3D打印的金属部件后期精加工工作量很低，磨削有潜力成为满足最终公差的有效解决方案。 增材制造在航空航天和医疗市场的广泛使用促使人们不断提高对精加工增材部件表面的要求，以满足最终应用需求。增材制造工艺能够生产出接近最终形状的组件，显著降低了最终精加工的需求。通过增材制造，可以降低材料浪费率，有利于整体制造工艺，但是这也意味着后续的精加工过程对后处理技术和一致性的要求越发严苛。因此，需保证后处理的一致性，满足部件公差和表面质量要求。在对公差和表面提出更高要求的应用中，磨削可以是增材制造的另一个有效选择。 与其他传统材料去除工艺相比，磨削得到的表面质量和完整性更好。为了进一步了解增材制造的精加工，尤其是应用于航空航天业中的镍基高温合金部件时，Norton|Saint-Gobain公司的工程师对采用增材制造的Inconel 718样品进行了精磨削研究。研究主要围绕3个问题展开：需要从增材制造的部件上磨掉的最低材料量/体积是多少？使用最新一代的砂轮对增材制造的部件进行磨削可以达到怎样的表面光洁度？第三，精磨削对增材制造组件的表面残余应力（如有）有什么影响？ 采用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制造的AM IN718样品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。图1所示为增材制造测试样品。增材制造后，对样品进行介质喷砂处理，完后消除应力。接着是热等静压、固溶处理/退火和沉淀硬化处理。样品硬度为40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技术中心的Magerle MFP-125.50.65间歇进给磨削机上的Norton NQX60E24VTX2砂轮进行样本磨削，图2和图3所示为测试设置。 图1 磨削前的AM Inconel 718测试样品 图2 整机设置 图3 设备特写 首先，逐渐加大切削深度，进行几个区域的磨削，确定需要清除的最小材料量后，对增材制造的表面进行处理。之后按照规定的切削深度进行磨削，然后检查表面是否存在明显缺陷。图4所示为实验期间部件清理后的样品图片。根据实验结果，为了消除增材制造过程中产生的所有几何不一致性和表面缺陷，需要从组件中去除大约0.30～0.45mm的材料。 本次测试采用的磨削长度为50.8mm，砂轮直径为462mm，工作速度为23m/s。总共对五个的材料去除率（MRR）进行了测试，范围为0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通过更改进给速度（mm/min）或切割深度（mm）调整材料去除率。对多个材料去除率进行了测试，以评估中低材料去除率对表面光洁度和磨削能力的影响。尽管可以使用现代工程磨料以较高的去除率对镍基合金（例如Inconel 718）进行磨削，但根据目前工业上用于精加工标准Inconel工件的标准精加工率，本研究选择了较低的材料去除率（图4）。以标准（非增材制造）工件磨削为例，预期结果是，随着材料去除率的增加，磨削功率增加，磨削后的工件表面光洁度（Ra）将增加或表面会变得更粗糙。 图4 部分磨削后的AM Inconel 718测试样品 磨削前后，采用联邦接触轮廓仪系统5000测量工件的表面光洁度，测量点包括工件上的多个位置和两个方向（图5a和图5b）。此外，还在多个位置进行了非接触轮廓仪表面测量。 图5(a)表面光洁度测量方向(平行于磨削方向)；图5(b)表面光洁度测量方向(垂直于磨削方向) 磨削前，对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，在不同测量方向上，光洁度存在很大差异。纵向测量时，平均光洁度为3.3μRa；横向测量时，平均光洁度为2.1μmRa。而在测量标准铸态Inconel 718材料时，不会出现这种显著差异。这种差异似乎与3D制造方法有关，但是目前尚不清楚确切原因。 采用接触轮廓仪测量磨削后表面光洁度的常规方法是垂直于磨削线，而不是平行于磨削线。本次研究中，在平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上测量了表面光洁度。然后将磨削后的测量结果与磨削前的纵向和横向测量结果进行比较。 重点在于，沿着垂直于磨削线的方向进行测量磨削后的表面时，测针会越过磨削线的波峰和波谷。而在平行方向上进行测量时，测针平行于磨削线移动，永远不会越过峰谷。因此，不出所料，本次研究中，垂直测量得出的（粗糙）表面光洁度明显高于平行方向的测量结果。 磨削前后对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，不同测量方向的光洁度存在显著差异。本次研究中，采用平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上进行表面光洁度测量，结果确实存在显著差异。在平行方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为3.3μmRa，研磨后为0.21μma。在垂直方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为2.1μmRa，研磨后为0.5μmRa。 此外，还采用了Nanovea 3D表面轮廓仪和白光色差技术对增材样品进行了分析，将表面特征以视觉化方式呈现出来。在本次测试中，收到增材制造样品后，采用玻璃介质对其进行介质喷砂处理，除去表面凸起的部分。磨削后在表面上可以看到的线条是磨削操作留下的线条。可以使用较细磨料粒度的砂轮或其他打磨产品，例如工程类磨带，进一步减少表面线条，形成超级精细的表面，前提是这点对于组件的性能和质量而言至关重要。 为了进一步了解磨削对AM IN718样品整体表面完整性的影响，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射设备，在收到和磨削样品后，进行了表面残余应力测量。对两种状态下同一样品6个不同位置的测量结果进行比较后发现，在两种条件下近表面残余应力均为负值/存在压缩力。这种情况主要发生在精磨削后的组件上，其近表面残余应力具有压缩性，可延缓表面裂纹扩散，提高疲劳寿命。 本次研究期间，按照5个材料去除率对磨削功率进行了测量。随着材料去除率的增加，磨削功率也随之增加。这种行为存在于大多数磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率时，磨削期间的峰值功率为1.4 kW。而在3.9 mm3/sec./mm的最高材料去除率下，磨削功率为10.8 kW。 本次研究的结果证明，对增材制造的镍基合金（比如Inconel 718）进行精磨削可以将表面的粗糙度降低近94％（平行于磨削线）或34％（垂直于磨削线）。可以根据要求，使用磨料粒度更精细的砂轮或其他打磨产品，比如工程类磨带获得超精细表面。此外，结果还表明，为了提高表面精细度，需从组件上去除0.30～0.45 mm的材料，并清除掉所有与3D制造过程相关的几何不一致性。对于增材制造商而言，最低去除率是关键信息，因为他们一直在努力以最具成本效益的方法让增材制造组件尽可能达到近净形状。此外，残余应力数据显示，磨削后的表面应力具有压缩性，可以延缓表面裂纹扩大，从而延长所制造的组件的疲劳寿命。 本文作者：K·Philip博士， John Hagan欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.增材制造中表面光洁度的重要性，及光整加工技术的种类和应用现状 2.国家增材制造创新中心：金属增材制件环保高效后处理技术 3.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战 4.金属3D打印后处理系统

