时代呼唤创新 科技引领变革 11月25日 清华大学《探臻科技评论》2023 “青年最关注的 改变未来十大变革科技” 榜单发布！ 为营造良好的科技创新生态，鼓励广大青年学子瞄准行业前沿，深入探索交叉领域，清华大学《探臻科技评论》开展了2023“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单评选活动，共吸引了9000余名清华师生参与投票。 清华大学探臻科技评论社是清华大学服务国家战略科技发展，履行高水平科技自立使命，为培养关键核心领域青年领跑者创建的科技创新社团。 11月25日上午，在“青年变革力量·探臻青年科技论坛”现场，《探臻科技评论》2023“青年最关注的改变未来十大变革科技”榜单评选结果正式公布。入选的十项前沿科技（排名不分先后）分别是： 超快激光加工 上榜理由：突破加工精度，打造下一代工业制造的新范式 推介语：“激光制造是当前国际制造业的前沿和热点之一，以激光为工具对材料改性、去除和成形，如激光切割、焊接、打孔、3D打印等，广泛应用于制造的各个领域。超短脉冲激光的出现则开辟了激光精密制造的新途径，超快激光具有极大的瞬态功率和超短的作用时间，与物质作用往往形成强烈的非线性效应，可以实现金属、半导体、陶瓷、玻璃等多种材料的高分辨率、无损伤、超精密加工，为器件微型化、集成化提供关键技术支撑。” 第六代移动通信技术 上榜理由：下一代移动通信技术，助力“万物智联”信息化新时代 推介语：“面向未来，人类社会将进入智能化时代，从移动互联、到万物互联、再到万物智联，6G将实现从服务于人、人与物，到支撑智能体高效联接的跃迁，致力于通信与感知、计算、控制的深度耦合，成为服务生活、赋能生产、绿色发展的基本要素，实现空天地一体化的全球无缝覆盖，构建人机物智慧互联、智能体高效互通的新型网络，在大幅提升网络能力的基础上，6G将具备智慧内生、多维感知、数字孪生、安全内生等新功能。” 第四代半导体材料 上榜理由：聚焦芯片卡脖子环节，引领半导体材料革新 推介语：“随着电子信息技术的不断发展，半导体材料也经历了数代更迭，第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础，第二代半导体材料奠定了通信产业的基础，目前以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料具有耐高压、耐高温等优越性能，主要应用于功率器件和射频器件。而氧化镓、氮化铝、金刚石等第四代半导体材料具有优异的物理化学特性、良好的导电性以及发光性能，在功率和射频半导体器件、紫外探测器、气体传感器以及光电子器件领域具有广阔的应用前景。” 动力电池回收技术 上榜理由：助力新能源可持续发展，实现旧电池“变废为宝” 推介语：“动力电池回收技术是针对废弃电动车电池进行再利用的关键技术，包括拆解、物理化学处理、精炼、再生利用等步骤，目标是提取并回收电池中的有价值材料，例如镍、钴、锂等金属，并实现其循环利用。该技术被广泛应用于新能源汽车、储能设备等领域，有效降低了原材料成本，同时减少了环境污染。未来发展方向主要集中在提高回收效率、降低回收成本以及环保处理等方面。随着新能源汽车市场的快速发展，动力电池回收技术将具有巨大的市场潜力和社会价值。” 高温超导材料 上榜理由：高温超导现象被誉为“当代科学的明珠” 推介语：“超导电性的黄金判据是，在低温条件下材料兼具零电阻性和抗磁性。高温超导材料是物理领域研究的前沿和热点，因其具有较高的超导转变温度，在应用领域广受关注，有望解决未来能源问题。现阶段研究的核心问题有：提高超导材料的临界温度、探索高温超导机理、降低制备成本等。高温超导材料的研究对电力传输、航空航天、国防安全、量子计算、数字通讯、医疗设备等领域具有重要意义，对其研究上的突破将带来新的科技革命。” 类脑计算 上榜理由：探秘碳基生物大脑，推动硅基通用智能 推介语：“类脑计算是借鉴人脑信息处理方式，基于神经形态工程，创造支撑通用人工智能发展的超低功耗新型计算系统。类脑计算充分发挥神经科学与计算科学两者的优势，旨在大幅增强人类感知世界、适应世界、改造世界的智力活动能力，被认为是后摩尔时代最为重要的发展方向之一，是涵盖万亿元市场的高科技领域，将赋能各行各业极大地拓展人类的智力活动范畴，引领新一代信息技术革命，正是我国信息产业实现跨越式发展的契机。” 类器官芯片 上榜理由：打造仿生人体的体外模型，医药行业的颠覆性技术 推介语：“类器官芯片是传统器官芯片在生物技术方面的延伸，指由原代组织、胚胎干细胞、诱导性多能干细胞在芯片微环境之中衍生发育的各种类器官模型，其含有某个器官特有的多种细胞类型，与人类器官拥有高度相似的组织学和基因型特征，并部分重现该器官的特有生理功能。类器官芯片旨在使类器官变得更易于操作和可控，从而尽可能全面地反映人体内部复杂的微环境。在新药研发、疾病建模和个体化精准医疗等领域具有巨大的应用前景。” 生物3D打印 上榜理由：精准制造活体器官，为再生医学带来革命性突破 推介语：“生物3D打印技术是一种利用（干）细胞作为墨水的新型3D打印技术，基于现代医学精确扫描和计算机快速建模，利用增材制造技术逐层沉积活细胞以及生物活性材料，制造出高精度、高复杂度的人体组织，在器官体外制造方面显示出特有优势，在生物医学和国防军事等领域具有广泛的应用前景。生物3D打印技术有望解决器官供体不足的问题，实现人体器官的完整再造，将改变传统组织工程、药物研发模式，为人类生命健康带来革命性变革。” 生物质能碳捕集与封存 上榜理由：减缓气候变化的负排放技术，助力全球温控目标实现 推介语：“化石碳资源已成为人类衣食住行的主要物质依赖，而此类资源都是由史前生物质衍化而来，理论上生物质可完全替代这些化石碳资源。生物质是唯一蕴含碳的可再生资源，其生长过程吸附固定大气中的CO2。生物炼制将生物质转化为各种产品，如果再与碳捕集和封存技术结合，还可以实现碳的负排放。生物质能碳捕集与封存是实现全球温升控制目标的重要负排放技术，是在基本不改变人类现代生活方式的前提下应对气候变化危机的最有效产业技术手段之一。” 通用人工智能 上榜理由：数据算法助力科研范式变革，加速人类社会生产力发展 推介语：“借助深度学习模型和自然语言处理等领域的最新研究，通用人工智能能够生成连续且具有语境意义的文本、图片、音频等，取得了显著的进展。人工智能模型涌现出惊人的通用能力，通过在上下文中学习，模型能够听从人类的提示，完成多种多样的任务。以大语言模型为核心，视觉、听觉等多种模态进一步融合，模拟人的多感官能力。模拟不同个体的多智能体人工智能初见端倪，为人类与人工智能共处展开了更多的想象空间。” 注：本文内容来自探臻科技评论、清华大学。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.3D打印巨头Desktop Metal面临退市危机 2.北理工-3D打印技术在5G通讯天线中的应用进展与挑战！ 3.巨型铸造——砂型3D打印应用的新突破，新能源汽车行业的新焦点 4.国产桌面碳纤维3D打印机“不挑材料”，新增11款特种耗材！

