注：本文内容由峰瑞资本委托发布，作者：颜黔杭。 十余年前，3D打印风头正盛。2012年，美国《时代周刊》将3D打印产业列为“美国10大增长最快的工业”。同一年，中国3D打印技术产业联盟正式成立，多地建设3D打印产业园区。2013年，德国提出工业4.0发展战略，旨在提升制造业的智能化水平，而3D打印是4.0战略中的关键一环。 淡出公众视线之后，3D打印并没有停止发展的脚步。 2019年，通用航空研发出世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机。2022年，生物3D打印机制造出了心肌组织与毛细血管。2023年，Meta（原Facebook）宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机器人。 本月，中国的研究团队，通过干细胞分离、工厂化培养与组织化构建技术，用细胞培养出大黄鱼组织仿真鱼排。 3D打印过去数十年经历了怎样的发展？如今在哪些领域落地？未来又会有怎样的发展？在本篇报告，我们将聚焦3D打印，探讨以下问题： 3D打印如何与最新的AIGC技术相结合？ 为什么3D打印最先在航空航天和牙科落地？ 生物技术和3D打印相结合，会碰撞出什么样的火花？ 为什么说混合加工是3D打印的未来？ 3D打印有哪些优势和劣势？ 希望能带来新的思考角度。如果你也关注3D打印，或者在前沿科技领域创业，欢迎联系本文作者，峰瑞资本副总裁颜黔杭（qianhang@freesvc.com）。 互动福利 你认为3D打印会创造哪些新的机会？欢迎在评论区和我们聊聊。留言最走心的5位用户将获得《3D打印：从想象到现实》这本书。本书讲述了3D打印技术的突破性发展。期待你的分享~/ 01 /3D打印，给AI配上了双手 我们可以把3D打印理解为“聚沙成塔”。3D打印又称为增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等其他材料逐层铺设打印，最后形成三维物体的制造方法。 无论是零维的点，一维的线，二维的面，最终都能聚合形成三维的实体。  就像在日常生活中，小孩子会用沙堆城堡，用积木搭建出想要的形状。我们可以把沙子理解成零维的点，被不断累加、堆叠之后，沙子就变成了三维的状态。 3D打印的起点是数字化的模型，终点是现实的物理实体。因此，3D打印相当于几何模型到真实物体的现实映射。3D打印和当下热门的大模型非常适配。人们可以通过大模型输出设计模型，再由3D打印机把物品制造出来。如果说AIGC与大模型是给AI配上了一支画笔，3D打印技术则是给AI配上了在现实中凭空制造物体的手。 2022年12月，OpenAI曾发布Point-E模型，只需几秒钟即可根据文本生成3D资产。 2023年5月，OpenAI再次发布了升级模型Shap-E，能够生成更高质量的模型。通过3D打印技术，这类由AI快速制作的3D资产，就能自动转化为物理世界中的真实模型。  ▲OpenAI发布的升级模型Shap-E生成的3D资产。图片来源：github 而Meta（原Facebook）也于2023年宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机器人。  ▲图片来源：3dnatives.com 关于3D打印的话题，近年来的讨论已经逐渐从过去30年的制造与材料科学的视角，转向了全新的领域。人工智能在3D打印领域的飞速应用，挑战了传统的3D模型制作方式。传统的制作方式，大多依赖设计师与工程师的专业能力。 借助于AIGC以及AI 3D扫描重建应用，即使是初级用户，也能轻松地创建大量属于自己的3D模型资产。 而ChatGPT这类具备逻辑能力的大语言模型快速崛起，让我们看到了通过简单语言交互即可实现3D打印工作的可能性。甚至在传统复杂的3D打印工艺编程上，大语言模型也展现出巨大潜力。未来，这类大语言模型能成为用户3D打印时靠谱的“老师傅”。 人工智能与3D打印，让人们打开了对未来的想象空间。然而，相比于借助其他领域的新技术，3D打印当前面临的核心工艺问题，比如力学性能有限以及表面精度不足，仍需由3D打印技术自身来解决。 这些挑战意味着新的技术创新机会。无论是从创业，还是投资的角度，抓住能解决当下3D打印工艺与应用局限的新技术，或许就拥有了成功的入场券。 / 02 /3D打印背后的工业哲学：减材VS增材 现代3D打印技术从何而来？  ▲图片来源: scitechdaily 日本名古屋市工业研究所的久田秀夫（Hideo Kodama）发明了利用大桶光敏聚合物成型的三维模型增材制造方法。 1980年5月，久田秀夫申请了与该技术有关的第一项专利。 1983年，美国人Chuck Hull成功发明SLA打印技术（Stereo Lithography Appearance，光固化成型技术），通过激光来催化光敏树脂成型，并制造出3D打印部件。 