3D打印概念成为主流已近40年，倡导者称赞这项技术是“制造业的未来”（future of manufacturing）。现在， 3D打印的打印速度和规模得到极大提高，生物医学应用范围也逐步扩大。近年来，这些进步均证明了3D打印技术正越来越靠近人们对它的预设。本期内容刊登自中国工程院院刊《Engineering》，作者为高级技术作家Chris Palmer。 2020年，普惠公司宣布首次将3D打印应用于飞机发动机部件 当今最常见的3D打印种类，即增材制造，使用光线将液态塑料树脂逐层固化为固体。这个过程通常比较慢，制造手持设备常常需要几个小时。此外，各层之间的接口往往比较脆弱，成品结构易碎。因此，3D打印并没有取代传统的制造过程，而是和一些非常特殊的用途联系起来。美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学工程学教授Chad Mirkin表示：“在很大程度上，3D打印主要局限于原型设计，因为它速度慢、产量低、产品结构不稳定。” 大约5年前，美国北卡罗来纳大学的工程师发明了一种新型的3D打印技术，即“连续液体界面制造”（CLIP），与同类技术相比，这种技术的生产速度提高了100倍。这项技术获得极大的进步，位于美国加利福尼亚州的Carbon公司获取了该项技术，其采用一种半渗透窗，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。 clip技术原理 CLIP的速度提高备受关注——Carbon公司已与福特汽车公司、阿迪达斯体育用品公司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——但其固化过程会释放出大量热量，这可能导致打印的零件翘曲和破裂。为了散热，打印的成品尺寸实际上被限制为25cm×25cm×41cm。 Mirkin说：“Carbon公司证实了3D打印可被用于制造业，而且他们在许多行业做得都非常好，但是他们还没有找到快速打印大型物体的方法。” 在2019年年末，Mirkin的团队宣称其开发了一项名为“高面积快速打印”（HARP）的新技术，该技术使液体冷却剂在一桶液态树脂下面循环。冷却剂是一种氟化油，在打印时会直接从正在打印的物体上吸走热量，从而使它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。Mirkin将使用多台投影仪发出的光进行打印的方法称为“平铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可以达到约1m×1m×4m。将来，其他投影仪可使HARP 能够制造更大的物品。“从理论上讲，平铺工艺消除了尺寸限制，” Mirkin说。 一种名为HARP的新型3D打印技术，该技术使一层液态冷却剂在一大桶液态树脂下面循环，从而消除物体打印时随着体积不断扩大而产生的热量，使它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。这款HARP打印机高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可以打印一个大型的连续结构或许多不同的小型结构。来源：美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学（新闻稿）。 为了使HARP商业化，Mirkin和同事成立了Azul 3D公司（位于美国伊利诺伊州斯科基市），该公司预计在2021年年底前开始销售打印机。Mirkin希望HARP能改变3D打印的商业模式。“几乎所有的3D打印公司都必须从他们的硬件上获得可观的收入，因为他们根本没有使用足够的树脂来使此项技术具有良好的商业模式。”他表示，“借助HARP，该公司不需要仅依靠销售硬件来获得收入，因为他们还可以通过销售生产大量零件所需的树脂来赚钱。这样，由于初始硬件成本几乎变得无关紧要，所以HARP降低了进入门槛。” 在另一个快速发展的领域，3D打印技术正显示出其在处理微小物体方面的潜在价值。将传统3D打印机中使用的“墨水”（塑料、聚合物和金属合金）换成嵌入生物介质中的活细胞，这项技术将成为生物医学应用的一个有趣工具，未来有可能被用于制造替代组织。3D生物打印已被用于制造简单的组织，如皮肤、软骨和部分心肌。随着技术的进步，3D生物打印可能会被用于制造更复杂的器官，如视网膜、肾脏和肺。主要的挑战包括组成器官的各种各样的细胞类型，以及需要提高足够的分辨率来打印输送氧气和清除废物的微小血管。 心脏3D打印过程 “我不知道我们能否达成这个目标——有各种不同的细胞类型和维持它们存活所需的血管系统，器官实在是太复杂了。”美国明尼苏达州明尼苏达大学机械工程学教授Michael McAlpine说，“我们一直以来的错误在于试图完全复制生物学。也许通过聚合物和电子技术，你可以制造出一个能像肝脏一样工作的设备，但实际上该设备比大自然创造出来的要好得多。” 然而，3D生物打印已得到了更直接的应用，其中包括药物发现和消费品测试。在McAlpine的许多项目中，有一个可用于脊髓再生的3D打印设备和嵌入有可监测患者生理和生化标志物的传感器的电子纹身。 虽然3D生物打印主要集中在很小的领域，但是美国得克萨斯州的创新者正在使用超大规模的3D打印来建造房屋。位于得克萨斯州奥斯汀市的建筑技术公司Icon开发了一台名为Vulcan II的3D打印机，该打印机可以在大约24h内打印37m2 的两居室房屋的墙壁。Vulcan II是专门为偏远农村的房屋建造而设计的，由于有限的资源、无法预测的天气以及不稳定的电源，使用传统的建筑方式几乎是不可能完成房屋建造的。这台高3.5m、重1725kg的机器连续堆积了一层高2.5cm、宽5cm的被称为“lavacrete”的可延展型混凝土基线材料，并将其硬化成墙。 Icon公司（位于美国得克萨斯州奥斯汀市）的Vulcan II 3D打印机堆积了一层大约2.5 cm×5 cm的名为“lavacrete”的混凝土基线材料，建造了如图所示的37 m2 房屋的墙壁，花费了约24 h。来源：Icon公司（新闻稿）。 Icon公司的Vulcan II 3D打印机位于三个结构的最末端，该打印机在美国得克萨斯州奥斯汀市的一个地基上创建了三座37 m2 房屋的墙壁，这些房屋的平面图各不相同 Icon公司目前正在51英亩（注：1acre=4046.873m2 ）土地上为美国奥斯汀东北部地区的无家可归者打印数十套房屋，并为墨西哥塔巴斯科小镇约50个家庭提供房屋。虽然Vulcan II减少了建造房屋的工作量，但建造过程并非一步到位，工人仍然需要打下地基并安装屋顶。3D打印房屋除了能节省时间外，与其他低成本住房相比，它还能够打印平滑曲线和倾斜墙壁以实现其更自由的设计。 在另一项大规模应用中，总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶市的Relativity Space公司开发了一种名为“Stargate”的3D打印机，用于建造几乎不以地面为基础的物体，即30m高的火箭飞船。Relativity Space公司计划用3D打印技术打印第一枚火箭的整个生产线，即Terran-1，但不包括电子设备、电缆和少量活动部件。相比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技术，但仅用于生产部分零件。Relativity Space公司与许多卫星运营商签订了发射有效载荷的合同，并同意他们使用美国国家航空航天局位于密西西比州汉考克县的John C.斯坦尼斯航天中心的两个测试设施。该公司还获得了从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火箭的权利，其中第一枚火箭有望在2021年发射。 