导读：橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种方法，将打印部件的后检测数据与打印过程中传感器收集的信息结合起来。然后，组合数据会教导机器学习算法来识别产品中的缺陷。这种新方法实现了90%的检测率，与传统评估方法缺陷检测概率一致，从而节省时间并降低成本。 当前，关键金属3D打印的组件资格认证依赖于广泛的机械测试和无损评估。非原位表征技术，如X射线断层扫描（XCT）可用于对单个组件的检测，但仍需要同时进行其他辅助破坏性测试和分析之后才能使用。此外，许多无损检测技术都受到3D打印部件复杂几何形状和粗糙表面的挑战。例如，XCT在对大型或多细节特征零件进行成像时图像质量降低，零件的复杂几何形状会加剧散射伪影。再加上工艺漂移、机械性能不稳定以及机器之间的不一致性，这些严格的鉴定方案限制了3D打印技术的使用。 3D打印工艺的原位监测有望成为一种成本较低、可扩展性更强的非原位测试替代方案，因为它能够检查大型、多细节特征的部件，并且已被确定为能够鉴定增材制造部件的关键技术。然而，现有的原位传感器技术和数据分析技术很难在生产规模的L-PBF打印机上检测到表面缺陷（如内部孔隙和裂纹）。例如，对于通过L-PBF生产的零件，表面缺陷可能会对机械性能产生重大影响，特别是在循环载荷条件下。然而，在打印过程中，仅通过可见光相机成像可能无法观察到这些缺陷，可见光相机是L-PBF系统最常见的商业原位监测形式。目前的研究已经证明，使用红外波长的成像可以用于观察表面下的缺陷，但相对于可见光成像，这些技术要么空间分辨率差，要么视场小。不同但互补的传感器模态（如可见图像和红外图像）的融合提高了整体信息内容，但与对多模态传感器数据解释相关的挑战使原位缺陷检测仍然难以实现。 XCT检查3D打印零件中的缺陷 近年来，机器学习（ML）在处理监控数据方面的最新应用进展释放了3D打印零件鉴定的原位传感潜力。用于分析现场增材制造传感数据的机器学习方法已经取得了重大进展，但评估这些技术的方法很少受到关注，并且对机器学习的准确性仍持怀疑态度。 增材制造技术前沿注意到，橡树岭国家实验室(ORNL) 和国防/航空航天巨头RTX（由雷神公司和联合技术公司合并而成）合作，于近期公布开发了一种软件解决方案，利用机器学习 (ML) 对L-PBF技术生产的金属零件进行现场质量控制。该解决方案的流程涉及利用近红外相机和在打印过程中可见光相机收集的数据，以及对CT扫描后制造的零件进行检查。接下来，两个数据集的组合用于教导算法在后续打印过程中现场识别缺陷。每次打印后，软件还会根据反馈进行训练。 研究人员表示，他们的工作取得的最大飞跃是为量化机器学习驱动的质量控制的可靠性奠定了基础——这是此类技术最终达到规模化不可或缺的先决条件。ORNL研究人员表示，他们所开发的流程可实现90%的检测率，同时降低误报概率，误报可能导致优质产品报废。他们也是第一个对原位（过程中）缺陷检测的置信水平给出数值的机构。 利用过程监测、传感器融合和机器学习对增材制造的部件进行现场无损评价 在训练过程中，该算法首先使用CT扫描图像标记缺陷。然后，操作员根据打印过程中收集的数据中的视觉提示对其余部分进行注释。人工反馈会继续训练软件，因此算法每次都能更准确识别缺陷。ORNL之前在原位监测和深度学习框架方面的进展被用作这种新颖方法的工具。随着时间的推移，这将减少人工参与制造检查的需要。 研究人员表示，这可以在没有CT的情况下实现CT级别的信心。检查某些3D打印零件的常用方法是CT成像和分析，但由于需要额外的时间和专业知识，因此会增加成本。另外，CT无法有效穿透致密金属，从而发现打印部件深层中嵌入的缺陷，限制了其应用。 构建布局 当该算法应用于使用相同材料和工艺一致制造的单一设计时，它可以在几天内学会提供一致的质量分析。同时，该软件融合了从不同设计和结构中学到的所有知识，因此最终能够准确检查具有不熟悉设计的产品。ORNL开发的检查框架有助于扩大增材制造应用。通过统计验证的质量控制，增材制造可以用于大规模生产汽车零部件等产品。 最小可检测缺陷尺寸的确定性允许更大的设计自由度，RTX雷神技术研究中心增材制造高级首席工程师表示，这一点很重要，因为该行业已经朝着更大的打印量和更快的打印速度迈进，这意味着更多的激光相互作用，可以制造出具有不同类型缺陷的更大零件。该研究团队的愿景是通过所开发的检测手段实现致密材料和大型高度复杂增材制造零件的低成本无损评估。 训练过程 总的来说，研究人员开发了一种机器学习框架，用于使用生产过程中同时收集的传感器数据来识别3D打印产品中的缺陷，从而节省时间和金钱，同时保持与传统后检测相当的准确性。在打印过程中量化这种置信水平的能力是一项新功能，使制造商能够保证使用最常见的金属3D打印工艺创建产品时的安全性和可靠性。接下来，ORNL团队将训练深度学习算法，以更好地区分缺陷类型，并对多种原因造成的缺陷进行分类。 推荐文献：Scalable in situ non-destructive evaluation of additively manufactured components using process monitoring, sensor fusion, and machine learning欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.高性能离不开工艺调整，Nature 3D打印双优综合性能材料研究分析 2.突破：1.6GPa超强钛合金，达到现有所有3D打印金属中最高比强度 3.金属激光增材制造中的激光熔化模式 | 清华大学赵沧教授最新研究 4.【顶刊综述】金属增材制造过程中多尺度缺陷对性能的影响及控制方法

随着5G通讯的到来以及通信系统向毫米波和更高频率的方向发展，天线将被要求具有更高增益、宽带宽和低能耗。3D打印通过逐层堆叠来实现结构复杂零件的制备，从而能够以更便宜、更快和灵活的方式制造任意形状的天线。近期北京理工大学的科研团队综述了目前最先进的不同频率的3D打印天线制造工艺和材料，并讨论了主要的挑战和前景，以深入了解3D打印如何在天线制造中的进一步发展。 1. 介绍 由于在过去十年中人们对更快数据速率的需求不断增加，研究人员一直致力于创建称为5G的新一代通信系统。随着5G的到来，各种设备与环境交互，带有嵌入式传感器的物体数量呈指数级增长。因此，无线通信的主要挑战是开发高性能系统，包括天线。传统通信频段受限且过载，难以提供未来难以预期的数据速率。需要使用更高频率的通信系统，例如毫米波和亚毫米波。这些高频通信系统的限制部分之一是发射器和接收器，其中天线起着至关重要的作用。对于毫米波频段中的通信，天线必须具有高度指向性以减轻在自由空间的衰减。这些要求导致天线结构复杂、高度集成、重量轻和小型化，这给现有制造工艺带来了压力。  图 1 3D打印天线的概要 3D打印技术又称增材制造，以快速成型、成本低、材料利用率高、无需模具等优点，受到工业界和研究界的广泛关注。它是使用逐层堆叠工艺，容易制备复杂形状零件。这些优势展现了3D打印技术满足射频设备要求的潜力，例如毫米波和更高频段的天线。目前已经有多项关于各种类型的3D打印天线的研究，这些天线通常使用金属、聚合物和陶瓷制造。例如透镜、介质谐振器和天线。其中多款天线工作在毫米波频段，增益高，辐射效率好，适用于移动通信、卫星、遥感等领域。这项报导基于材料分类对3D打印天线进行概述，其中包括对不同频率的不同类型天线的比较，如图1所示。 2. 天线3D打印技术 目前已经开发出多种具有不同功能的3D打印技术。其中熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、聚合物喷射（Poly-jets）、选区激光熔化（SLM)和粘合剂喷射(BJ)用于制造天线，这些技术的示意图如图2。最近FDM中采用了一种允许一步打印天线结构的新型材料，是一种商用类型的灯丝，具有比传统灯丝更高的导电性，被称为“Electrifi”。它由一种独特的金属聚合物复合材料组成，主要由无害的可生物降解聚酯和铜制成。聚合物SLA已成功用于高滤波和射频封装应用，然而聚合物SLA在微波频率下有损耗，这使得它们不适合低损耗毫米波的应用。迄今为止，已经使用Poly-jet成功制造了多种类型的电介质天线和电磁带隙结构。Poly-jet是实现毫米波、亚毫米波和THz频率3D打印天线的理想选择。与传统方法相比，Poly-jet能够以更低的成本制造结构复杂的天线，制造过程精确、方便、快捷。此外使用SLM打印的天线具有高致密化、无孔洞和高强度的优点，SLM已广泛用于制造微波天线，BJ制备天线目前还没有太多的报道。 图2 天线3D打印技术示意图  图3 天线的不同3D打印技术的比较 图3比较了天线的不同3D打印技术特性。FDM是聚合物天线制造中最常用的方法，因为它成本低且可直接加工。然而FDM的打印精度低，限制了在毫米波等高频领域的应用。SLA在其他3D打印技术中精度最高，被广泛应用于陶瓷天线的打印。纯金属天线可以通过SLM直接打印，使用导电元件可以减少损耗，从而实现高辐射性能。在某些情况下poly-jet和BJ也被用于生产天线。多样化的打印工艺在生产众多天线系统、推动通信系统的探索以及其他领域的发展方面发挥着关键作用。 3. 不同类型材料3D打印天线 目前热塑性塑料、树脂、陶瓷材料和金属粉末已经被用于制造天线。