1986年，Chuck Hull基于SLA技术，创立3D systems copration。 1987年，公司推出了世界上第一台商业3D打印系统。 之后二十多年，各类新的3D打印技术（FDM、SLM以及CLIP等）不断诞生，打印的基础材料也从光敏树脂拓展到了金属粉末、生物墨水以及混凝土等等。 早在3D打印技术还没有爆红的2003年，隐形矫治就已经在运用3D打印技术制造牙齿模型。可以说，隐形矫治领域，是最早采用3D打印技术，实现批量化生产商品的民用细分领域之一。我们会在下文详细展开为什么3D打印机会最早广泛应用于牙科领域。 2008年，第一次有人穿戴3D打印的假肢（比如膝盖、脚、关节等）走上街头。 2012年，3D Systems推出世界首款开箱即用3D打印机Cube。  ▲Cube打印机&打印出的物体。图片来源：Amazon 随着2008年FDM和2013年SLA的关键专利到期，相关技术逐步开源，消费级3D打印市场迎来诸多新玩家，3D打印第一次出圈走到了大众面前。 在硬件方面，自2014年开始，消费级3D打印机热潮涌起，创想三维、3D Systems等公司推出更具性价比和易用性的产品，人们开始展望3D打印技术走入各行各业、家家户户的未来。 一场即将颠覆的制造技术革命正在酝酿之中。人工智能带来的智能化以及硬件的不断进步，让3D打印技术的爆发看起来指日可待。 然后，过去近十年，3D打印仍然像一种稀有商品，仅在工业的某些特定领域以及海外极客的工作室中出现。 关于3D打印的质量、材料、用户体验以及有限的应用场景等问题，一直存在争议，但这并未阻止3D打印技术的发展。在牙科及航空航天领域，3D打印新技术稳扎稳打，为行业实实在在降低了成本，提高了效率。 我们在上文提到，3D打印有个别称之一叫增材制造。工业制造领域有两大类制造思路，一种是减材制造，另一种就是增材制造。 减材制造起源于工业革命。火车、轮船、电机以及汽车等传统机械产品，都是减材制造的产物。减材制造通过各种方式切割、去除原始材料，制造出零部件与工具。这个过程中，材料会损耗。比如现代金属制造业，使用的车、铣、刨、磨、钻等切割工艺，就是减材制造技术。 而在3D打印过程中，材料不断增加成型，正好与减材制造工艺相反，因此被称为增材制造。 从本质上，减材与增材最根本的区别在于，减材的材料与成型过程是解耦的，而增材的材料与成型过程是耦合的。耦合和解耦是系统工程中常用的概念。 耦合可以理解为各个部分之间的连接程度，在高耦合的系统中，各部分之间的依赖性强。在低耦合系统中，各部分之间相互独立。解耦是指将高耦合的系统改成低耦合的系统。 用减材的思路生产物品时，无论是使用了什么锻造方式或者处理工艺，从最初的材料到成型的物品，都近似保持了原有的材料力学特性和强度。 例如制造减速箱齿轮，所用的材料是经由齿轮钢材锻造而成的齿轮毛坯，然后再进行切削处理，得到最终的成品。最终，齿轮的材料力学性质主要由毛坯决定。 增材则是一个耦合的过程，物件最终的力学性能和微观结构与成型工艺息息相关。骨科植入材料是非常典型的例子。人们通过改变材料的孔隙率，调整植入材料的强度，从而更适配不同类型的人体组织。这是普通的金属材料加工技术很难实现的。 具体而言，两种工具制造思路各有优劣。 减材的优势在于，适用于大批量生产；成型精度更高，表面质量更好；减材类型的打印技术已经成熟，门槛低；利用减材技术打印的产品，有更好的成品力学性能。 减材的劣势在于，很难加工结构复杂的或者微型的零件。其次，如果使用减材技术，材料利用率相对较低。比如，在航空制造领域，以飞机中框架为例，需要用大约3吨的毛坯材料，才能制作成150kg的成型零件。  ▲图片来源：NC Military Business Center 增材适用于小批量生产；加工性强，能制造极端复杂的几何结构。增材制造的利用率高，制造流程简单。 比如，在牙齿正畸领域，制作牙齿模型、人工牙冠以及牙齿贴片等等，如果利用传统方法，制作周期往往需要6到7天，如果采用3D打印，制作时间会缩短到数十分钟。 但增材的劣势也很明显，加工出的物品力学强度可能有限，整体质量可能不如使用减材技术制造的产品。比如，常见飞机发动机叶片对应的金属材料，很难用3D打印来实现。发动机在严酷的高温工作环境中作业，需要单晶钛合金这类非常特殊的金属材料进行减材成型，才能满足发动机的性能要求。 理解了增材和减材背后的底层逻辑，我们就能更清楚地意识到为什么3D打印还存在一些缺陷，以及为什么现在3D打印能够在部分行业应用，而没有被更广泛地应用。 / 03 /3D打印的流程 了解了3D打印的发展历史，我们再来把目光聚焦到3D打印的具体流程。与传统制造工艺相比，3D打印流程并不复杂，包含模型设计、加工规划、打印成型以及后处理这四大步骤。借助这些步骤，3D打印把数字世界，映射到真实物理世界。 ▍模型设计 在模型设计阶段，3D打印主要利用创成式设计这种技术。 创成式设计以拓扑优化技术为基础，在给定的设计目标下，例如轻量化、提高散热性能等等，直接生成满足需求但结构复杂的设计。这样的复杂结构，难以用传统减材制造工艺实现，我们很难做出内部镂空，但强度保持不变的结构。如今，这些问题都能都被3D打印解决。 市场中已经有在3D打印、工业设计软件领域发力的创业公司。比如，峰瑞已投企业优解未来是国内为数不多的，自主研发新一代智能设计拓扑优化SaaS平台的公司。 ▍加工规划 在加工规划环节，需要先把3D打印模型逐步“切片”，分解加工步骤，生成打印轨迹规划。此外，还要给3D打印模型设计支撑结构。打印过程中，物品需要有一定支撑，保持稳定性。 ▍打印成型 加工规划完成后，人们需要把一系列加工代码发给打印机。打印技术有许多种，比如选择性激光烧结、选择性激光熔融、光固化成型技术等等（具体详见下图）。  ▲3D打印相关技术。图片来源：亿渡数据 ▍后处理 打印成型并不意味着结束，还涉及非常复杂的后处理，比如去掉支撑结构、上色、精加工、打磨等等。后处理这道工序主要是为了弥补3D打印本身性能的不足，提升成型物体的精度与表面质量。 / 04 /3D打印的优势 ▍几何复杂性 3D打印提升了制造的灵活度，能实现高度个性化定制。一些结构复杂的设计，3D打印也能够实现。 ▍材料复杂性 人们可以通过3D技术，打印多孔结构或者多种材料复合的结构，让物品实现强度、功能等不同梯度的变化。 ▍层次复杂性 传统加工技术难以实现多尺度跨越加工。而3D打印技术的跨度非常大，可以用同一种技术原理，覆盖从微观到宏观的制造。 在微观制造尺度，2016年，科学家利用3D打印领域里的双光子直写技术，制成了目前世界上最小的用于肠胃检查的内窥镜。  ▲图片来源：格物者 在宏观制造尺度，2020年，河北工业大学团队打印出长达28米的新版“赵州桥”。  ▲河北工业大学3D打印赵州桥全貌。图片来源：河北日报 ▍功能复杂性 在工业领域，复杂的结构需要将每个零件单独加工，再装配到一起。把复杂的零件一体化，是工业领域对3D打印需求最大的地方。 / 05 /3D打印的缺点 当前3D打印有哪些缺点，这些缺点导致了3D打印不能在某些领域应用？或者即使应用，也要增加成本来补足缺陷？ 第一，力学性能有限。  ▲图片来源：3D打印技术参考 3D打印有可能出现表面与材料内部存在粉末未熔、微裂纹、孔隙等缺陷，因此零件的力学性能，例如强度、耐磨以及抗疲劳均不如减材制造的零件。为了保证成型物品性能，人们需要选用高价的原材料，以及更保守的工艺设计，最终成本变高，耗时增多。 第二，表面精度不足。 如果我们借助减材技术，比如车削、铣削、磨削等等，物体表面精度会更高。如果用3D打印，只能通过后道工艺，继续打磨，或者进行化学抛光。但这些后道工序会增加成本。  ▲左图为3D打印直接成型的物品，右图为经过后处理的物品。图片来源：3D打印技术参考 力学能力有限以及表面精度不足这两大缺点，限制了3D打印技术在其他领域的应用。如果3D打印想要应用在更多领域，需要改进这些缺点，或者提高后道工艺的效率。 / 06 / 为什么3D打印最先在航空航天和牙科落地？ 目前，在医疗保健、航空航天、汽车和体育用品等领域，都能看到3D打印技术的身影。而航空航天和牙科领域，3D打印技术被应用得尤为广泛。这两个都是典型的高附加值、高客单价行业，3D打印技术能够助力这两个行业提高产品成型的效率。 ▍航空航天 20世纪以来，几乎最新、最好的制造技术，第一时间都被用在了航空航天领域。 比如50年前的CNC技术（Computerized Numerical Control，计算机数字化控制，利用数字化对机床运动及加工过程进行控制），以及如今的3D打印技术。 为什么航空航天领域适合使用新技术？ 航空航天是典型的高附加值、高客单价、小批量、高迭代、多SKU的行业，一个零件的造价可能高达数十万甚至数百万。航空航天在轻量化、复杂结构的一次成型、节省材料以及灵活验证迭代等方面的制造需求，跟3D打印的属性非常契合。 “锤子”和“钉子”匹配得恰到好处，航空航天可以说是3D打印在工业界应用最多的细分领域。 比如，通用航空于2019年研发出了世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机。 发动机里的中框组件，原本由300多个单独的零件组装而成。通用航空通过结构优化，将中框组件变成了单一的零件结构，借助3D打印实现一体成型。3D工艺让中框组件轻量化的同时，也降低了制造成本。  ▲涡轮螺旋桨发动机的中框组件由过去的300个零件优化为一个。图片来源：3Dprint.com 此外，美国国家航空航天局（NASA）通过3D打印技术，制造出了火箭发动机喷嘴，并于2014年成功点火试飞。 