收购，进一步拓展3D打印材料这一极具吸引力的高增长领域。 由此可见未来工程塑料这一领域市场发展前景广阔。 同时，他们也推出了新的循环经济解决方案，例如：再生塑料和基于CO₂的cardyon®品牌产品，这为增材制造生态增添了循环可持续发展优势。 在去年7月TCT亚洲展上，科思创与合作伙伴 Polymaker联合发布了用于批量或定制化生产衣、帽、鞋、包等服装配饰使用的新型3D打印纺织面料。除了减少浪费之外,它还具有更多实用价值,并且可以使用计算机算法来设计面料的肌理与花纹。 而今年，Polymaker（2021 TCT亚洲展展位号：F44）将在TCT亚洲展上带来全新环保理念3D打印耗材PolyTerra™ PLA，通过独特的技术，保证高打印质量的前提下，大幅减少塑料含量，提高了材料的降解能力。在实现自然降解的同时，Polymaker与国际公益种植机构合作，为每一卷售出的PolyTerra™ PLA种植一棵树，真正实现回馈自然的愿景。 连续7年参展的3D打印耗材品牌eSUN易生（2021 TCT亚洲展展位号：D48）也于近日推出3D打印耗材绿色环保解决方案——“无卷盘耗材（Refilament）+可重复利用片体无卷盘(eSpool)”，能有效减少行业内传统线盘的生产及使用，符合当下“绿色生活”的理念。 近两年3D打印的材料开发与迭代速度超过过去5年，您可以通过2021 TCT亚洲展的三天展会时间一站式了解BASF、赢创等化学50强企业的新材料应用开发；了解诸如有机硅、新型陶瓷等材料研发和应用的最新进展。 扫描下方二维码，现在预约参观立享50元门票优惠！ 欢迎转发 延伸阅读： 1.2018 TCT 有哪些材料？ 2.2020年，Voxeljet交付131000个3D打印零件，达750吨 3.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 4.北京科技大学：3D打印「低成本金属粉末制备新技术」实现应用

纯铜3D打印仍然是当前的研究热点，目前已知的纯铜3D打印工艺包括激光/电子束粉末（床）熔融、粘结剂喷射以及FDM型的桌面式工艺，无论哪种，纯铜还都远远没有像其他材料那般获得大规模的应用。本期，3D打印技术参考介绍另一种纯铜3D打印工艺——基于DLP的数字光处理技术。 该技术的开发商为美国Holo公司，它于2014年被Autodesk收购，推出了基于DLP工艺的Autodesk Ember 3D打印机。但其创始人为了更好地发展业务，最终将公司于2017年从Autodesk脱离出来，并一直使用原技术开发金属3D打印零件。 专有的金属—聚合物浆料+成熟的MIM后端工艺 基于DLP的纯铜3D打印工艺，采用了Holo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。 基于DLP的纯铜3D打印工艺原理图 对于纯铜3D打印工艺的开发，主要围绕导热性和导电性展开。铜的导电性与其纯度直接相关，任何污染物，特别是铁，都会影响最终性能。这一点无论对于基于DLP还是3DP亦或是注射成型的工艺都同等重要，然而在实际的制造过程中需要向金属粉末中添加其他物质，然后再制造出高纯净、高密度和高保真的零件。 Holo公司的专有浆料材料特性 用于脱脂和烧结的粉末冶金工艺已经非常成熟，Holo首先选择了能够提供合适化学性能的供应商，这一点非常关键；其次，对树脂基体的成分进行了优化，它不同于金属注射成型中使用的蜡基材料，后者中的某些化学物质会影响烧结零件的机械或化学性质。Holo需要在可成型和保证性能之间进行平衡，如果树脂中含有污染物，就需要在烧结过程中通过特定的气体去除。 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。 铜粉原材料和打印完零件的成分和性能对比 优化设计+3D打印，将产品的性能翻倍 传统上，一些类型的冷却板需要通过切削制造，在金属工件上切出几十个翅片，每片的厚度约110μm，间距大致相同。由于切削路径的限制，这些翅片被加工成直线形式，通过产生空气或液体层流，来冷却设备。从传统角度，这种流动并不理想。层流穿过直通通道会产生沿翅片每侧下降的边界层，从而降低传热的有效性。3D打印所能做的，就是突破产品设计。 Holo对冷却板设计了几个沿着鳍结构的横梁，每一个横梁都有独特的设计，其数量会根据芯片上热点的位置和歧管内冷却剂的理想流量分布而不同。在此实例中，冷却板的有效区域为30*30mm，包含数百个细小的金字塔状结构，高度约150μm，这些结构被用作扰流器，增加了歧管内冷却剂的紊流。歧管管位于金字塔结构的顶部，几乎无法以其他任何方式加工，即使采用基于激光的SLM工艺，也存在粉末散落其中的风险。 3D打印的纯铜零件进行脱脂烧结 然而，Holo基于DLP的传统3D打印所制造的的鳍片宽度为170μm，这明显不如传统工艺，但事实是，最终产品的传热能力达到了传统产品的两倍。