总体而言3D打印天线按制造所用材料可分为以下几类：1）聚合物天线；2）陶瓷天线；3）直接用导电材料打印或用介电材料打印然后金属化的金属天线；4）复合材料天线，主要是指聚合物基体与陶瓷的结合；5）多材料集成天线，主要是不同部分由导体和介质材料组成的天线。 3D打印聚合物天线，在天线制造中，因为它们比导电材料更容易打印。因此，3D打印是制造透镜等介质天线的最合适方法。透镜天线是一种很有前途的高频和高度定向天线，并且已被证明可以在从微波到毫米波、亚毫米波和THz各种频率范围内所有常见的3D打印工艺制备。此外Luneburg透镜(LL)在雷达和卫星系统中引起了人们的关注，传统LL是一种对称的球面渐变折射率透镜。目前使用Poly-jet已经打印了一个LL原型。图4c是简化的球形LL用聚合物材料打印，采用棒状结构作为晶胞，它的工作频段可以覆盖整个波段。图4d是使用PLA+以低成本为X波段打印了一个额外的宽带圆偏振球形LL。图4f是使用SLA成功打印的LL，图4g是使用计算机数控加工制造的透镜。平面LL通常设计为具有多层的环形结构，如图5所示，它是使用SLA打印的，使用的材料是甲基丙烯酸酯单体、甲基丙烯酸酯低聚物和光引发剂的复合材料。图5d-g是通过具有不同相对介电常数值的五种不同ABS灯丝打印的平面LL（图5e）。与之前的天线不同，平面LL的六层是使用PLA材料通过FDM打印的，如图5h。  图4 Luneburg透镜(LL)的3D打印研究  图5 （a）径向介电常数分布的平面透镜;（b、c）5层穿孔平面透镜示意图;（d、e）平面透镜有五种不同类型的ABS；（f）径向导电常数分布;（g，h）3D打印的平面透镜 除透镜天线外，喇叭也是毫米波和亚毫米波应用的热门天线备用选择。目前已经通过SLM制造铝合金和铜双脊方形喇叭天线，如图6所示。为提高电镀效果，可以在3D打印原型的表面上吸附一层催化活性贵金属。在电镀前100h，将厚度约为6nm的薄金层溅射到聚合物结构的背面作为种子层，图7显示了其中一个制造的原型。铜用于使用各种方法对不同类型的天线进行金属化。除电镀外，铜还可用于以铜漆和铜带的形式对天线进行金属化。例如用尼龙PA 2200打印的天线，被几层铜漆覆盖，如图7c。使用SLA打印波纹锥形喇叭天线，然后涂上导电气溶胶涂层，如图7e所示。使用3D打印制造的天线的后金属化是低成本制造5G天线的有希望的候选方法。使用这种方法制造的微波元件重量轻（与传统生产工艺和金属制造的相同元件相比）。然而这些零件机械降低低。此外，金属涂层聚合物组件不适合在恶劣环境或大功率应用中使用。 图6 3D打印的铝合金和铜双脊方形喇叭;（c）SLM Cu–15Sn锥形喇叭天线;（d） 轴向波纹喇叭;（e，f）DMLS制造的共形天线;（g、h）双分形天线和逆双分形天线;（i）带有导电灯丝的喇叭天线  图7 3D打印的各种镀导电层天线 与聚合物相比，陶瓷材料可以提供更广泛的介电常数和更稳定的机械性能。微波介质陶瓷在微波介质材料中也起着关键作用，图8a-b的天线是由陶瓷材料打印制备的。通过设计3D晶格获得所需有效介电常数。除透镜外，陶瓷材料还可用于打印其他类型的介电天线。例如图8f是使用Al通过3D打印技术制造的高性能陶瓷反射阵列天线。与天线参数值相似的传统金属相比表现出更高的性能并且重量轻。此外与聚合物相比，陶瓷材料具有更广泛的介电常数和更稳定的机械性能，从而确保更容易控制材料性能。多项研究表明陶瓷天线具有出色的辐射性能，随着可打印陶瓷的使用，3D打印天线将变得更为常见。  图8 由陶瓷打印的各种天线 为实现更高的性能指标或更具体的功能，天线的不同部分可以由几种不同的材料组成，包括聚合物、金属、陶瓷和复合材料的组合。例如，由复合材料和聚合物组成的多层天线，如图9所示。此外采用纯金属线，材料的导电性大幅提升。在天线的设计和制造中还会使用多种材料，以实现电磁特性的空间控制和所需的辐射性能。图10显示了不同材料的3D打印天线的比较。很明显与其他天线类型相比，3D打印聚合物天线是最具成本效益的。采用聚合物材料可以实现满足5G通信系统要求的轻量化天线。然而与金属天线相比，聚合物天线的机械性能较弱。通过3D打印制造的金属天线具有很强的机械强度，然而它们的重量大和表面粗糙度高限制了它们在通信系统中的高频应用。与全金属天线相比，3D打印后通过金属化制造的金属天线具有显着降低的材料成本和重量优势。然而，它们机械不高，不适合在恶劣环境或大功率应用中使用。陶瓷材料提供比聚合物材料更宽范围的介电常数和更稳定的机械性能。通过新颖的天线设计和高介电常数材料的组合，天线的小型化是可行的。 图9 由复合材料和聚合物组成的多层介电棒天线  图10 3D打印天线与不同材料的比较 4. 挑战与展望 在天线设计和制造中，需要考虑用于构建结构的材料，由材料决定的电磁特性对于天线的性能至关重要。因此需要开发具有所需电磁特性的材料。图11显示了介电常数较高的材料对减小天线尺寸的重要性。图12显示了3D打印天线的挑战和前景，通过材料开发和结构控制构建整体天线系统。全3D打印和一体式3D打印可以降低天线制备的复杂性，可以满足天线结构复杂、集成度高、重量轻、小型化的要求。此外可以实现高增益、宽带宽、良好辐射效率和可靠辐射的5G天线。  图11 介电常数较高的材料对减小天线尺寸的重要性  图12 3D打印天线的挑战和前景 5. 结论 总之，目前已经开展了不同材料分类的各种频段的3D打印天线研究，包括3D打印聚合物天线、金属天线、陶瓷天线、复合天线和多材料集成天线。根据成本和重量等因素权衡了所有类型天线的优缺点。此外详细阐述了适用于天线的3D打印技术。最后探讨并提出了3D打印天线的进一步发展方向，以实现完整且功能齐全的天线和微波系统。 推荐：https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100065 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 2.2022年 | 国内外20余款重量级金属3D打印新设备看点 3.五千余字：从德国Formnext展，看3D打印技术的十个最新发展态势 4.盘点：2022年值得关注的3D打印新材料、新工艺和新应用突破

3D打印技术的进步已经产生了越来越强大的能力，可以生产使用传统制造工艺无法制造的复杂结构。然而，将不同的材料无缝集成到一个高分辨率的3D打印工艺中仍然充满挑战，特别是对于具有不同特性的材料。《自然》杂志于11月15日刊登了一篇论文，报告一个3D打印平台，可以使用强大的机器视觉系统获取有关正在构建的物体的拓扑信息，从而实时快速调整其打印参数。这种方法被作者称为视觉控制喷射，它扩展了可用于喷墨3D打印的材料组合，为制造复杂多材料结构和高吞吐量制造开辟了道路。 3D打印的增材制造特性为优化打印结构提供了机会，通过在微观层面上对材料的特性进行编程或调节，例如，通过调整加工条件或集成其他材料。在过去的几年里，机器视觉和人工智能还被纳入到3D打印流程中，以感知和适应打印环境，从而实现打印优化过程的自动化。 材料喷射是一类3D打印工艺，可用于以微米级分辨率制造多材料结构。它的工作原理是通过成百上千个可单独控制的喷嘴打印液态树脂材料。在最常见的机器喷射类型中，沉积的树脂在用紫外线照射时会固化，因此可以逐层构建3D物体。 材料喷射的一个局限性是，由于可变流速引起的液滴体积的内在变化、来自单个喷嘴的喷射液滴之间的干扰以及固化的液滴的收缩，每个打印层的厚度并不完全均匀。如果不进行调整，任何不规则性都会与后续打印层中的不规则性叠加，这可能导致最终零件出现缺陷并最终打印失败。因此，需要一种称为机械平坦化的过程，在该过程中，刮刀或滚筒在打印下一层之前将打印特征平整到其预期厚度。然而，机械平坦化限制了可以打印的材料范围，因为只能使用与刮刀或滚筒兼容的材料，从而阻止了许多具有更适合消费品和工业产品的特性的聚合物的使用。 机器视觉如何防止3D打印失败：a.材料喷射的3D打印过程中打印层并不完全均匀，任何不规则性都可能堆积起来，导致最终物体出现缺陷。使用机器视觉系统（包括四个摄像头和两个激光源）来解决这个问题，该系统扫描每一层的表面，绘制出不规则性；b.然后打印机沉积额外的树脂以填充间隙；c.这会产生一个光滑的表面，可以在该表面上打印下一层。 为了解决这个问题，苏黎世联邦理工学院和美国Inkbit公司合作，开发了一种材料喷射3D打印机，该打印机集成了由四个摄像头和两个激光源组成的机器视觉系统，用于扫描打印层的轮廓。