Relativity Space公司（总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶市）的 Stargate 3D打印机使用定向能量沉积制造巨大的金属物体，如火箭的燃料箱和发动机。打印机高9 m，且具有3个庞大的机械臂。一只机械臂使用强大的激光来熔化金属丝，金属丝会逐层沉积以形成火箭的零件。另外两只机械臂用于固定工具以完成打印的部件。来源：Relativity Space公司，维基共享资源（CC BY-SA4.0）。  尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司设计的零件却合并了一些部件，这些部件通常是被分开制造然后组装的。所以，他们的火箭零件数量将是同类火箭的零件数量的1/100。更少的零件意味着更少的接口和更少的出错机会。此外，尽管大多数制造商必须重新配置其设备以制造额外的硬件，但Relativity Space公司只需要在打印机软件中运行一个新程序即可创建下一个零件。而且与传统的火箭制造相比，该公司的3D打印机进行设计更改也更容易且成本更低。 “一般，航天工业要规避风险，相较于创新，更希望有更多的信心实现成功发射。”安全世界基金会私营部门项目主任Ian Christensen说，该基金会总部位于美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德市，其致力于促进和平可持续的外层空间的利用。“像3D打印火箭这样完全新颖的东西，市场将如何反应，这是一个悬而未决的问题。” 仅仅因为现实中3D打印已经开始满足人们对它的期望，但人们仍有更多雄心勃勃的目标。Relativity Space公司不仅不满足于通过制造火箭将卫星送入轨道，还着眼于将打印机运送到火星，以便在火星上打印火箭，从而将土壤样本送回地球。“这种采样返回的概念在理论上是有趣的，但几乎可以肯定，它需要与政府的太空探索和行星科学项目相结合，而这些项目进展缓慢。”Christensen说，“像在技术方面的挑战一样，这一概念在政策及体制方面也面临着挑战。” 注：PDF版本可在qq群下载。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX正在招聘增材制造工程师，职责和要求有哪些？ 2.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨 3.国内：结构优化和增材制造在高速飞行器上的应用和面临的挑战 4.Carbon…

在9月18日的中国航天大会上，2020年宇航领域十大科学问题和技术难题发布，面向空间超大型天线结构的在轨增材制造技术与超大型空间光学装置在轨组装和维护技术被纳入其中。这两项技术，均属于空间在轨制造范畴。 据介绍，十大科学问题和技术难题是由中国航天大会学术委员会的院士、专家以“面向2050年对航天技术发展具有导向作用，对航天技术或产业创新具有关键作用，切中航天技术发展重点和要点，具有代表性”为重要评判标准，对宇航领域科学问题和技术难题征集活动中所提交的材料进行审慎评议后最终确定的。 空间在轨增材制造的需求   随着我国在轨任务需求的增长和规模的扩大，在可以预见的未来将会有更多且更大的空间系统在轨运行，如大口径空间望远镜、超大型通信卫星天线、超大型太空发电站等。 在大型构件的在轨组装方面，受火箭推力、整流罩包络及机构复杂度的影响，未来深空探测、天文观测、战略侦察等工程所需的大面积、大跨度空间结构一次性实现在轨布署有较大的难度。空间在轨增材制造、在轨组装可将单次/多次发射入轨的结构模块、功能模块等基本单元依序组装成期望的大型空间系统。 詹姆斯·韦伯太空望远镜的直径为6.5米，目前我国运载能力最大的火箭长征五号内部直径为4.5米 另一方面，航天器的质量往往非常大，但实际上在空间微重力环境下并不一定需要结构非常强，航天器的结构做的很重、很大，是因为要经受住航天发射过程中巨大的冲击。如果能够实现空间在轨制造，也将大大减轻航天发射的成本。 空间在轨增材制造属于在轨制造的一种重要形式，它将有效解决未来空间超大型天线系统建设的难题，为超大型空间结构的在轨建设和维护提供有效手段，对推动我国天文观测、空间太阳能发电等领域技术发展与应用具有重要作用。 太空发电站效果图 空间在轨增材制造的技术途径   目前在轨制造主要通过真空增材制造设备或机器人实现。通过在“国际空间站”上的增材制造设备制造零部件，区别于地面的核心在于保证微重力、真空条件下制造零部件的力学性能；通过机器人在轨制造，即采用具有增材制造功能的多臂机器人，利用碳纤维等材料建造桁架子结构，并将这些子结构组装成为大型系统。 目前，空间站中的增材制造已经被普遍证实可行；美国、俄罗斯、中国的航天机构已完成熔融沉积、光固化以及生物3D打印等的在轨制造实验；德国宇航中心也已在开展微重力条件下的金属粉末床熔融工艺。 在空间站或飞船内部进行3D打印 利用机器人进行在轨制造则可以追溯到1993年，德国通过地面操作太空机器人完成预定任务，随后日本、加拿大、美国、俄罗斯、中国也进行了相关研究与探索。机器人的主要形式经历了从单机械臂到双机械臂到目前多机械臂的发展，任务形式也从在轨捕获、在轨维修，发展到在轨组装，也即机器人在轨增材制造。 空间机器人通过在轨增材制造实现大型航天器构建 NASA大型结构机器人在轨装配项目   2015年7月，NASA启动“大型结构系统太空装配”项目，旨在实现大型模块化结构系统在太空中的自动装配、服务保障、翻新、重构以及再利用。 NASA授予太空制造公司（Made in Space）价值2000万美元、为期两年的“建筑师”项目合同，研发装有机械臂的3D打印机，并将其安装在国际空间站外部分离舱。这种太空制造与装配设施将使NASA和私营公司仅需将增材制造所需的原材料和某些高价值部件（如传感器、电子元器件和电池）发送至太空，便可以在太空中用机械臂将这些零部件与增材制造的零部件装配起来。“建筑师”项目官方名称为“多功能太空机器人精确制造与装配系统”，是NASA“临界点”计划选取的3个在轨机器人制造与组装航天器和结构相关项目之一。 Made in Space空间机器人演示在轨增材制造 美国Tethers Unlimited公司正在研究的在轨制造系统——“蜘蛛制造”，将利用蜘蛛状机器人在轨进行大型空间结构如天线、电池板、桁架和其他多功能结构的制造与组装。只需要将原材料送入轨道，即可由机器人利用增材制造技术在轨制造，并将制造的零部件装配成大型系统。“蜘蛛制造”已完成机器人样机制造，进行了地面演示，验证了“蜘蛛制造”概念关键工艺的基本可行性。该公司从2016年开始制造第二代机器人原型。 空间在轨增材制造地面试验 中国空间站机器人系统   中国非常重视空间机器人系统的研制，在载人航天空间站规划了大型、中型两套空间机械臂系统，也利用载人飞行器开展了空间机器人相关技术的在轨验证。 2013年，我国首个空间机器人成功发射，并圆满完成各项任务；2015年，我国自主研发首个全自由度空间机器人系统；同年，我国空间站大型机械臂初样阶段研制获重大突破，目前已进入正样阶段；2016年，天宫二号搭载空间机械手通过人机协同完成多次在轨维修和装配任务。 2015年国产空间机器人首度报道公开 中国载人航天空间站在建造阶段将配备核心舱 、 实验舱机械臂两套机器人系统。核心舱机械臂主要用来完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员EVA等；实验舱机械臂主要用以暴露载荷照料、光学平台照料、载荷搬运、支持航天员EVA等活动。核心舱机械臂和实验舱机械臂展开长度分别约为10m和5m，最大在轨载荷分别为25000 kg和3000kg，均具有7个自由度，可完成空间站的维修维护任务。 空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的重要手段之一。在当前在轨应用及验证的基础上，未来空间机器人的应用方向将从空间目标的抓捕与移除、高价值目标的在轨服务与维修发展到空间大型构件的在轨组装等任务，空间机器人也将成为空间在轨增材制造的关键。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航天529厂助力中国卫星3D打印产品在轨应用常态化 3.专访中科院太空制造技术团队：介绍太空立体光刻3D打印的意义 4.迄今为止集中力承载环境最“恶劣”的航天3D打印应用通过飞行考核