NASA的工程师称，“如果用传统制造方法，要造163个单独零件然后再组装起来，但3D打印只需2个零件，不仅节约了时间金钱，而且造出的部件能提高火箭发动机性能，减少失败可能性。” ▍牙科 除了航空航天，3D打印也在牙科领域被广泛应用。 牙科领域的需求特别个性化，尤其是正畸过程中，每个阶段牙齿都会有变化，需要定制化、分阶段的技术方案。如今在牙齿正畸领域，钢丝牙套逐渐退出大众视野，隐形牙套取而代之。 隐形牙套技术是典型的交叉学科技术，涉及口腔医学、计算机科学、生物力学、3D打印以及材料学等多学科的知识。制作隐形牙套时，很多环节需要3D打印技术。比如牙医设计矫正方案，要用到3D动态设计软件。制作牙模，也要用到3D打印机。  ▲图片来源：创想三维 传统制作正畸牙模需要多次取模、制作、调整，而且会有一定的精度误差。而3D打印技术通过数字建模，减小模型误差，能够提制作出精密度更高的牙齿模型。 我们在上文提到，3D打印出的物品力学性能有限，为什么这项技术还能在牙科以及航空航天领域广泛应用？ 3D打印的牙齿模型并不会直接作用于患者，只是为了制作牙齿模型，帮助牙科医生制作矫正器。大多数矫治器是用高分子材料，压在牙齿模型上倒模出来的，3D打印只是解决了过渡期间的需求。不过目前也有少数机构，通过更精细的3D打印技术，制作矫正器。 航空航天领域也是如此，人们一般不会将3D打印材料用在精度要求极其高的器件上。很多火箭也都是一次性的。 / 07 /生物3D打印，超越人类想象力的技术 除了航空航天以及牙科领域，未来3D打印也有望被更广泛地应用于生物3D打印。生物3D打印是指用含有活细胞的混合物作为基础材料，打印出活体组织器官。 3D打印在生物领域的应用大多处于探索阶段。根据贺永等浙大学者的梳理总结，生物3D打印大致可划分为4个层次：  第一层次为制造无生物相容性要求的结构，比如目前广泛应用于手术路径规划的3D打印等； 第二层次为制造有生物相容性要求、不可降解的制品，比如钛合金关节、缺损修复的硅胶假体等； 第三层次为制造有生物相容性要求，可降解的制品，比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等； 第四层次就是狭义生物3D打印，即操纵活细胞构建仿生三维组织，比如打印药物筛选及机理研究用的细胞模型、肝单元、皮肤、血管等。   目前在生物领域，类器官被称为模拟体内微环境最好的技术之一。类器官是在特定培养条件下，使用原代组织、胚胎干细胞或诱导的多能干细胞在体外生成的一种微器官。 人们已经制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的各种类器官。类器官被应用于癌症研究、药物筛选和精准医学领域。但它仅仅在一小块定向培养的微小组织内模拟体内微环境，距离更大尺度的模拟依旧存在距离。 如果我们能直接用3D打印技术，打印出心脏或者肝脏，同样可以用来测试药物，辅助药物研发。2016年，生物3D打印企业Organovo与罗氏制药公司合作开展了一项药物测试，测试结果表明，3D打印的肝脏组织可以被用于区分多种药物的毒性水平。 相比于形态微小的类器官，这些仿生器官从更大尺度上，复刻了生物组织，提供了更丰富的体内环境模拟反馈。  ▲实验室通过改进后的六轴机器人，打印血管及心肌组织。图片来源：《Bioactive Materials》 《Bioactive Materials》发布的研究显示，2022年，有实验室将六轴机器人改造成为生物3D打印机，打印出了心肌组织。这个心肌组织还分布着毛细血管，并在体外维持了六个月的搏动。 既然2022年，已经有实验室能做到这样的打印能力，或许未来，3D打印的生物器官可以被更广泛地用于药物测试。 当然，不止是药物研发，3D打印可能会助益整个生物领域，反哺生物技术研发。 2019年，《微型机器》发表研究称，学者通过改进生物3D技术，打印出感觉神经元。感觉神经元是外周神经系统的一个重要组成部分。未来，当更多类型神经元细胞被成功打印之后，学者就能更直观地观察脑科学技术的效果，从而研发出更精准的脑科学治疗技术。 / 08 /3D打印技术的未来——混合加工 直到今天，3D打印的应用领域还不够广泛。 因为3D技术很难实现规模化生产，人们大多用3D打印技术来实验产品设计或者生产小批量的产品。 在线制造平台HUBS2022年发布报告，调查了人们如何应用3D打印技术。其中62%的受访对象选择用3D打印技术来打样，17%用来制造单批次的零件，11%用来生产多批量的零件，8%用来生产工业制造所用的固定装置，2%用来做美学设计，比如打印鞋子。  ▲图片来源：在线制造平台HUBS 在成本方面，3D打印与传统金属加工工艺差别很大。传统工艺拥有规模效应，当加工量达到一定量级，边际成本将非常低。而3D打印成本下降的速度，远远慢于传统工艺边际成本的下降速度。 图片中有两条线，橙色的线表示传统的制造成本，蓝色的线表示3D打印的制造成本。 两条线的交点就是break-even point（收支平衡点）。如果产品制造数量在这个点左侧，3D打印更具优势。如果产品数量在右侧，那么传统加工方式更具优势。 这也解释了，为什么在航空航天域以及牙科之外，3D打印没有被大规模广泛应用。几乎大部分行业都存在break-even…