这种非接触式扫描以微尺度分辨率（体积低至 64μm×32μm×8μm）获取拓扑信息。这并不是机器视觉集成到材料喷射3D打印机中的第一个例子，但作者定制的系统扫描速度比此前使用的系统快660 倍，系统的图形处理单元在不到一秒的时间内分析拓扑信息。然后将扫描的轮廓与所需结构的计算机模型进行比较，并调整后续层的墨水量以补偿与模型的偏差。   a.3D打印设备结构。构建板在固定式喷墨、固化和扫描仪单元下方移动。多材料对象是逐层打印的。对于每一层，喷墨单元都会沉积墨滴。UV固化装置诱导喷射材料聚合。扫描单元在构建板上记录沉积层的高度图；b.要打印的复杂物体数字3D模型。用于该物体的不同材料是用颜色编码的；c.分层图示，打印机的切片软件根据对象的3D模型和所需的支撑结构（以灰色显示）创建这些位图图层；d.基于视觉的闭环反馈控制的可视化。位图图层将发送到打印机，在沉积每一层之前，扫描单元会扫描构建板的表面和其上的材料，从而创建高度图。然后，控制系统修改位图层以补偿前一层的不平整表面，然后沉积补偿层。这种补偿确保了以非接触方式运行；e.去除支撑材料后打印物体 这种反馈系统消除了对机械平坦化的需要，允许使用原本与材料喷射不相容的树脂。作者证明了他们的平台可以打印某些类型的工程级聚合物。此外，该工艺允许使用易去除的支撑材料（如蜡，只需要溶解），这是生产复杂特征时所需要的。令人印象深刻的是，结构复杂的多材料结构可以实现高分辨率（体素尺寸为32μm×64μm× 20μm;体素或体积像素是3D打印物体中最小的可区分元素）和高吞吐量（24×109每小时体素）打印，与目前市售的喷墨3D打印机相当。 作为概念证明，研究人员3D打印了由刚性承重芯和柔软可弯曲外壳组成的肌腱驱动手。这种结构可以用气动驱动，以响应施加在指尖的压力来抓取物体。他们还证明，手可以响应感知到的压力而做出抓握动作。 3D打印的机械手 使用类似的设计，作者构建了一个可以移动、感知和抓取物体的多功能机器人。 3D打印后可工作的抓取机器人 研究人员还建造了一种类似于生物心脏的流体泵。该结构与单向阀、腔室、膜和导管集成在一起，可产生高达每分钟2.3升的流速。仿生泵的泵送周期由进入执行室的空气流入和流出来控制。驱动室压力的循环变化反复使驱动膜变形，进而导致预期的液体流动。多材料阀门的机构设计灵感来自大自然，并在软质和刚性材料的布置和特征尺寸方面进行了进一步优化。类似的泵设计只能通过单个部件的铸造或注塑成型来实现，这两者都涉及耗时且劳动密集型的组装。 功能性心脏泵，在单个过程实现 在另一个例子中，作者打印了超材料。超材料在刚度和重量方面可以进行各种权衡，性能超越传统材料。但传统的超材料由单一材料构成，如能将具有不同特性的材料结合在一起，复合材料系统可以带来更广泛的应用领域。基于所开发的3D打印平台，研究人员打印了一系列桁架状超材料。通过精确调节桁架状超材料的软链接和刚性节点的尺寸，他们可以调整超材料在压缩下的力学响应。 3D打印的桁架超材料 总的来说，研究人员开发了一种自动化、高吞吐量的方法，可在单一制造工艺中制造高分辨率、耐用的多材料功能系统。结果表明，这种新的打印方法可以创建具有集成传感和驱动通道的复杂多材料功能机器人。该打印机的高分辨率、速度和广泛的材料特性使一组新的混合软刚性机器人制造成为可能。打印机可以使用更广泛的材料化学成分，从而能够构建功能性和持久性的材料。这种非接触式打印方法可以创建几乎任何内部结构的几何形状，如内腔、3D流体流道、肌腱导向器和压力传感线。在设计中自由控制软质和刚性材料在体素级别的放置方式，可以大大提高打印多材料系统的功能和性能。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.碳化硅陶瓷间接3D打印：不同烧结工艺制备的异同 2.干货分享：间接陶瓷增材制造裂纹的形态、产生原因及应对策略 3.北理工：短碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料增材制造 4.3D打印+粉末冶金，打开碳化硅反射镜轻量一体化制造大门

对于粉末床激光熔融（LPBF）工艺，打印后的热处理通常是调节零件微观结构和性能的重要步骤。增材制造技术前沿注意到，西工大凝固加工国家重点实验室于近期发表了一项研究，采用一种新的原位重熔策略，无需热处理即可在打印过程中定制微观结构，因此可在不牺牲延展性的情况下有效提高强度。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103443 对于金属3D打印的零件，为了进一步调节机械性能，通常需要对零件进行热等静压 (HIP) 等热处理。例如，基于高温高压条件的热等静压可以减少甚至消除增材制造零件内部的孔隙或微裂纹，从而提高机械性能，尤其是延展性和韧性。同时，增材制造零件的热处理通常需要消除内应力，恢复所需的延展性和韧性，改变磁导率, 或对沉淀强化材料实现固溶强化和进一步沉淀强化, 但对大多数金属材料仍无法减少缺陷。虽然这些处理能够在一定程度上优化LPBF制造部件的性能，但由于温度升高，打印态的分层微观结构消失了，特别是对于固溶强化和沉淀-强化材料以保持均匀和过饱和的基质，这也可能导致异常晶粒生长。异常的晶粒生长会导致晶粒粗大，当晶粒尺寸超过某个阈值时延展性会严重下降。同时，增材制造零件特有的分层异质微观结构，包括柱状晶粒、熔化边界、低角度晶界和高密度位错，有助于提高强度而不会明显损失延展性，它们的消失会降低相应的强化效果。 原位热处理，也即在打印过程中实施，已经成为当前研究的热点。利用LPBF的逐点沉积特性，研究人员通过创新设计和操纵打印过程来实现对凝固条件的特定控制，从而实现对微观结构演变的控制，力图不需要进行额外的热处理。有研究人员设计了一种双通道激光处理，以同时修复打印后的低碳马氏体钢中的凝固裂纹，减少化学偏析并诱导有利相。也有研究人员通过适当调节沉积参数，促进沉积过程中的固有热处理，在选择性激光熔化的商用纯钛中实现了柱状到等轴的控制和原位晶粒细化。通过新的扫描策略，也可原位操纵微观结构和机械性能演化，例如打印出的具有受控梯度晶体结构和特定位置异质微结构的316 L不锈钢，展示了采用3D打印创建功能梯度材料和定制性能的潜力。 受上述工作的启发，西工大的研究人员提出了一种原位重熔策略，用于调整NiCoCr中熵合金在LPBF打印过程中的熔池和微观结构，以进一步增强强度-延展性协同作用。NiCoCr已被证实在室温和低温下具有更好的机械性能组合，这归因于其固有的低堆垛层错、早期缠绕优点和化学短程有序效应。通常，通过控制激光功率和扫描速度等沉积参数来改变熔池并优化沉积质量，而由于能量不足或过多，在大范围的激光能量输入下很容易形成未融合或小孔。研究人员使用新颖的原位重熔策略来控制熔池的几何形状并保证不会形成匙孔。同时，原位重熔工艺不仅在不牺牲异质微观结构的情况下有效实现了微观结构致密化和晶粒细化，而且在LPBF重熔NiCoCr合金中形成了独特的晶体层状织构并增加了位错密度，从而在不牺牲延展性的情况下显著提高了强度。借助多学科表征技术，系统研究和揭示了由额外激光重熔过程引起的潜在微观结构演变以及相应的强化和韧性机制。 NiCoCr材料和打印策略 不同加工条件下的性能对比  LPBFed和LPBF重熔NiCoCr试样及其常规再结晶对应物的OM微观结构 拉伸变形后常规再结晶、LPBFed和LPBF重熔 NiCoCr MEA 的EBSD表征 总的来说，原位重熔处理不仅改变了熔池几何形状，有利于优化致密化和形成独特的晶体层状微观结构，而且还促进了制造过程中固有的热变形和热处理，从而增加了打印过程中的位错密度和晶粒细化。这项工作为金属3D打印提出了一种新的工艺策略，无需额外热处理即可定制微观结构来增强机械性能。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.1.5GPa！西工大激光增材制造SiC增强共晶高熵合金复合材料 2.西工大：SLM激光直接3D打印陶瓷裂纹形成机制研究 3.西工大黄卫东教授团队：3D打印稀土金属氧化物增强镍基高温合金 4.西工大黄卫东、林鑫教授团队：3D打印Al-Si合金工艺–组织–性能量化关系研究