以粉末床激光熔融技术为代表的金属3D打印企业有很多——EOS、SLM Solutions、Renishaw、3D Systems、铂力特、华曙高科、易加三维、汉邦科技。。。这串名单还可以更长，但是这些技术原理一样的产品相互之间有哪些不一样，除了稳定性、知名度，可以想到的则不是很多。 “ LPBF技术领域很少有公司具有鲜明的特色，基本都大同小异，很难看到真正的差异化。未来，谁能证明他们可以降低成本、提高质量并保证稳定生产，谁就可以取胜。谁无法找到自己的真正差异性，谁就很容易从2020年开始出现钱不够烧的情况。”——工程产品和服务公司Phoenix Analysis & Design Technologies 董事兼共同所有人Eric Miller “差异化将是企业生存的关键，如果企业不能清楚的向市场传达自己的价值主张，将很难脱颖而出。在这个市场中，克服成本压力、提高材料灵活性、突破制造限制都将是非常具有吸引力的价值主张。”——金属增材制造专家Alex Kingsbury 作为整个增材制造市场的重要参与者，系统供应商驱动着超过50％的市场，粉末床熔融技术（PBF）又是该市场中的主导技术。到现在为止，来自欧美和亚太主要工业地区的供应商已经提供了大量增材制造设备，各种模态类型和材料应有尽有。正如上面分析所言，传统设备商之间的产品差异化却并不明显。而近些年，市场上涌现出了一些基于传统SLM技术的创新产品，似乎给这项发展了20多年的技术带来了一些新活力。 传统SLM技术的革新—差异化带来新活力 1. 十二激光、更大层厚，下一代金属3D打印机 SLM Solutions虽是传统的金属3D打印制造商，但其技术理念一直引领行业发展。传统大尺寸SLM设备通常配备三激光或四激光，但SLM Solutions目前正在研发的下一代金属增材制造系统多达12激光，这将为增加打印尺寸、提高打印效率提供重要保证；除此之外，SLM Solutions自多年前就已推出0.06和0.09mm的大层厚打印工艺，相比很多公司固守小层厚，该公司为提高打印速度可谓煞费苦心。2019年，SLM Solutions顺利度过难关。 SLMSolutions下一代设备打印的部件（600x 600mm） 2. 解决后处理痛点，无支撑金属3D打印技术 支撑去除同样是传统SLM金属3D打印技术的极大痛点，该过程几乎只能通过手工操作，给零件处理带来了极大不利，而且还会降低表面质量，破坏脆弱结构。基于此，一些软件开发商推出了智能化的支撑添加模块，希望能够简化支撑添加过程、减轻去除难度，事实上这些功能正在生产一线发挥重要作用。但Velo3D的无支撑SLM技术来的更为彻底，通过无接触的铺粉方式以及可能的工艺动态控制，该公司实现了零件无需支撑、无需生长在基板上即可成型的效果。毫无疑问的是，Velo3D的技术确实领先于当前主流的SLM工艺，它显示了该公司对材料和工艺的控制能力，给金属3D打印技术的工业化应用带来了极大便利，这为获得航空航天、国防和军工部门的青睐奠定了基础。 Velo3D无支撑金属3D打印 3. 一次多层，多层并行打印技术 由澳大利亚Aurora Labs研发的多层并行打印技术比如今主流的金属打印速度快几个数量级，每天可成型上百公斤粉末。这种世界上“最快”的直接金属3D打印机兼顾铺粉与成型，无疑能够同时保证对零件高精度、高性能、高复杂以及高效率的追求。 Aurora Labs多层并行打印技术 4. 质量可追溯，决心替代后检测 3D打印技术能够实现增长的另一个关键原因是其在质量保证方面的能力：金属增材制造设备必须能够始终如一地生产质量高度稳定的零部件。“随着越来越多OEM不再满足于单纯的后检测，生产过程中的质量监控和质量保证已经成为众多解决方案提供商的工作重点。”Velo3D技术合作副总裁Zach Murphree博士表示，“测量机械完整性、检测表面缺陷和孔隙度对于零件质量至关重要，每个解决方案提供商都需要认真考虑如何解决这些难题，到时候谁能拿出适用于关键组件的质量控制解决方案，谁就能最终胜出。设备厂商和第三方供应商都应着力于解决OEM的痛点。” Sigma Labs公司PrintRite3D热能量密度算法 目前，Sigma Labs 等公司已经开始提供可以在生产过程中实时监控生产设备的技术。Sigma Labs 总裁兼首席执行官 John Rice 最近在接受采访时介绍，“我们的硬件/软件包可以观察并评估生产过程，并且利用热信息，及时发现生产过程中零部件规格出现偏离的情况。系统可以识别质量问题发生的前兆，并及时提醒设备操作员停止生产并作出修正，从而降低零部件报废或生产受限的情况。” 无疑，质量监控、可追溯正在成为高端用户追求的目标，这实际上为SLM系统制造商带来了压力。目前欧美设备商遥遥领先，传统金属3D打印老牌企业EOS和雷尼绍等均已推出了在线监控和质量可追溯模块，国产品牌基本上仍停留在“录像”阶段，在差距显现的同时，也是国产品牌创新的良机。 EOS依靠光学层析成像实现质量可追溯 5.关注细分领域，行业专用打印机 在细分应用领域，传统SLM技术的发展也正在凸显出差异化的竞争趋势。纯铜打印的故事已经讲了多年，主流设备商依然是通过改造机器进行工艺开发，而弗劳恩霍夫激光技术研究所、通快集团以及日本岛津和大阪大学等机构则另辟蹊径，从材料和激光相互作用的角度入手，通过改变光源提高纯铜的成型效率。由通快集团开发的绿激光3D打印机已经上市，纯铜和贵金属的安全、高效率3D打印为这些材料在细分领域的应用开辟了道路。 通快采用绿激光打印的纯铜零件 6.减轻用户负担，材料再循环利用 金属3D打印材料领域的发展同样有不一样的现象。此前材料制造商推出了多种雾化制粉工艺，但这些工艺所使用的原材料均是传统棒材或金属丝材等标准材料。但美国6K公司却将目光聚焦于金属3D打印的支撑结构件、废件以及来自于机加工行业的切屑、铣屑等可回收原料，通过其微波等离子平台转化为优质金属粉末，从而成为世界首个可以利用可持续资源，生产增材制造粉末的系统。6K的目标是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。 END 市场研究公司AMPower最近的一份报告显示，2019年包括系统、材料和服务销售在内的全球金属3D打印市场的估值约为20.2亿欧元，未来几年更是会以超过23%的年复合增长率持续增长，并在2024年达到58.91亿欧元。航空航天、国防和汽车终端行业对金属3D打印的需求不断增加，以及该技术在降低制造成本和缩短交货时间等方面所体现的优势，成为市场快速增长的主要原因。 而从近几年3D打印技术发展的现状来看，无论是金属3D打印、光固化还是激光烧结，解决制造弊病、突破传统打印极限正在成为潮流。无论选的角度多么小，但只要能够解决实际问题，都会成为产品差异化的突破口。正如王华明院士在近期《开讲啦》中所提到的，一个公司一定要有自己的核心技术，能把潜在的优势变成现实的，才会得到发展。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SLM无支撑智能系统PK HP与Desktop Metal 2.使用EOS光学层析成像代替无损检测保证增材制造部件质量 3.从TCT看国内3D打印行业正在以何种方式发展 4.3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场