增材制造技术为现代制造业提供了自由度高的设计能力。然而工业应用需要对增材制造零部件可靠性问题进行广泛的分析，而重复性问题目前阻碍了该技术向充分、广泛的生产方向发展。随着当前研究的重点扩展到增材制造技术，需要确保现有方法的可重复性。近日，美国德州大学阿灵顿分校机械与航空航天工程学院的研究人员回顾了当前围绕增材制造零件以及类似可变制造过程的零件可靠性分析，概述了增材制造方法的可重复性问题的发生情况和影响。介绍了增材制造的验证方法和当前设计与验证方法的发展，以帮助工业领域采用增材制造技术。相关概述发表于《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊。  原文链接：https://doi.org/10.1007/s11665-023-07897-3增材制造和可靠性介绍  在过去几十年里增材制造技术迅速发展，正受到越来越多的关注。增材制造技术的核心是实现其他方法无法实现的复杂几何形状零件，以小规模生产，并且引入更复杂的零件可以减少子零件的制备。数字化到成品方法的使用减少了制备零件的流程步骤，进一步缩短供应链结构。尽管增材制造技术在制造业中具有明显优势，但在工业上的应用却非常有限。很大原因是由于增材制造零件的可重复性和可靠性较差。要将增材制造技术制备的零件性能实现到传统制造方法的水平，必须注重可靠性。图1是综述论文组成图，表明对可变性、可靠性和最终设计的主题进行分析的必要性。作者这项概述填补目前增材制造研究中可靠性这一首要主题的这些空白。   图1 与可靠性主题相关的综述论文的比例 确保可靠性的流程  可靠性在制造和应用领域发挥着重要作用，尤其是航空航天和汽车等行业严重依赖认证程序来确定零件或结构的可靠性。在当前航空航天领域，工艺、设备和部件的认证对安全高效地使用关键产品至关重要。增材制造C20-29、JSSG-2006和MIL-STD-1530C等文件概述了应用于整个飞机结构的模拟、测试和验证以及后续认证策略。这些指南依赖于模拟结果来帮助零件制备减少成本和时间。由于与生产全尺寸零件相关的巨大成本，一种通用的测试方法被称为图2所示的“构建块”方法。另一种方法通常在增材制造零件中引用，被称为“点测试”。这种方法的特点是用全尺寸零件进行测试。通过对几个全尺寸零件的统计分析来建立设计的完整性，可以在特定情况下优化认证程序。在这种情况下，生产完整零件的成本几乎与生产大量较小样品的成本相同。  图2 用于减少资格鉴定和认证过程中的成本和资源的基本构建块方法通过实验、设计和分析预测可靠性 可靠性指标，如疲劳寿命或几何变化已被证明在增材制造和传统制造技术(如铸造和复合材料)中是相似的。然而可重复性却没有，可靠性需要可重复性。因此首先了解该技术固有的可变性。可变性源于制造技术所固有的工艺条件，如在增材制造方法中可用的一些常见可改变参数（包括扫描速度、构建板温度、层高度和间距等）。在优化可改变参数的实验设计和响应面法方面进行了广泛的研究。按照这种方法，创建流程图将质量特征与可改变的参数联系起来，如图3所示。另外一个大的变化是增材制造中不确定性影响的量化。预处理的变化从来源开始，粉末形态和原料粉末的化学成分是增材制造工艺引入的许多变量的起源。粉末直径、球形度和颗粒附着力的分布影响填料密度和熔化颗粒的流动性，并最终影响表征打印局部热特性的熔池形态。机械变化，如疲劳，强度和缺陷分布，通常出现在增材制造通过所有输入变量的自然波动，几何设计与机械性能相关联，如不同壁厚的样品机械性能不一，不同摆放位置零件性能不一，不同高度部位零件机械性能不一（图4）。此外，粉末的汽化导致粉末液滴形成具有较差的球形特性也会机械性能的变化。增材制造机械性能可靠性的另一关键指标之一源于缺陷密度和分布。   图3 各种工艺缺陷形成与扫描速度和功率映射 图4 不同厚度样品机械性能不一   图5 增材制造样品的不同位置缺陷分布 验证和检查的可变性 无损评估对零件进行检查，不会对零件的功能产生负面影响。正在开发的无损检测技术标准，如ASTM WK47031和ASTM 52908，可以帮助选择无损检测方法。工艺后处理检查，从模拟到物理检验，无损检验提供了检查部件故障或缺陷的方法，以更新部件的预期寿命，并确定部件何时达到预定义的退役标准。图6表明工艺选择可以通过3D-XCT来检验。此外，这项研究还提供了一个关键的力学元素，即临界孔径。临界孔径决定了基于最大检测孔隙的整个零件的强度，提高了增材制造零件在设计和制造方法中彻底无损检验的重要性。