日前，西北工业大学联合日本大阪大学在激光选区熔化（SLM）制备铝基复合材料领域取得新突破，采用SiC纳米颗粒增强铝基材料，在SLM过程中原位生成纳米Si颗粒和Al4C3纳米相，使得材料延展性和强度有了大幅度同步提升。相关研究成果发表于材料科学领域顶级期刊《Materials Science and Engineering: A》（中科院1区Top期刊），西北工业大学的李金山和陈彪教授为论文通讯作者，日本大阪大学焊接研究所的研究人员参与工作。这项研究工作得到了国家自然科学基金(52071269;51901183)和重庆自然科学基金(CSTB2022NSCQ-MSX0945;cstc2021jcyj-jqX0032)等项目的资助。 原文链接:https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144552 铝及其合金因其低成本、低密度、高比强度、高导热性和优异的耐腐蚀性而备受关注，是用途最多、最经济和最具吸引力的金属材料。截至目前，铝合金在结构材料中的应用量仅次于钢。与钢相比它的强度相对较低，因此铝合金的应用被大幅限制。 通过添加强化颗粒制备复合材料是提高铝合金强度最有效的方法之一。然而大多研究表明通过添加颗粒强化铝合金通常会造成延展性的严重降低，限制了高性能铝基复合材料的发展。铝基复合材料延展性的降低诱因很多，如强化团聚、强化相与基体结合不良等。然而，在铝及铝合金中增强颗粒主要位于晶界和初级粉末边界，这加剧了应力集中并导致在变形过程中的早期断裂。 为避免这一问题，研究者提出在选区激光熔化（SLM）过程中通过化学反应原位实现铝基复合材料中纳米增强相在材料晶粒内部的强化。因此研究人员选择SiC纳米颗粒作为增强材料，以促进它和Al的原位反应。对复合材料的微观结构和力学性能与放电等离子烧结（SPS）制备的复合材料进行对比。 实验原料采用SiC纳米颗粒（60nm）和Al粉末（15-53μm），按照不同的体积比例进行均匀混合，SiC含量分别为0.2%、0.4%、0.6%。分别采用SLM和SPS工艺进行样品制备。SPS制备样品是在5Pa的真空状态下进行，烧结温度为530℃，30分钟的保温时间。同时采用相同的工艺参数分别制备了纯Al样品。对它们进行拉伸性能及微观组织的测试。图1是SPS和SLM制备的SiC/Al复合材料示意图以及变形过程中微观组织结构的形成。 图1 SPS和SLM制备SiC/Al复合材料示意图以及变形过程中微观组织结构形成和与位错相互作用方面的差异 研究结果发现通过SPS制备的复合材料中只有一个SiC峰。主要因为SPS是固相烧结，因此SiC纳米颗粒保留在SiC/Al复合材料中。相比之下SLM制备的复合材料中没有SiC峰，相反存在Si峰和Al4C3峰，因此在SLM过程中引入的SiC纳米颗粒与熔池中的Al反应生成Si和Al4C3。TEM表明SiC纳米颗粒保留在SPS-0.6SiC/Al的原始粉末边界，尺寸与原始SiC纳米颗粒的尺寸相似。SLM-0.6SiC/Al中的Al晶粒内部存在大量纳米颗粒（~28nm）。根据HRTEM图像中显示的特征晶格条纹，这些纳米颗粒是Si颗粒。此外还存在一些棒状结构，通过快速傅里叶变换表明为Al4C3纳米相，TEM分析与拉曼光谱分析结果一致（图2和3）。 图2 通过SLM和SPS制备的0.6SiC/Al复合材料的拉曼光谱SPS制备的样品呈现等轴晶粒，晶粒尺寸大致相似，这在SPS材料中很常见（图3a-d）。相比之下，SLM样品表现出完全不同的晶粒形貌（图3e-n）。在垂直于建造方向的表面，SLM-Al的微观结构由许多环形特征组成，随着SiC添加量的增加，这些特征越来越不明显。添加的SiC纳米颗粒扰乱了凝固特性，因此抑制了环状组织形成。另一方面，所有SLM样品表面都呈现与打印方向平行的柱状晶粒。值得注意的是由于与打印方向平行的表面具有拉长的晶粒形貌，因此这个平面的平均晶粒尺寸难以统计，垂直于打印方向的表面平均晶粒尺寸大致相似约9~10μm（图3）。图3 通过（a-d）SPS和（e-n）SLM制备的样品EBSD图像：（a，e，j）纯铝；（b、f、k）0.2SiC/Al；（c、g、m）0.4SiC/Al；（d，h，n）0.6SiC/Al。GS代表晶粒尺寸   图4 （a-b）SPS和（c-f）SLM制备的0.6SiC/Al复合材料TEM图像，（b，d）分别为a和c中黄色方框中的HRTEM图像。（f）e中黄色方框中的快速傅里叶变换（FFT）图像。PPB代表原始粉末边界   SiC/Al复合材料和纯铝的拉伸应力-应变曲线表明了SPS样品比SLM样品表现出更好的延展性。通过SPS制备的样品随着强度的提升延展性呈现下降趋势。而通过SLM制备的SiC/Al复合材料中不存在这种关系，强度和延展性都随着SiC增强相数量的增加而增加。以SLM-0.6SiC/Al为例，与SLM-Al相比，强度和延性分别提高了53%和19%。另一方面，SPS-0.6SiC/Al的强化效果仅为13%，并且延展性降低了30%。总的来说与SPS工艺相比，SLM制备的复合材料中纳米增强相的引入不仅提升了材料的延展性，而且提供了更高的强化效果（图5）。这项研究工作与已发表的研究工作相比，强化效率得到大幅度提升，其中空心符号和实心符号分别表示用陶瓷颗粒和纳米碳材料增强的铝基复合材料（图6）。 图5 （a）SPS和（b）SLM制备样品的拉伸应力-应变曲线 图6 这项工作与已发表工作的强化效率比较，HE、HP、HPT、HR分别代表热挤压、热压、高压扭转和热轧总之在SLM制备SiC/Al复合材料过程中，SiC纳米颗粒在熔池中与Al反应，原位生成纳米相（Si和Al4C3）。生成的Si和Al4C3都位于Al晶粒内部，这些晶粒内的纳米相不仅有效地增强复合材料强度，而且赋予复合材料更高的延展性。与SLM制备纯铝相比，SLM-0.6SiC/Al的强度强化效果可以提升53%，延展性提升19%。这项研究为避免铝基复合材料的延展性降低提供了一种新的策略。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.SLM 3D打印机内部集成机械臂，实现多材料及功能部件制造 2.多校联合：通过SLM技术直接制备高抗拉强度和优异延展性的Mg合金 3.上海交大&香港城大：3D打印铝合金疲劳强度突破纪录 4.墨尔本理工：提高3D打印空心支柱金属晶格结构强度的方法

LPBF类激光增材制造技术使用金属粉末为原料，其激光热源通常由一套光学系统控制，经透镜会聚和振镜反射，选择性地扫描预先铺好的粉床并熔化/烧结材料。为防止氧化和潮湿等污染，供粉、加工、回收等系统通常被保护在一个密闭的气舱内，保护气体循环流动、带走飞溅烟尘，同时持续从外界补充保护气体，保持舱内正压环境以避免空气渗入。LPBF技术的特点为活性保护气氛的应用提供了适宜的环境———较薄的打印层厚、较小的熔池，以及环绕粉末原料的、成分与温度均较为稳定的气氛场。 活性气氛在LPBF中的初期应用源自“无心插柳”———空气的污染。波兰研究者于2016年注意到，在密闭情况不佳、残余O2体积分数为0.2%~0.4%的环境下成型的纯Ti，其抗拉强度最大可达840MPa，明显高于此前在高纯度Ar气保护下成型的纯Ti(最高抗拉强度为700MPa)。基于O对Ti的间隙固溶强化作用，有研究人员猜测纯Ti强度的提升来自保护气氛中活性成分的污染，但未作进一步的研究。2018年，南方科技大学的研究者以纯Ti为原料，N2为气态活性成分，通过精确控制Ar-N2复合气氛的成分配比和打印参数，成功实现了纯Ti的大幅度强韧化。纯Ti块体成型后无需任何后处理即可达到797MPa的屈服强度、1014MPa的抗拉强度、约18%的断裂延伸率，其强度较普通纯Ar气氛中成型的试样提升了40%~50%，综合力学性能甚至超过了锻态Ti-6Al-4V合金。该工作解决了此前由LMD等技术制造的气氛强化金属材料或强化不足，或过于硬脆的问题，为公开报道的首个具有优越拉伸性能的活性气氛强化激光增材制造案例。 在Ar-N2复合活性气氛保护下LPBF成型的纯Ti。