近日， TWI（英国焊接研究协会创立的独立研究和技术组织）增材制造部门展示了一段非常震撼的视频，其采用SLM技术制造了20张具有高度柔性的钨薄片，其厚度仅70μm，将钨的3D打印水平提高到了新高度。 70μm厚度的3D打印钨片 作为一种非常小众的3D打印材料，钨的熔点高达3400°C，是熔点最高的金属材料；传统加工方式也只能加工钨镍铁合金，而无法直接加工纯钨。金属3D打印技术似乎能够解决它的加工难题，然而，采用激光粉末床技术制造的纯钨零件内部极容易出现微裂纹等缺陷，因此限制了钨的3D打印应用。 尽管面临挑战，钨已经证明自己是一种有价值的3D打印材料。钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。此外， 采用3D打印制造的纯钨格栅尤其适合于制造CT机的准直器。 实际上，3D打印的钨组件已经开始商业化。国内外制造商早在五年前已经开发出适合于3D打印的钨粉和打印工艺，甚至已经有定制化的设备交付客户，因此足以看出钨的3D打印存在市场需求。 铂力特打印100%纯钨材料光栅 3D打印对于制造薄壁零件非常有效，这给CT机准直器的准直孔径角和形状带来了极大的制造自由度。国内很多制造商也多将可打印纯钨的最小壁厚作为重要的宣传参数。从报道来看，目前普遍实现的最小壁厚为0.1mm。 TWI展示的高度柔性、具有极大高宽比的 70μm 3D打印钨薄片，无疑将最小壁厚达到了新的水平，同时证明研究人员克服了包括微裂纹、应力在内的钨材料3D打印更多的难题。 LLNL利用模拟和监控技术进行了钨的3D打印研究 LLNL利用模拟和监控技术进行了钨的3D打印研究，指出钨零件的3D打印过程中出现微裂纹的确切原因仍然是个谜，但其3D打印工艺需要将优化机器参数与材料组成相结合，预热和控制打印室中的氧气水平对于降低应变速率非常重要，材料中的杂质浓度也有影响。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 2.欧洲8国21家机构携手推进多材料、多工艺协同金属3D打印 3.全球最大多材料混合增材制造系统发布，可打印金属和树脂 4.Fraunhofer开发多材料喷射系统：可同时打印陶瓷、金属等四种材料

此前有研究发现，重复使用的Ti6Al4V在电子束粉末床熔融工艺条件下的零件疲劳性能相比未使用过的新粉制造的零件降低了69倍，其原因是颗粒表面氧化导致零件内部出现了融合缺陷。在另一项研究中，采用激光粉末床熔融工艺打印的多次循环的镍基合金粉末，塑性和韧性出现降低现象。 考虑到粉末特性可能会影响零件质量的假设，以及工业应用领域的需求，3D打印材料的疲劳性能（尤其是超高周疲劳性能）研究成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。本期，3D打印技术参考分享奥本大学关于零件摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响研究。 粉末特性变化与对铺粉效果的影响 研究使用的粉末为17-4PH不锈钢，初始粉末粒度分布在15-45μm之间，以80kg的初始量进行15次连续打印。每次制造完成，粉末进行筛分并与未使用的粉末充分混合。分别研究零件摆放位置和粉末重复使用对零件拉伸强度及疲劳寿命的影响，研究所采用的设备为EOS M290。 打印试样布局：不同批次的样本数量分别为38个和18个，每次消耗粉末2.5kg和1.5kg 综合多家单位通过对IN718、Ti6Al4V、AlSi10Mg等材料的研究发现，粉末循环重复使用，会导致粉末特性发生变化，主要表现为： 细粉含量减少、粒度分布变窄、平均粒径增大，对于AlSi10Mg来说尤其明显； 颗粒的形貌也会变得更细长（部分研究发现）； 与未使用的粉末相比，循环过的粉末由于卫星粉的消失以及长时间高温暴露降低了水分含量，粉末团聚现象减少，流动性总体呈上升趋势 本研究的粒度测试的结果基本验证了以上结论，初始粉末的粒度宽度为45μm，第15批为41μm，粉末粒度变窄；重复多次使用的粉末相比初始粉末具有更小的颗粒间间隙，粉末流动性和填充状态得到改善。 第1、5、10、15批次的粒度分布 研究人分析认为，初始粉末由于含有卫星粉和大量细粉，颗粒间的摩擦力容易形成团聚，导致空隙产生，而细粉并不足以填充大颗粒间的空隙；随着粉末循环使用，极细颗粒和大团聚体减少，粉末堆积密度增加，粉末流动性和填充状态得以改善。为进一步验证结论，研究人员分别对粉体进行了压缩试验和气体通过实验。 粉体压缩实验显示，批次1粉体的可压缩性为4.65%，而第15批次为1.97%，这意味着初始粉末的可压缩性更强；气体通过实验也证明，气体更难以通过第15批次的粉末，这证明了其更低的空隙率。需要注意的是，粉体中的空隙会在打印过程中导致熔体中形成气体夹带。 气体渗透性测试，粉体上方的压强越大，渗透性越差 总的来说，粉末重复使用可以使铺粉更均匀、颗粒间间隙减小，这种变化增加了理解粉末规格如何影响零件性能的复杂性。同时粉末特性的变化，可能会对基板上不同位置零件的机械性能带来一些改变。 粉末特性变化影响铺粉效果，进而带来机械性能的位置性差异 对零件孔隙的观察发现，第15批零件的孔隙平均孔径和最大孔径尺寸均低于第一批次，这进一步证明了再利用粉末具有更好的填充状态，更少的空隙减少了零件孔隙的产生。此外，同批次基板左侧零件的气孔大小和数量都比右侧试样大，但是随着粉体的不断重复使用，这种差异逐渐减小，表明再利用粉末在铺粉时实现了更好的位置均匀性，这可以印证前面的描述。 第1批和第15批零件的拉伸测试结果显示，抗拉强度分别为1209Mpa和1193Mpa、屈服强度分别为1155 MPa和1138 Mpa，并未发生显著变化；两批零件的真实断裂应变分别为0.35和0.40，零件的微观结构也没有明显差异。研究人员认为，粉末多次使用对零件拉伸强度的影响可忽略不计。 第1、5、10、15批次的零件拉伸曲线 第1、5、10、15批次的零件拉伸性能数据 对疲劳行为的研究发现，粉末重复使用对于未进行机加工、具有打印态表面的零件几乎未观察到直接影响，这主要得益于表面粗糙度的保留；而对于进行了机加工的试样，在低周和中周疲劳状态下，连续重复使用粉末不会影响疲劳行为；然而，在高周疲劳状态下，第15批试样的疲劳寿命明显高于第一批。对左右两侧的试样疲劳寿命的研究发现，右侧试样的疲劳寿命与左侧试样相比要高，但这种差距仍然会随着粉末使用次数的增加而减小。 疲劳性能测试数据 研究人员认为，在激光粉末床熔融工艺中，不同位置试样的疲劳寿命的差异是由于不同位置粉末的铺展效果不一致造成的。由于粉末的流动性会影响铺粉的均匀性，基板右侧的铺粉效果要优于左侧，从而带来了更小的缺陷尺寸和数量，这有助于提高零件的疲劳寿命；而随着重复使用次数的增多，粉末流动性变好，疲劳寿命对位置的依赖性变小。 END 总的来说，目前已经可以判定粉末重复使用并不会对零件的拉伸性能造成明显影响，但会影响疲劳性能；重复使用导致的粉末流动性的改变是造成疲劳行为位置依赖性的主要原因。该研究也为粉末特性变化如何影响机械性能提供了一个新的视角。 吴鑫华院士在一次演讲中提到，打印参数的优化并不是一个静止的过程，如果要循环使用粉末，那么打印参数还要继续优化。本研究的粉末循环批次只有15次，实际的生产会比此多。 注：研究原文可在QQ群查询。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.金属3D打印工艺链对TC4粉末性能的影响 2.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 3.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 4.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化