增材制造技术在逐层打印方法中提供了独特的优势，可以直接监测打印过程中的异常。破坏性测试是在机械极限下对部件的机械性能进行表征，不适合未来使用。  图6 三维X-CT孔隙度与激光功率的过程映射图，缺陷分布和最大检测孔径的表征对于理解打印组件的机械性能是不可或缺的 增材制造中的可靠性设计  可靠设计的起点是利用研究和测试中发现的统计信息来开发确定设计允许范围的置信带。制定这些限制的一种方法是通过物理测试产生统计信息。然而模拟可能不总是与物理现象一致，但相关性会随时间的推移而提高。在产品开发的初步阶段，通过模拟添加优化设计可以帮助辨别设计决策，在增材制造优化早期具有优势。在物理层面上，使用有限元模拟制造结果，可以帮助减轻昂贵的机械测试。这些结果可以实现可靠性优化，例如减少残余应力和变形。可以确定导致产生可靠结果的最高概率的设计参数。如不简化模型，模拟的计算成本非常巨大。代理建模和降维已经进入增材制造建模和仿真领域，作为有效的工具来降低全尺寸模型的计算强度。制造后增材制造零件的无损检测标准正在制定中，并发布了ASTM E3166-20e1等指南，协助将传统的无损检测技术过渡到增材制造。 研究者开发了标准零件如图7，用于所有增材制造机器评估关键可靠性参数，以确保来自不同机器和工艺的零件之间的同一性。同时提出了三个关键元素，化学成分，相组成和热历史，需要观察以确定成品零件。还有学者研究了16个不同的参数，其中气室压力被发现有显著影响，因此在后续生产中得到了更严格的控制。图8中看出得到的拉伸率和拉伸强度的置信范围缩小，降低了整个过程的不确定性。零件的后处理也可以减少可变性，减少可能导致性能特征不稳定的因素，如疲劳和残余应力。一些传统的后处理技术在增材制造中的有效性已被核查。此外测试这些工艺对增材制造后续设计性能的优势是至关重要的。如热等静压可以减少增材制造样品中的缺陷。为了减少表面粗糙度的可变性及其对机械性能的后续影响，可以利用喷丸强化等流行技术。   图7 标准测试工件(a)用于增材制造零件的鉴定,以及(b)在拉伸试样移除后 图8 (a)和(b)分别显示了正控制腔室压力前后的平均伸长率与平均抗拉强度的差值。采用过程控制后，通过清楚地显示95%预测界限之外的异常值，增加了过程的可预测性 未来需要确保增材制造的可靠性  这项研究阐述了增材制造中开发方法和标准以确保可靠的必要性。然而这个过程本身存在一些局限。其中由于行业制造商之间缺乏标准化。随着新技术的逐年增加，所需要的是一套经过测试的增材制造技术，用于生产零件。研究表明通过灵敏度分析和不确定性传播等技术对确保可靠性的最关键因素有更全面的理解，则将提供进一步的帮助。虽然许多方法侧重于使用现场监测和前/后工艺测试，但显然需要更成熟的技术来快速分析缺陷。数据库的开发对于采用增材制造以提供无损检验收集的信息至关重要。通过增材制造流程各个阶段的分析和数据记录，行业可以共同开发增材制造零件统计分析所需的测试，从而减少这一通常昂贵且耗时的过程。 展望未来，增材制造最关键的焦点需要是实现和认证。这篇综述介绍了可靠性的关键要素以及标准和确定的差距，这些都推动了可重复的发展过程。这些与可靠性相关的关键要素如图9所示。增材制造工艺分为五个阶段，每个阶段都代表了定义增材制造技术的前置、现场和后处理的关键方面。可变性，如结构高度对质量特征(如熔池大小、残余应力和缺陷密度)的影响，被相互关联地展示出来，证明这些参数之间的相关性，这些参数有些由用户控制。最终图9显示了可变性对增材制造中再重复的影响。虽然不是全面的，但这些可变性来源可以作为未来研究的主题，以量化并反过来减少其值的波动性。 图9 增材制造过程中对性能指标产生负面影响的可变性来源流程图 总结 总之，纵观制造业历史，新技术不断发展为旧技术中遇到的问题提供解决方案。从铸造和机械加工到粉末冶金和纤维复合材料，增材制造似乎已经成熟到可以广泛引入工业的地步。在评估行业时我们可以参考美国国家航空航天局(NASA)在20世纪70年代引入的技术成熟度来衡量制造技术的成熟度。这种规模提供了一种想法，即一项技术何时可以被行业采用。从测试技术的基本操作原理的第1级开始，在所有希望利用增材制造技术的行业中始终达到第9级。牢记这一目标，各行业人们将继续努力，确保制造技术的可靠性和一致性，不仅可以提供复杂和限制较少的设计机会，而且还可以带来尚未完全实现的经济、生态和组织效益。 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.用好设备，解决问题 | 三维扫描助力轮船制造企业增强综合竞争力 2.国产3D打印数据准备软件重磅发布新版本，助力2万用户效率提升 3.科学家对金属3D打印中的缺陷形成有了新认识，能充分控制熔池稳定性 4.无支撑金属3D打印：VELO3D成功探索全球范围可重复、无差别制造