这正是零件创新设计实现了比传统产品更高的性能水平，而如果进一步优化工艺，将精度提高到100μm，这种性能的改进还将继续翻倍。 一种材料，一个市场 值得注意的是，Holo从未将自己定义为3D打印机设备开发商，而是零件供应商，至少在短期内不会出售其品牌的设备。Holo瞄准最终应用市场——为计算机行业的数据中心、高端CPU以及电动汽车等行业开发散热解决方案，并奉行一种材料一个市场的原则，这是一个价值40亿美元的市场。 Holo 3D打印设备 Holo公司的行业定位 基于其专利工艺，Holo已经推出了316L、17-4PH、复合材料、陶瓷以及纯铜产品。目前，他们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。3D打印为传统的散热片设计带来了变革，Holo无疑看到了批量生产以及复杂零件制造方面的机会。 基于DLP+脱脂烧结工艺制造的纯铜 根据其市场定位，Holo着重于三方面的挑战。一是材料密度，用于液体冷却的装置零件必须完全致密且封闭，即使是很小的泄露都可能导致危险，Holo需要研究打印和烧结行为，保证足够的密度以及零件制造的可重复性；二是导热率，这涉及到材料最终的纯度，任何与污染有关的事项都需要考虑在内；三是产品设计，Holo将自己定义为零件生产商，就不能只研究材料和工艺，还需要创新产品设计，这无疑需要了解重点行业产品的弊病。 END 无论对于计算机芯片还是电动汽车的电池，随着功率的增加，器件对散热的要求越来越高。复杂的热交换器和液体冷却装置需要高保真、复杂的几何形状，3D打印为突破传统机加工、焊接方案提供了新的制造工艺。传统行业将因增材制造受益巨大，但投资并不了解的新制造技术则可能并不是最佳方案。 无论哪种工艺，制造精度非常关键，尤其对于基于烧结的DLP和粘结剂喷射技术，零件收缩是一项需要克服的重要问题。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 2.由GE赞助的增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 3.激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 4.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战

Voxeljet(维捷)既是砂型和高分子粉末材料粘结剂喷射3D打印设备的生产商也是主要的服务提供商。2020年，Voxeljet基于其欧洲服务中心运营的所有3D打印建造平台，交付了13.1万个3D打印零件，如果堆叠起来，其高度将达到604米。 生产这些零件的总机器运行时间为32000小时，相当于1333天或3.7年的打印时间，总共消耗的材料重量达到750吨。 Voxeljet在2020年的服务总量展现 大约三分之二的零件采用呋喃树脂基粘合剂3D打印砂型，其他则使用酚醛树脂基粘合剂3D打印塑料（主要是PMMA）。Voxeljet的3D零件按需服务包括从聚合物原型、功能零件、金属铸件的模具和型芯到中小型零件和砂型系列的外包工业生产。 这家德国公司在增材制造方面积累了超过20年的经验，其在德国提供按需服务的年生产能力超过470万升。此外，Voxeljet目前还在美国和中国设有服务中心。 基于Voxeljet 3D打印砂型铸造的零件 Voxeljet为铸造用砂、塑料和陶瓷打印开发的体素级粘结剂喷射成型工艺是一种强大的3D打印技术，可以通过动态在线喷墨技术获得受控效果，实现传统工艺无法达到的精度。这种体素喷射3D打印系统依赖特别开发的打印头可实现7*24小时不间断工作。 粘结剂喷射3D打印在砂型制造方面具有强大的优势，仅使用粘结剂和专门匹配的铸造用砂，即可无需其他工具实现模具和型芯制造，快速灵活且具有经济价值。目前，Voxeljet推出有从300x200x150mm³到4000x2000x1000mm³特大型的多种打印机，铸造量最大可实现80吨。 Voxeljet3D打印PMMA叶盘 PMMA可用于塑料精密铸造，这些丙烯酸塑料具有出色的燃尽性能，可用于中小批量生产复杂的几何形状，而无需进行昂贵的模型生产，Voxeljet可打印的PMMA尺寸最大可达1000x600x500mm³。 目前，Voxeljet已经成为该技术领域最为领先的厂商。国内同技术领域，宁夏共享集团在铸造3D打印产业化应用方面实现了国内首创，攻克了材料、工艺、软件、设备及集成等技术难题，关键技术指标达到国际先进水平，并建成了世界首个万吨级铸造3D打印智能工厂，成为国内铸造3D打印产业化应用的“领跑者”。 欢迎转发v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.美国防部授予ExOne粘结剂喷射3D打印移动方舱制造合同 3.GE 增材：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 4.共享视觉：当粘结剂喷射3D打印遇上文物保护和艺术品创作