欧洲焊接联合会（EWF）作为欧洲焊接界的代表，主要开展研究及解决一切与焊接相关的问题。其推出的统一的焊接人员培训与资格认证体系在几十个国家得到相互认可。鉴于增材制造的快速发展，以及金属3D打印与焊接的工艺相近性，EWF发起了一项国际增材制造人员职业资格培训与认证制度。该制度已经在许多欧洲国家开始实施，未来几年内将会进一步扩展。本期，我们来看这项国际性的增材制造培训标准具有怎样的权威性。 3D打印从业人员培训与认证体系 EWF充分利用其在开发统一的培训体系中的经验，结合市场研究、收集有关当前市场技能需求的数据，与行业专业人士和学者进行讨论，推出了关于金属增材制造从业人员的七种资格认证体系——三种3D打印机操作员资格认证、一种3D打印协调员资格认证以及三种金属3D打印工艺工程师资格认证。 这七项资格认证都集中在与焊接密切相关的四种金属增材制造工艺中：基于激光和电子束的粉末床熔融PBF技术，以及基于激光/电弧的能量沉积DED技术。资格认证系统具有模块化体系，可提供灵活和个性化的培训课程。 金属3D打印操作员、协调员和工程师的执业资格所涵盖的模块和能力单元 接下来，我们以SLM技术为例，说明操作员与工程师培训的差异。SLM操作员和工艺工程师都是具有特定知识和技能，以及自主权和责任感的专业人员。 操作员需要能够使用金属SLM打印机，具备解决问题的能力，主要任务包括： 能够操作3D打印机，并能进行设备维修和维护； 能够进行打印机光束的测量与定位; 可进行零件的后处理，拥有粉末管理知识； 可针对SLM工艺相关的基本和特定问题提出解决方案。 工艺工程师主要是在生产过程中规划打印工艺，确保增材制造零件的高效生产和后处理。主要职责包括： 根据零件的具体应用、材料、设计和成本，评估客户要求的制造适用性，确定哪些工艺适合该要求； 应用多种工程技术，通过比较和研究，制定综合性的解决方案，为项目运行做出贡献； 制定和执行SLM生产方案，包括设计、打印、前处理和后处理操作的验证，确保零件质量的一致性，分析技术问题的产生原因并制定解决方案； 根据工作计划进行操作员任务分配，并协调他们与管理人员之间的关系。 两种资格培训的准入条件也有不同，操作人员只需要具备国家义务教育的凭证，而工艺工程师则需要具备机械、材料、航空、材料或类似专业的工程学位。 操作员的培训围绕设备操作、维护和制造管理进行，包含了与之相关的光束验证、粉末管理、零件后处理以及从业安全等。培训时长至少84小时，而要熟练掌握规定的技能，培训体系指出至少需要付出168小时。受训者必须对每个模块都经过测试并达到评估标准才能获得认证，而航空航天部门的操作人员则具有更严格的评价标准。 金属3D打印（PBF）操作员培训体系 金属3D打印（PBF）操作员培训等级 操作人员共设置了四个级别：INDEPENDENT、SPECIALIZED、ADVANCED 以及EXPERT，每个级别所能达到的技能和权责有很大区别。其中，SPECIALIZED级别允许操作人员运用专业认知和技能，为金属增材制造过程中的常见或常规问题制定解决方案，并负有管理和监督低级别人员的义务。EXPERT级别则可以在高度复杂的环境中管理和优化金属增材制造工艺，为不可预测情况开发最佳和最经济性的解决方案，并全权负责增材制造生产计划。 工艺工程师的培训内容除了基本的工艺设定外，还包括后处理、材料、过程控制、生产过程协调管理、零件质量评估、设备状况分析等高度专业的知识和技能。培训时长至少273小时，涉及5项一般强制性主题以及不少于两项的材料专业化学习，而如果要全面掌握培训技能，至少需要花费两倍的时间。 金属3D打印（PBF）工艺工程师培训体系 金属3D打印（PBF）工艺工程师培训等级 同样的，工程师的级别也分为了上述四个级别。其中，INDEPENDENT级别只要求工程师具有解决简单和特定金属增材制造问题的知识和技能，仅负责基础工作中的决策；而ADVANCED级别则需要具备先进的解决问题的能力，包括严格评估、在复杂且不可预测的条件下确定最优工艺和最经济性的解决方案，自主管理增材制造应用项目等。 END 除了针对于不同金属增材制造工艺的培训内容外，EWF还正在开发关于增材制造设计、认证和其他技术操作人员的培训内容和标准。 相比较来说，国内还没有如此细致的培训标准发布，从业现状也存在着发展不均的问题，有的公司研发和操作分的很清，而有的公司研发人员则不得不操作设备。这是技术发展阶段所限，也是行业不成熟、企业盈利不足的表现。 本期上传：EWF金属3D打印操作人员和工程师培训标准完整版本。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.欧洲8国21家机构携手推进多材料、多工艺协同金属3D打印 2.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 3.专门的增材制造业务部门对整个公司采用新工艺的重要性 4.深度：增长再次加速？公司开启3D打印战略的路径与建议

点阵结构一般是指由金属杆、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爆炸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爆炸冲击性能作用，其在坦克防护装甲和舰船结构水下抗爆方面均有应用。 电影中的点阵结构的防冲击场景 如今，点阵金属夹芯结构应用于轻质装甲以增加其抗爆性能的研究也开始增多。点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击问题是一个非均质材料结构在动载作用下响应的复杂动力学问题，关于点阵金属材料的力学特性研究正处于基础研究阶段，主要集中在点阵金属夹芯梁、板等结构的抗爆炸冲击和弹道冲击方面。 材料的微观结构对其吸收冲击的能力发挥着巨大作用。近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员发现了一种特别好用的结构，这种具有紧密空间的分形结构比固体立方体的冲击波消散能力强出五倍。这可能为头盔、盔甲和其他防护用品的改造升级带来了新动力。 3D打印的晶格结构的ct图像及三维重建 一些减轻冲击的材料利用孔隙率和分层结构来减小冲击强度，但传统的制造手段使这些材料往往缺乏结构控制，并且很大程度上需要通过反复试验开发。也有研究试图通过吸收能量的冲击驱动反应来减小冲击波的大小，但仍然需要具有尺寸稳定性和可定制机械性能的结构材料。 3D打印在材料结构控制方面的优势不必多说，来自LANL研究人员通过分形界面主导结构中孔隙的三维排列演示了冲击波的耗散。具有低至100µm自由表面间距的孔隙或自由表面的受控布置有望在适当的时间尺度上产生建设性的稀疏波前相互作用，从而减少通过结构的冲击波幅度。 不同的分层结构及防冲击测试结果 采用光固化工艺打印的点阵结构被以约每小时670英里的速度发射撞击器，结果发现结构化的立方体比相同材料的固体立方体对冲击的消散作用高出五倍。 然而目前尚不清楚分形结构是否是最好的减震设计。研究人员正在测试其他基于空隙或界面的模式，以寻找理想的结构来消散冲击。3D打印的点阵结构距离真正的装甲防护可能还有些距离，但其在体育用品上已经获得了应用，尤其是3D打印的减震头盔。 分割线 国外有研究人员分别测试了由惠普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。该项目获得了欧盟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。 研究团队设计和打印的几种点阵结构 动态冲击测试是采用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。 