 一、内容简介 结构完整性是自工业革命发展起来的一种主要基于断裂力学的工程装备抗疲劳设计思想。但与传统铸造、焊接、锻造等成形材料不同，增材过程形成了难以除去的内部缺陷，是制约增材结构应用于高端装备的瓶颈技术之一。同时，鉴于增材制造“数字建模、分层制造、逐层叠加”释放出的巨大设计空间，一些负泊松比、零剪切模量等新型结构制造成为可能，在航空航天、国防军工、生物医学、高速列车等领域展现出巨大的应用潜力。《增材制造先进材料及结构完整性》在系统总结国内外研究进展的基础上，把“结构完整性”概念引入增材制造材料及部件的力学性能设计与可靠性评价中，推进增材制造在重大装备研发中的广度与深度。同时，一些新的技术或概念，如X射线原位成像、人工智能算法、智能材料结构、图像有限元建模等也在本书中进行了阐述。 本书可为从事增材结构设计、工艺优化、装备研发、性能评价等领域学者和技术人员提供参考，也可作为力学、材料、医学、信息、机械、控制等学科的高校院所研究生和教师授课的参考书。 二、前言 增材制造被称为新一轮产业革命的代表性技术之一，在航空航天、生物医疗、国防军工、轨道交通等领域显示出了巨大的发展潜力与应用效率。然而，金属增材制造在高端装备关键承力部件中还鲜有公开报道，亟待解决的共性技术科学问题主要有微观组织、残余应力、表面质量和内部缺陷等4个方面。同时，基于上述4个方面的增材材料及部件的结构完整性评价已成为国内外前沿研究课题，也是金属增材制造技术走向高端装备必须通过的核心环节。其中，通体或广域分布的内部缺陷称为增材制造发展的顽疾，而其他3个方面均可通过工艺优化、后热处理、机械加工等手段予以有效缓解。本书在简要叙述了增材制造技术的基本概念及内涵后，分章节论述了典型增材制造的微观组织、缺陷行为、表面质量和残余应力及其对拉伸性能和疲劳性能的影响，重点讨论了基于高分辨X射线三维成像的缺陷统计表征方法及缺陷与疲劳强度和寿命的映射关系，对人工智能在增材工艺-组织-缺陷-性能的跨尺度关联建模中的应用也进行了介绍。 与此同时，基于金属增材制造技术的先进结构设计及评价研究引起了材料冶金、计算力学、实验力学、先进制造等领域学者的广泛重视。其中，在增材制造复杂结构时，探索外部激励后的变形损伤行为，成为学科研究前沿。与此同时，作为一项诞生于2000年的新兴交叉学科研究方向，超材料结构曾两次入选美国《科学》杂志“世界十大科技突破”，更被美国国防部列为21世纪六大颠覆性技术之一。点阵结构是由杆件组元或薄面板组元沿着空间取向排布构筑的二维或三维胞元结构，可以产生超常规的机械和力学性能，具有优异的比强度、比刚度、抗冲击吸能、减振降噪、弹性波调控等多功能一体化的综合性能优势。随着增材制造技术的快速发展和应用，点阵结构设计-制造-功能-应用一体化得到快速发展。本书在第8章和第9章对增材点阵结构的力学设计及图像仿真方法进行介绍。 作者自2005年攻读博士学位至今，坚信金属增材制造必将在长寿命高可靠性重大工程装备中得到运用，见证了中国增材制造技术的发展壮大之路，有幸自2012年以来引入同步辐射X射线三维成像技术开展增材缺陷与疲劳演化关系研究，在对高铁关键结构（车轴、构架、车体等）进行疲劳行为研究中提出了“时域阶梯评估方法”，认识到金属增材制造材料及部件的抗疲劳设计与评价已是当前亟待开展的重大技术课题，进而提出了增材制造结构完整性概念。 本书共11章，由西南交通大学胡雅楠博士、吴圣川研究员、吴正凯博士、吴文旺副教授和钱伟建博士共同撰写，在结构完整性框架内，围绕增材材料的力学性能和疲劳性能，以实验分析、理论建模和图像仿真为手段展开叙述。由于从事增材制造材料结构强度及寿命评估研究时间不长，知识深度与认识能力有限，行文中难免有疏漏甚至错误之处，恳请大家批评指正。三、目录左右滑动查看左右滑动查看   四、作者简介 胡雅楠，博士，西南交通大学力学与航空航天学院讲师，硕士生导师。主要从事增材制造结构完整性、极端力学行为研究、材料疲劳损伤行为的先进光源原位表征。在 Nature子刊、Int. J. Fatigue、Mater. Design、Mater. Sci. Eng. A等期刊发表论文20余篇，引用量700余次，3篇论文入选 ESI高被引论文，单篇最高引用次数160余次。合作出版专著2部。曾荣获2022年度中国质量协会技术奖一等奖、2022年度中国交通运输协会科学技术奖一等奖等。 吴圣川，四川省学术与技术带头人，西南交通大学“扬华学者”、轨道交通运载系统全国重点实验室研究员，博士生导师。主要从事先进材料结构的高分辨原位试验系统研发、疲劳损伤多维多尺度表征研究及应用工作。以第一/通讯作者在Nature子刊、Acta Mater.、Int. J. Fatigue等顶刊发表论文100余篇，8篇论文入选 ESI高被引论文，Elsevier中国高被引学者和全球前2%影响力科学家。