(a)激光参数相同、保护气氛不同时,纯Ti中缺陷的形貌对比;(b)纯Ti中N、O、C元素分布的三维原子探针分析———一维线性分布与N原子最近邻分布(GB为晶界,蓝色区域为最近邻分析区) 如图所示，体积分数较大的N2可造成试样中缺陷数量、体积的增加并诱发形成不规则的孔洞，进而影响打印精度与产品质量；不过，通过设置合理的打印参数，依然可以在较大的工艺窗口内形成缺陷少、成分均匀的Ti-N间隙固溶体，进而人为调节气氛以强化纯Ti的强度、塑性、硬度等性能。研究表明，LPBF打印过程中N元素首先以间隙固溶与TiN、TiN0.3化合物等状态进入Ti基体内，随后在多层材料沉积的重熔与加热循环中逐渐均匀固溶化。此外，该研究发现Ar-N2活性气氛具有细化纯Ti晶粒的作用，并提供了以激光体能量密度、保护气中N2体积分数，以及纯Ti中N、O、C含量为变量的经验公式，可从工艺参数和成分组织两个角度出发，较好地预测和控制材料的拉伸性能。 Ar-CH4复合活性气氛保护下LPBF成型的Ti-6Al4V+TiC复合材料的显微组织与性能。(a)透射电子显微(TEM)图像与X光电子能谱(EDS)测试区域;(b)~(f)C、Ti、Al、V元素的EDS成分分布图;(g)~(k)TiC纳米颗粒的高分辨TEM图像与快速傅里叶变换(FFT)花样;(l)Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4V+TiC材料的HV硬度;(m)三种材料的室温单轴压缩性 受上述早期研究启发，纯Ti与钛合金材料在近两年内迅速展现出其在含N气氛中进行LPBF原位强化的巨大潜力。上海大学的研究者应用Ar-5%N2(5%为N2的体积分数，下同)复合气氛，利用N原子在细小针状马氏体组织内的固溶强化效果，将Ti-6Al-4V合金的抗拉强度提升至1400MPa以上，同时依然保持6%左右的断裂延伸率。有趣的是，N2的引入并没有对Ti-6Al-4V造成马氏体晶粒细化效果，反而促进了材料中孪晶比例的增长。这可能是由材料本身晶粒细小(平均直径约为1μm)，且强化后屈服强度高达1300MPa以上，孪晶生成驱动力大幅提升造成的。在固溶强化之外，利用气氛反应实现Ti-N化合物的第二相强化也有多个成功案例。重庆智能技术研究院的研究者采用不同体积分数的Ar-N2复合气氛，在LPBF成型的Ti-6Al-4V合金中诱导生成了不同体积分数的TiN、AlN沉淀相；随着气氛中N2体积分数的上升，体积较大的氮化物颗粒比例也逐渐提高，硬度由约370HV提升至500HV以上，压缩屈服强度由1025MPa提升至1721MPa。沉淀相给Ti-6Al-4V合金带来了明显的强硬化效果，并具有固溶强化所欠缺的、提高材料弹性模量的能力。不过，由于TiN、AlN等沉淀相的弹性模量与基体金属差别较大，当沉淀晶粒体积过大、占比过高时，易成为变形时的裂纹源，使得此类金属基复合材料的塑性急剧下跌。 在含N气氛的诸多成功应用之后，含C气氛也被用于LPBF原位制造Ti-6Al-4V基复合材料。该研究采用Ar-CH4复合活性保护气氛，原位生成纳米级TiC颗粒并均匀地分布在Ti-6Al-4V基体内，成功克服了传统纳米沉淀颗粒易团聚的问题；并且TiC颗粒的生成量、复合材料的力学性能均可通过调节保护气体中CH4的比例来灵活调控。此工作将TiC颗粒的弥散、均匀分布归功于活性气体与金属的充分接触以及LPBF熔池中活跃的Marangoni流等扰动作用。针状与颗粒状的TiC沉淀尺寸细小，且和α-Ti基体的界面结合紧密、洁净无氧化物，界面晶格畸变程度也较低。上述Ti-6Al-4V+TiC复合材料具有优异的硬度、强度及塑性，在CH4体积分数分别为11.5%和23%的气氛下成型的材料均具有高于原始Ti-6Al-4V的强度与压缩变形能力。研究者推测该材料塑性的增强来源于纳米TiC颗粒在变形时对于晶界运动的促进，沉淀相在钉扎位错的同时使得晶界处变形更加均匀，综合地提高了材料的力学性能。 Ar-O2、Ar-N2复合活性气氛保护下LPBF成型的316L不锈钢(TS为抗拉强度,YS为屈服强度,Elong为断裂延伸率,IE为夏比冲击吸收功)。(a)Ar-O2气氛中成型试样的力学性能;(b)Ar-N2气氛中成型试样的力学性能;(c)Ar-O2气氛中成型试样中的氧化物颗粒;(d)Ar-N2气氛中成型试样中的氮化物颗粒 作为仅次于304的、全球使用量第二高的不锈钢材料，316L不锈钢具有优异的塑性和耐腐蚀性能，但比强度不足一直限制着其更广泛的应用。因此，通过LPBF原位强化316L成为领域内长期关注的研究热点。2019年，瑞典研究者观察到LPBF加工316L时保护气氛中的O含量会随着打印的进行而逐步下降，并据此推测在气氛中引入O2可以原位氧化316L并提高其强度。该研究采用O2体积分数为800ppm(即800×10-6)的保护气氛在316L样品中诱发形成了氧化物颗粒，但材料的拉伸力学性能并未产生明显变化；O的引入还带来了样品侧表面粗糙度的少许上升(粗糙度Sa由5.23μm升至5.63μm)。同时，该研究证明了即使采用纯N2保护LPBF加工区域，亦仅能使加工后材料的含N量(体积分数)上升约50×10-6。上述结果表明O2、N2等活性气氛在熔化-凝固过程中与钢铁材料的反应速率有限，难以取得类似对Ti基材料的快速、强效原位合金化效果。但是，该研究发现316L粉末在反复使用过程中可发生明显的表面氧化/氮化，为采用活性气氛处理钢铁类原料粉末的技术路线作出了有价值的铺垫。 虽然含N2气氛在LPBF打印钢铁材料时的改性作用尚不明显，但是在代表性的高熵合金CoCrFeMnNi中展现出显著的强韧化作用。深圳大学的研究者在Ar-50%N2活性气氛中打印的CoCrFeMnNi样品内部发现了大尺寸跨距的位错胞结构以及短程有序的含N固溶体微区。这类细小的位错胞结构和有序固溶体微区不仅可以阻碍位错的移动，还能促进大小不同的晶粒之间达成均匀形变，使更多的滑移系开动，最终使材料的强度和延伸率同步提高。活性气氛在该研究中表现出诱导短程有序固溶体微区和纳米级位错胞这两种新颖微观结构的能力，成功将其改性作用拓展至高熵合金这一金属领域的热点材料。 Ar-O2复合活性气氛保护下LPBF成型的AlCu5MnCdVA合金TEM显微图像。(a)(b)高、低O2气氛中成型试样的内部氧化物颗粒;(c)(d)纳米氧化物颗粒的高倍显微与选区电子衍射(SAED)花样定性 铝合金是钢铁、钛合金之外的另一类主流金属结构材料，普遍具有较强的化学活性，因此被认为拥有在LPBF打印中与活性气氛反应的潜力。2014年澳大利亚与中国研究者比较了Al-12Si合金在纯Ar、纯He、纯N2气氛中成型的性能区别，结果显示LPBF加工的高温区时长太短，材料几乎无法和N2有效反应，气氛提供的增强增塑效果微乎其微。之后，印度研究者比较了AlSi10Mg合金在纯Ar与纯N2中成型的区别，发现在纯N2中打印的试样具有更为光滑的表面以及略高过纯Ar中打印试样的强度和塑性，但力学性能提升幅度仅为5%左右。中国研究者在近期发表了相似的研究成果，指出采用纯N2保护打印的AlSi10Mg合金可以获得一定的N元素固溶强化效果；通过单层多次重熔LPBF工艺可增加N元素的溶入量并提升材料的致密度和塑性，但会导致屈服强度下降。亦有文献报道了AlCu5MnCdVA合金在保护气氛含有微量O时即可原位生成Al2O3、Al2CuO4等纳米氧化物，但该类沉淀相对材料塑性产生较大危害且几无强化作用；打印样品上表面的平均粗糙度由低氧环境下的8.79μm大幅升高至高氧环境下的17.43μm。当前主流牌号铝合金的LPBF成型与活性保护气氛的应用研究均处于起步阶段，性能提升的空间尚有待进一步发掘。 总体而言，LPBF类LAM技术通常具有稳定的密闭气舱工作环境，舱内气体储量较大且金属沉积速率比LMD类技术低，因此加工时活性保护气氛与金属材料可以更加稳定且充分地反应。密闭气舱也为活性气氛的多样化选择提供了便利，使CH4等易燃或有毒气体的使用成为可能。气氛-金属原位反应可能会对产品的表面粗糙度与成型精度造成影响，但可通过对气氛成分与工艺参数的优化获得理想的结果。综上，LPBF类技术更加适用于需要精确调控气氛及其作用效果的打印场景。该技术具有广泛的材料与气氛适用范围，虽然起步较LMD类技术略晚，但已成为目前发展最为成熟、成功应用案例最多的活性气氛LAM技术。  本文内容摘自：活性气氛对金属材料激光增材制造的作用机制，中国激光；作者： 王大为博士， 严明博士 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.金属SLM无支撑3D打印：国内5家企业有突破 2.解析Velo3D和EOS的SLM无支撑金属3D打印解决方案 3.9900万美元！英伟达联合领投区域金属3D打印厂商Seurat 4.光束整形技术对提高金属3D打印质量、获得定制组织、降低成本具有重要价值