不同结构的3D打印点阵防撞击测试 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，研究人员需要从中选出最佳的结构。截至目前，HP、Carbon等公司均推出了基于3D打印工艺的点阵结构运动头盔。 最佳点阵结构 中国设计师开发的点阵结构运动头盔 不过，虽然点阵结构极具魅力和吸引力，但目前仍然有一些障碍使其很难用在实际生产中，尤其对于金属点阵结构。一个关键的挑战是要证明设计的性能可靠性，特别是在抗疲劳方面。由于点阵结构的表面和尖锐的交叉点很多，这带来了应力集中，在实际批量零件生产中如何解决这一问题存在一定的挑战。 另一个相关的问题是如何验证制造质量。点阵结构的复杂性使得难以通过传统方式检查，CT扫描确实提供了一种解决方案，但这种方法非常昂贵，开发简单有效的质量检测手段也是影响其应用的一大限制。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：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.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 3.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 4.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计

从CFM LEAP发动机燃油喷嘴重新设计，到2015年获得FAA认证，GE航空采纳增材制造技术已有十年之久。如今，GE9X 等其他发动机也正在大量使用增材技术制造的零部件。GE航空指出，采用增材制造进行批量生产，需要仔细规划、对潜在风险的认识以及对细节的极大关注。如果方法得当，增材制造可以带来巨大的益处，如缩短生产周期、节约成本、整合零部件数量、减少浪费，提高可持续性和加强供应链等等。 本期，GE航空将分享他们在增材制造通往批量生产的道路上的历程和经验教训。 01边做边学GE Aviation大约在十年前开始采用增材制造技术，然而它的使用历程并非一帆风顺，更可以用摸着石头过河来形容。经过十年发展，GE已经采用增材制造取得了产品的跨越式发展，在行业应用中更是起着引导示范作用。 1. Leap燃油喷嘴 对增材制造技术的使用，源于当时对CFM LEAP大涵道比涡轮风扇发动机燃油喷嘴的重新设计。传统上，飞机发动机燃油喷嘴是用一系列复杂零件通过钎焊制成最终形状，这往往造成工艺产量低、耐久性差，并且工程师很难进行优化设计以满足要求。 以前，这种复杂的金属部件由20个组件构成。如今，通过3D打印，燃油嘴已经变成一个单一零件。2015年，GE Aviation生产了第一个经美国联邦航空管理局认证的增材制造燃油喷嘴。自此以后，新燃油喷嘴的生产数量已经超过60000个，将零件的库存减少了95%，并将组件的成本降低了30%。 以增材制造为理念，从零开始重新设计喷嘴，零件的生命周期由于下列原因获得显著改变： 燃油喷嘴减重25%，从而降低了飞机寿命期间的燃油消耗； 燃油喷嘴寿命延长了5倍； 由于制造过程中材料利用率提高，原材料消耗大幅降低。 在零件开发过程中，GE Additive和GE Aviation的设计师、制造工程师和质量团队在同一地点办公，这增加了整个团队的协作，促进了决策制定，使得他们能够快速解决任何技术问题。 leap燃油喷嘴 2. GEnx-2B电动开门系统 (PDOS)支架 2018年11月，GE Aviation获得了美国联邦航空局的批准，用一种增材制造的支架来取代GEnx-2B发动机上的一个传统支架。新的支架用于电动开门系统(PDOS)，使得GEnx的风扇罩能够轻松打开和关闭，以便快速维检。 通过使用现有的粉末和材料规范以及数据集，GE Additive和GE Aviation的工程师们密切合作，加快了这个本来可能需要航空工业数年时间的开发进程。借助GE的所有最佳实践，该零件在不到10个月的时间内就从设计阶段进入了生产阶段。 GEnx-2B电动开门系统 (PDOS)支架 确保每种材料的性能数据都能够代表不同制造工艺和不同形状的打印零件的性能，这一点至关重要。GE Aviation并没有根本上改变PDOS支架的设计，或针对增材制造来对进行设计优化。他们选择使用已经获得美国联邦航空局批准的钴铬合金，以及一个已经通过燃油嘴认证的数据集，来打印这一零件。采用GE Additive的Concept Laser M2打印机每次可打印四个支架（每架飞机所需），实现了降低零件成本的计划目标之一。 采用增材制造技术来生产PDOS支架的成果非常出色。新支架的重量减少了10%，降低了90%的材料浪费，零件通过内部制造显著降低了供应链成本。 3. GE9X钛铝低压涡轮叶片 在其位于意大利卡梅里的工厂，GE Aviation的子公司Avio Aero正在为波音下一代777X喷气式飞机制造用于GE9X发动机的涡轮叶片。这些叶片在发动机内以每分钟2500次的速度旋转，并承受高温和巨大的作用力。 Avio Aero的现代化工厂拥有超过35台Arcam EBM A2X和Spectra H设备。每台A2X打印机可以在大约三天内用3千瓦的大功率电子束同时打印六个涡轮叶片。新的Arcam Spectra H打印机通过电子束逐层加热并熔化钛铝 (TiAl)粉末，可以在大约相同的时间内生产多达10个叶片，每个叶片的高度约40厘米。 2020-2023生产高峰预测：每年将生产6万个叶片 增材制造的TiAl合金叶片的重量是航空用传统镍基合金涡轮叶片的一半。对于GE9X发动机，这意味着与它的前身GE90相比，油耗降低了10%（同时也减少排放）。 部门协作再次成为Avio Aero成功转向连续生产的关键。一个由GE Additive技术人员组成的专门团队驻扎在卡梅里工厂，直接与Avio Aero团队合作，为EBM机器提供支持和维修。在Arcam位于瑞典哥德堡的总部，一个由10人组成的特殊团队专门为Avio Aero提供支持，并与意大利的现场同事密切合作。 02拥抱变革这三个关于连续增材生产的真实案例研究也让整个GE的各个团队经历了重要的学习过程，这些团队在这一过程中汲取了变革管理方面的宝贵经验。 制定一个计划和商业案例，详细说明为什么增材制造在具体情况下是有意义的，应该是形成增材技术战略的第一步。 GE Additive验证过的应用 许多金属增材技术的使用者最初都表现出高昂的热情，并且兴奋地投入其中。然而，一系列的生产问题，如打印停止、打印失败、不同设备间的偏差以及打印批次的偏差，会引起慌乱并导致团队热情下降。在这些问题得到解决和克服之前，可能会出现一个称为“幻灭低谷”的阶段。 重要的是要把连续增材生产之路视为一场马拉松，而非短跑冲刺。一旦这些障碍得到解决，连续生产开始成为现实，领导层就会意识到并接纳增材制造技术对其企业的影响。 03应对生产挑战采用增材制造进行连续生产，通常会遇到三个主要的生产问题： 1. 打印的可重复性 这可能包括不同现场或不同机器之间的偏差，或者不同粉末批次的变化；当在单台机器上使用单一粉末批次，在一个打印过程中制造单个零件时，这些偏差通常不会出现。 在查找导致变化的关键因素的过程中，识别“关键因素”是至关重要的。其中包括与机器相关的因素，如参数中的“工艺设定”（功率、速度、间距）、腔室环境（即气流和氧气）或机械校准；其他关键因素可能与粉末组分、粉末处理和后处理工艺有关；对于功率和气流等问题，控制在一定范围也很重要，在整个加工基板的范围内，可以接受怎样的偏差等等。 当机器未被“锁定”在某个生产配置，或者操作和维护机器的指导不完整时，也会出现问题。另外，也要考虑指定预防性的维护计划。例如，需要多久验证一次机器标定？需要多久重新标定一次氧浓度传感器，或者检查机器内的气体流速？需要多久更换一次过滤器？记录、维护和控制所有这些因素很重要。 2. 零件质量 为了实现一贯的零件质量，重要的是建立一个可靠的质量计划，而这涉及多个部门，其中包括工艺设计、制造和品控。品控架构需要清楚了解设计意图是什么，以及制造团队如何制造这个零件来满足这个意图。 首先，制定一个总体控制计划，并建立检查策略。3D打印使非常复杂的几何形状制造成为可能，但这可能给那些负责检查这些零件的人带来新的问题。为此，要确保达到设计意图，怎样的检测技术是最好的——白光、CMM、X光、FPI，还是CT？ 零件质量始于粉末——如何考察供应商供货规格，以及如何处理粉末。重要的是创建并坚持适当的金属粉末处理和储存流程，同时进行连续过程验证，以确保拥有一套稳定工艺。 从事传统制造业的人可能不熟悉其中所涉及的方方面面。粉末可以重复使用和回收，但需要仔细存档，并且必须遵守适当的环境、健康和安全程序。 增材制造零件质量控制和评价需要确定标准 3.…

增材制造是多领域技术深度融合的产业，我国正处于技术集中突破期、产业高速发展期，亟需各类优质资源大规模投入。而当前，多领域人才短缺已成为制约我国增材制造产业健康快速发展瓶颈之一。本文由工信部装备工业发展中心李方正博士重点解读增材制造人才现状，分析我国增材制造人才发展面临的短板弱项，对于推动我国增材制造产业健康可持续发展具有重要意义。 01 我国增材制造从业人员现状分析 经统计分析，截至2018年底， 我国增材制造产业从业人员规模约为2万人，并呈逐年上升趋势。 1. 从人才类型来看，科研型人才占比最高 由于增材制造技术和行业的特殊性，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。其中，技能型人才是指具有某一学科专业基础，又能将这一学科的专业基础与增材制造技术充分融合的人才；科研型人才是指主要从事增材制造专用材料研发、工艺技术优化、设备开发等相关领域研究的人才；管理型人才作为增材制造技术与市场能力的汇总者， 是增材制造行业的管理型复合人才，需要对增材制造产业链有着全面的了解。经统计，如图1所示，当前企业从业人员存量构成中，科研型人才占比最高，达到43%；其次是技能型人才，占比39%；管理型人才占比最低，仅为18%。这也说明，增材制造产业正处于发展初期，需要大量智力和技术资源投入。 图1 增材制造企业从业人员人才分类（数据来源：中国增材制造产业联盟） 2. 从年龄结构看，中青年人才占主导地位 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，有利于中小型企业的持续发展。 图2企业从业人员年龄结构（数据来源：中国增材制造产业联盟） 3. 从学历结构来看，高学历人才占比较高 如图3所示，本科及以上学历从业人员比例占到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。 图3企业从业人员学历结构饼状图（数据来源：中国增材制造产业联盟） 4. 从供给结构看，高校仍为人才供给主力军 当前企业人才供给来源中，高校培养的科研型人才、管理型人才占主导地位。增材制造是信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的产物，目前普通高等学校本科专业中还未专门设置增材制造专业，仅开设增材制造领域的公共课程或基于传统专业开设的“3D打印精英班”。一批高校起步相对较早，培养的大批人才流向了增材制造科研、材料制备、装备制造等领域。在职业教育领域，偏向于应用型人才培养，目前职业教育人才培养刚刚起步，正处于探索专业体系建设、健全人才培养模式阶段。 5. 从需求结构看，高技能应用型人才需求更为迫切 中国增材制造产业联盟摸底统计数据显示，如图4所示，在2016-2018年的3年间，我国企业人才需求规模逐年增长，年均增速超过20%，统计结果显示，相关企业对增材制造业务推广、软件工程师、材料/工艺研发工程师、应用工程师等岗位需求较高，分别为18%、16%、13%、10%。我国增材制造企业超过500家，未来3年的人才需求规模预计在5万人以上。通过对人才需求岗位情况统计也可以发现，行业已经对增材制造的智能化趋势作出了反应，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复合专业知识的人才。 图4 企业岗位需求情况（数据来源：中国增材制造产业联盟） 6. 从薪酬水平看，整体处于中游水平 如图5所示，从全行业平均薪资水平来看，国内增材制造行业的整体薪酬处于制造业中游水平。但由于近年来产业的快速发展，增材制造人才培养与产业增速不匹配问题突出，造成各企业间人才争夺现象严重，人才流动速度加快，造成了人才大量流失。 图5 2016-2018年企业从业人员数量统计（数据来源：中国增材制造产业联盟）如下表所示，国内增材制造从业人员薪酬水平普遍较低，主要原因有：一是当前产业发展规模依然较小，众多民营企业经营困难，从业人员的薪水无法在短时间内得到明显提升；二是整个行业还未建立起明确的薪资标准，企业给出的薪资无据可依，薪资差异化明显。 我国增材制造行业应届毕业生薪酬情况 02 我国增材制造人才短板分析 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、应用等方面科研型和技能型人才数量短缺将达到800万规模。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匮乏，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存在一定差距，学生创新能力培养水平有待提升；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，此外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；而企业作为人才培养的重要渠道，也还未发挥出相应的作用，行业内大部分企业对人才培训缺乏认识，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自身的管理经验和技能，逐步成长为符合增材制造行业特点的复合型管理人才。但是，现有增材制造管理人才培养模式和渠道过于单一，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，未建立起基于增材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，同时也会造成我国增材制造管理人才发展出现一个断层，不利于我国增材制造产业链的高质量发展。 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。人才认证工作的缺失使得增材制造人才的培养缺乏指导，培养方向、标准、目标不明晰，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，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。 03 结束语 在以上分析的基础上，李方正博士还叙述了国外增材制造人才的发展经验，同时从完善高校人才培养体系建设、加强职业技能人才队伍建设、优化增材制造人才发展环境三个方面给出了我国增材制造人才发展的对策建议，对于推动我国增材制造产业健康可持续发展具有重要意义。 注：分析文章全文已上传qq群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.职业平台报告：3D打印人才技能的要求有哪些？ 2.薪资调查2019：随着市场的发展，3D打印行业的工资水平下降了？ 3.未来3D打印会有高收入吗 4.从数据看全球领先的3D打印公司的研发概况 --广告--