薄壁结构在物理和工程的许多领域都有应用。激光粉末床熔融(LB-PBF) 能够制造自由形状，可以在单个生产步骤中轻松打印薄壁结构。然而，由于此类结构的特性以及侧面热应力的相互作用，出现裂纹和变形等缺陷的可能性很高。 铝合金在许多高价值LB-PBF应用中的使用越来越广泛。在候选的LB-PBF铝合金中，AlSi10Mg具有优异的机械和热性能，例如高强度重量比和高热扩散率。AlSi10Mg广泛应用于航空航天和汽车工业，用于生产散热器、外壳和进气歧管。这些高价值组件具有复杂的几何特征，例如薄平面壁、晶格单元和曲面，需要仔细的设计。AlSi10Mg的机械各向异性是构建方向的函数，在使用此方法进行组件设计期间需要考虑这一点。   薄壁结构的潜在工程应用包括：(a) 喷气发动机壳体，(b) 喷气发动机部件，(c) 涡轮泵排气出口，(d) 燃气轮机仪表化凸轮喷嘴 来自皇家墨尔本理工大学工程学院、澳大利亚科学技术研究、荷兰恩斯赫德特文特大学、弗劳恩霍夫先进制造创新平台以及迪肯大学工程学院的研究人员共同研究了激光功率、倾角和激光扫描次数对LB-PBF制备的薄壁结构尺寸（厚度）偏差、畸变和孔隙率的影响。 https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110814 （A）300W激光功率（B）400W激光功率显示激光功率对熔池宽度的变化可忽略不计 (A 和 B)粉末床和裸露基材上的温度分布，(C) 测量厚度和尺寸偏差的主效应图 研究上述参数有助于确定LB-PBF工艺打印AlSi10Mg薄壁结构的能力以及这些结构的可制造性。为了确定倾角、激光扫描次数和激光功率对尺寸偏差、变形和孔隙率的影响，进行全因子实验设计。为了讨论结果，进行了统计分析和模拟。使用计算流体动力学模拟了熔池的深度和宽度，然后根据薄壁的厚度对获得的熔轨尺寸进行分析以确认模拟的准确性。根据模拟结果对LB-PBF工艺在 薄壁结构打印生产中的相关流变特性进行了表征和讨论。  (A–C) 基材上矩形管和喇叭形状的打印样品和俯视图，(D,E) 用于检查打印可行性的喇叭样品 (F) CAD 模型 在该研究中，首次以不同的倾角和激光通过次数对薄壁表面进行了经过实验验证的模拟和实验，以确定这些控制因素对尺寸偏差、变形和孔隙率的影响。薄壁结构的熔池现象通过材料的基本流变学方面和热物理性质来识别。针对这些感兴趣的条件对可制造性和孔隙率进行了量化，从而为薄壁结构在的3D打印应用提供了基本的现象学见解与实际设计数据。 由于这些结构的薄壁特性，特别是在使用传统制造工艺时，薄壁零件的生产很困难，例如需要半精加工和精加工各个步骤的机械加工。在本研究中，研究了 LB-PBF打印薄壁零件的可行性并确定了可能的缺陷。对上述缺陷的控制因素进行了表征，并为了找到缺陷的潜在物理现象，对单次、三次和五次激光通过进行了可制造性模拟。综合讨论了激光功率、激光通过次数和倾斜角度对尺寸偏差、畸变和孔隙率的影响。所提出的结果有助于确定LB-PBF工艺生产AlSi10Mg薄壁零件的能力。为此，选择了全析因实验设计，实施了不同的统计分析，如多元方差分析和主效应图。通过与实验测量进行比较，验证了熔迹模拟。确定了薄壁零件生产中LB-PBF过程的相关流变特性，并用于表征构建角度、激光功率和激光通过次数的影响。结果总结如下： • 主效应分析表明，通过增加构建角度和激光功率，厚度和尺寸偏差会增加。然而，发现激光功率在主效应图中的斜率较小，这被证明对厚度无关紧要。根据多元方差分析，发现激光通过次数和构建角度对薄壁零件的厚度和尺寸偏差影响最大。 • 主效应和P值分析表明，激光功率和构建角度对于横向变形来说是无关紧要的因素。相反，激光通过的次数显着驱动横向变形。 这项研究还表明，所研究的独立参数驱动薄壁零件侧面的开孔和闭孔孔隙率。统计分析表明，激光通过的次数显著改变了闭孔率的百分比。还发现构建角度是开孔和闭孔百分比的重要因素。在低倾角和单次激光通过的样品中，孔隙率明显最高，这表明在这些条件下材料并未完全熔合。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.金属SLM无支撑3D打印：国内5家企业有突破 2.解析Velo3D和EOS的SLM无支撑金属3D打印解决方案 3.ASTM 3D打印材料数据和标准化联盟介绍 4.52页下载！首份中文版增材制造设计手册(晶格、拓扑结构等全面指导)

光束整形在金属3D打印领域偶有提及，关注不多。但知名的研究机构如德国Fraunhofer IAPT以及美国LLNL国家实验室均在该技术领域进行着深入研究，甚至已经有打印机制造商的参与。金属3D打印要成为重要的工业化生产技术，必须稳定可靠，而多方均已认识到光束整形对于金属增材制造的价值。 Fraunhofer IAPT的光束整形研究可将金属增材制造生产率提高2.5倍，并将工艺稳定性提高40%。该机构的负责人表示，光束整形技术能够实现最佳的熔池能量输入。实际上3D打印技术参考此前也报道过，另一家知名的研究机构劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员也在探索高功率激光打印中常用的高斯光束的替代形状，以规避打印过程中出现的缺陷，颜永年教授也曾在演讲中提到过该技术。 01什么是金属增材制造的光束整形？ L-PBF技术当前所使用的光斑呈现高斯分布，但这种光束的能量分布并不完美。高斯分布是指根据高斯函数形成的分布或曲线，通常称为正态分布或钟形曲线。高斯函数的形状是对称的，许多激光器在能量强度分布方面都符合这种分布。 高斯分布导致能量分布不均匀，因中间能量过多，一些低熔点合金元素会发生汽化，这会造成“熔池行为不稳定”并损害工艺的稳定性。同时，高斯分布的外边界通常能量不足，导致熔化不彻底。在L-PBF 3D打印过程中使用高斯光束，会导致激光与金属粉末相遇处产生较大的温度梯度和复杂的熔池不稳定性，产生强烈的蒸气，并在构建过程中在金属基底中形成一个深腔，即形成钥匙孔。匙孔会在熔池中产生气泡，形成气孔，导致成品零件的机械性能下降。不同激光形状的温度分布以及所得横截面 在这种本身就不稳定的情况下，去优化工艺，本身就充斥着各种不确定性。平顶轮廓被认为可以解决这些问题，但这带来了热量不均匀的挑战。Fraunhofer IAPT则引如了“环形轮廓”的想法，它可以实现更一致的温度分布。实验证明，光束整形可以增强“工艺稳定性”并显著提高生产率。 激光束轮廓与相应应用的匹配越高，能量输入和相关工艺稳定性就越好。这最终会带来更高的工艺效率和生产率，并降低制造成本。 02为什么汽化会严重影响3D打印过程 如果熔池稳定性下降，就会出现飞溅效应。过多的能量输入导致局部汽化增加，因突然膨胀而产生反冲力，将材料垂直推出熔池。当与激光束相互作用时，这些飞溅粒子会独挡激光，从而削弱到达粉床表面的能量，而且这些飞溅可能落到粉床表面导致零件内产生夹杂或者未熔合。以上这些现象无疑都会造成缺陷的产生，而且循环往复，导致更加严重的缺陷甚至事故。   熔池周围的压力梯度也会导致飞溅产生，伯努利效应引起的湍流可能是另一个需要考虑的因素。在激光加热过程中，光束路径周围会产生湍流，湍流能将半烧结颗粒拉回到熔池中。总的来说，飞溅的来源有两种情况——熔池内和熔池边沿。  03L-PBF技术中的光束整形有哪些选择？ 激光光束整形是将激光光束转换成特定图案、形状或强度分布的过程，以针对特定应用优化其性能。为了提高激光的能量利用率，常常需要把高斯分布或其他非均匀分布的光束整形成均匀分布，以满足特定的结构或应用要求。激光光束整形技术在激光领域中发挥着极其重要的作用。 使用激光粉末床熔融(L-PBF)进行光束整形有多种选择——直接在光纤激光器内进行整形，另一种方法是在光路中使用光学元件进行整形。 对于前者，一家名为nlight的公司面向金属增材制造市场推出了所谓可编程的激光器，可以在单模光束和其他光束轮廓之间切换而不需要在光路上使用光学元件。它所提供的环形模式几何形状光斑可稳定大型熔池，减少灰尘和飞溅，提高打印质量。离散光束轮廓可以每秒快速选择30次，为控制熔化和凝固速率、物理微观结构和热应变提供了新的自由度。   Fraunhofer IAPT使用nlight公司的AFX-1000可编程激光器获得的不同激光光斑 Nlight激光剖面图及不同情况下的打印情况 但是目前流行的做法还是通过光学元件进行整形。例如，LLNL的研究人员将激光穿过两个锥形透镜及其他光学器件和扫描器，在中心光束周围形成环状，从而获得了贝塞尔光束形状。研究人员使用实验室的商用3D打印机，用该实验装置从不锈钢粉末中打印出了立方体和其他形状。为了研究激光束整形实验的效果，研究人员使用了高速成像。对熔池动力学的观察表明熔池湍流和飞溅显著减少。与此同时，研究发现使用贝塞尔光束比传统高斯光束制造的零件更致密，拉伸性能更高。 LLNL研究人员对光束进行整形获得贝塞尔光束原理图 高斯光束和贝塞尔光束熔融过程中的高速快照 通过结合简单的光学元件进行光束整形来提高L-PBF 3D打印金属部件的质量，具有更高的成本效益。实际上这是光束整形技术选择的权衡问题，每种选择都有其独特的优点和挑战。而对于L-PBF未来潜在的发展，稍微偏移的环形轮廓可能有利于熔池的加热和冷却动态。 04减少飞溅、稳定打印，定制微观结构 Fraunhofer IAPT研究人员指出，通过光束整形，L-PBF打印过程中的飞溅减少了30%至40%，从而减少了构建失败的几率。与此同时，还可以对同一零件的不同位置定制所需微观结构，从而无需热处理或其他表面处理就能使零件获得诸如内部高韧性而表面硬化的特性。这无疑是通过其正在研究的可编程激光而获得的优势，因其可以在制造过程中切换光束形状来得到所需的能量分布。 除该机构之外，滑铁卢大学的研究人员也指出，光束整形被认为是一种修改打印部件微观结构的新方法，研究发现，椭圆光束可获得更细的等轴晶粒、更高的泰勒因子和机械性能。 05可提高整体制造效率 除可定制微观结构外，光束整形还可带来打印效率的提高。在近似打印参数条件下，光束整形后打印效率可以提高1.5-2.5倍。Fraunhofer IAPT研究人员指出，如果最大限度减少后处理，提高金属生产的打印效率，可以将成本降低三倍。 LLNL研究人员同样指出，L-PBF技术若若进行光束整形后则无需像使用高斯光束构建的部件那样进行昂贵且耗时的后处理。 END 通过光束整形，可以减少高斯光束制造零件通常需要的后处理技术所涉及的费用、缩短时间，比交替扫描成本更具明显优势。坚固且无缺陷的零件生产以及以经济高效的方式打印大型结构是大势所趋。为了使3D打印真正与工业标准兼容、超越传统制造方法、避免交替扫描技术带来的集成性挑战，需要不断探索光束整形，使其广泛应用于各种金属的打印，并将其纳入商业3D打印系统。 实际上，光束整形技术的研究与商业化都在加快。根据Fraunhofer IAPT的说法，其正在多家金属3D打印设备制造商共同研究，也许不久会有能够进行光束整形的金属3D打印机面世。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.美LLNL国家实验室：通过光束整形，3D打印更光滑、孔隙率更低的超高密度零件 2.「3D打印态」钛合金具有均匀且不间断的柱状晶，获得良好的抗蠕变和抗疲劳性 3.为量产而生！峰华卓立粘结剂喷射金属3D打印技术重大升级 4.颜永年教授：发展大型高效激光金属熔化3D打印装备，助推我国航天航空制造发展

陶瓷3D打印一直备受关注，如今业界已经开发出了多种基于不同3D打印工艺的商业化设备，并适用于不同领域的陶瓷应用，3D打印技术参考在往期文章中也进行过详细介绍。但需要指出的是，陶瓷3D打印技术并没有像金属和聚合物那样成熟，在应用领域也远未有后两类材料那样广泛，所能制造的材料种类也多局限于氧化物陶瓷。 非氧化物陶瓷（碳化物、氮化物和硼化物）具有非常理想的特性，包括高导热性和导电性，以及对长时间暴露于高温、化学、辐射、应力和机械磨损的适应性。非氧化物陶瓷中的超高温陶瓷具有所有二元化合物中最高的熔点（超过3000°C），并且在2000°C以上的空气中具有热和化学稳定性。由于其极端的耐火特性，受到了航空航天、火箭推进和高超音速领域的关注，该材料可用于制造这些领域的热保护系统、喷管、喉管以及天线罩，这些应用通常在高热通量、腐蚀性氧化环境和快速加热/冷却速率场景下使用。 导弹上的陶瓷天线罩 应用航空航天的陶瓷3D打印产品：高温合金涡轮叶片熔模铸造二氧化硅基陶瓷芯、氧化锆离心叶轮和由氮化硅制成的燃烧喷嘴（来自Lithoz） 使用增材制造或传统陶瓷加工技术生产具有复杂结构的超高温陶瓷既困难又昂贵。这些材料中的强共价离子键和金属键抑制了足够的原子流动性以减轻加成过程中的热诱导应力，并且在加热到产生流动性的温度时可能导致分解，因此需要高后处理温度和压力辅助技术来生产致密部件。这些方法通常将几何复杂性限制为简单的轴对称形状（如圆柱体）或没有内部特征的组件。当使用 3D打印技术成形耐火陶瓷时，颗粒材料的高温固结（烧结）需要结合相或有机添加剂（分散剂、粘结剂、增塑剂、润滑剂等）以在非反应性材料上提供所需的流变和内聚特性原料。对于超高温陶瓷材料的3D打印，需要高温（＞ 2000 °C）、缓慢加热（0.1–2°C/h）和热等静压，缓慢的原子扩散阻碍了非氧化物颗粒的固结和烧结。 3D打印技术参考注意到，约翰霍普金斯大学的一组研究人员使用商用系统成功制造了超高温碳化物陶瓷。这是一种被称为两步反应的3D打印技术，制备出了具有亚毫米分辨率的碳化钛 (TiC)立方体和晶格结构。而碳化钛是一种类似于碳化钨的坚硬耐火陶瓷，具有高熔点 (3067°C)、高硬度、极高的抗压强度、耐化学侵蚀、低摩擦系数以及高导电性和导热性。该材料通常被作为金属基复合材料的增强成分使用，作为单独材料进行3D打印则未看到过报道。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103318 本文研究打印完未清理的晶格结构 该研究主要包括两个重要步骤： 将钛粉与酚醛树脂混合，使用粉末床激光烧结（SLS）工艺打印成生坯，期间使用氩气保护； 将坯体在甲烷（CH4）气氛中进行原位等温气固转化，经两步反应得到超高温碳化物陶瓷TiCx；为反应生成TiC，需要进一步处理。 研究发现，与不发生气固反应的其他间接增材制造技术相比，钛粉在与甲烷发生反应时释放的大量热量促进了粒子间的键合；同时，Ti转化为TiC会产生体积膨胀，弥补了酚醛树脂分解产生的孔隙，从而减少了材料收缩，获得无裂纹试样。 立方体和晶格结构生坯 生坯部分和完成转化的结构对比 温度控制和加热持续时间可用于改变生坯微观结构并调整转化率和碳化物的量，在生坯致密化之前进行气固反应，直到气体扩散率受到限制，这种两步后处理程序可能被证明在创建致密、坚固的 超高温陶瓷组件方面最有效。在此反应合成过程中，必须仔细控制温度、气体成分和加工条件，确保同时发生放热反应、反应结合和致密化，从而生产出结合良好、致密性更高的TiC部件。 该技术制造的立方体块体和晶格结构细节 对晶格结构进行热冲击实验 研究人员使用该技术打印了立方体块体和金刚石立方晶格结构，其中晶格结构的分辨率达到50μm，具有足够的强度且无裂纹。经过快速、高温加热，晶格结构能够在1300°C的峰值稳态温度保持2分钟；经过热冲击测试的晶格保持了机械性能并能够支撑800g的氧化铝耐火砖。 总的来说，这项研究为实现非氧化物超高温陶瓷的增材制造开创了一种可行的方法，进一步的研究将能推进该技术在火箭推进、高超声速热防护及其他极端环境中的应用。 参考：Reactive two-step additive manufacturing of ultra-high temperature carbide ceramics 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 2.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案 3.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持 4.陶瓷3D打印面临的挑战，一种增韧解决方案与未来市场