出版专著5部和教材1部，参编国家标准3部，授权专利15件和软件10件。担任疲劳顶刊Int. J. Fatiuge编委和断裂顶刊Eng. Fract. Mech.客座主编及Tomo. Struct. Mater.创刊编委等。现任第八届计算力学软件专业组秘书长、中国材料研究学会疲劳分会理事、中国腐蚀防护学会环境断裂专委会委员等，在国际会议作特邀报告20次。主持/参加国家973项目及国基青年、面上、联合、重点及军科委和企业项目等30余项。曾荣获四川省科技进步二等奖（排名1/8）、中国质量协会技术奖一等奖（排名2/15）、中国铁道学会科技进步一等奖（排名2/25）等多项奖励。  吴文旺，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系副教授、博士生导师。本科、硕士和博士分别毕业于中国科学技术大学、清华大学、瑞士洛桑联邦理工大学，主要研究领域为机械超材料、增材制造轻质多功能复合材料与结构力学设计及性能评价、数据驱动和人工智能技术在机械超材料力学设计及多功能一体化领域的应用。在Prog. Mater. Sci., J. Mech. Phys. Solid等固体力学、材料科学顶级期刊以第一作者、通讯作者身份SCI论文70篇，SCI他引次数2300余次。主持国家自然科学基金 2 项（青年项目、面上项目）、军委科技委国防科技创新特区163重点项目（1 项）。 吴正凯和钱伟建为西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室博士研究生，导师为吴圣川研究员。 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.首款用于激光烧结3D打印的PLA粉末，可为PA12提供生物基替代品 2.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 3.采用3D打印制造整枚火箭？Relativity工厂内部曝光 4.3D打印后处理过程复杂，自动化趋势明显，市场规模将达18亿美元

聚乳酸(PLA)由乳酸为主要原料聚合而成，是少数不依赖石油资源，可以由玉米和其他粮食作物发酵生成的有机物。聚乳酸最大的特点是具有热塑性和可降解性，在常温条件下，就可被微生物分解成二氧化碳和水，不会对环境造成污染，因而是一种可再生生物降解高分子。 PLA在性能上与塑料极其相似，具有强度高、模量大的优点，是熔融沉积FDM 3D打印工艺的常用耗材之一，在3D打印技术领域通常以丝材的形式存在。然而FDM工艺固有的成形特点，使其无法发挥出3D打印技术的全部优势。 3D打印技术参考注意到，捷普公司（Jabil）于近期推出了一款可用于粉末床烧结的PLA 3D打印粉末PLA 3110P，可为石化粉末（如PA12）提供生物基替代品。该材料由捷普公司与领先的聚乳酸 (PLA) 生物聚合物制造商NatureWorks合作开发，是首款基于PLA的粉末3D打印材料。  1. 特点和优势 PA12等石化粉末的生物基替代品 与现有材料相比，具有更低烧结温度和显著更小碳足迹的成本效益 PLA易于使用，比传统粉末缩短制造流程 可以支持热成型和压缩模具所需的精密几何形状 凭借可再生来源的生物材料和较低的烧结温度，新开发的PLA粉末可生产出比PA12能耗更低、碳足迹更可持续的SLS基材。PLA成分完全来自经过认证的可再生来源生物材料，满足了对石化粉末的生物基替代品的需求。 与熔丝制造 (FFF) 等3D打印方法相比，SLS的优势包括更高的输出、精度和设计自由度。因此，这种基于PLA的粉末可以形成热成型和压缩模具所需的定制、精密几何形状。而且，该产品显著降低的烧结温度转化为节能和更快的制造效率，有可能降低SLS系统相对较高的能源使用。 2. 将温室气体转化为高性能聚合物 Jabil和NatureWorks合作创建、测试和验证的PLA 3110P粉末，将 NatureWorks在PLA 技术方面的专业知识与Jabil在开发聚合物配方、新型化合物和材料系统集成方面的经验相结合，其合成材料的碳足迹比PA12小89% 。因此，这种新的工程材料可以推进可持续发展计划，同时为尼龙基材料提供低碳替代品。 据研究公司SmarTech Analysis，聚合物增材制造技术预计将在未来十年内进入众多行业，到2030年打印产量将增长到每年近260亿美元；而根据VoxelMatters Research的数据，2021年聚合物粉末材料市场价值近2.5亿美元，尼龙（PA12 和 PA6及其他，包括复合材料）约占这些收入的三分之二（约70%）。 3D打印的PLA热成型牙科矫正器及模型 当前用于激光烧结粉末床3D打印的材料类型主要包括PA6、PA11、PA12及其复合材料等尼龙系列，以及TPU、 PP（尚未成规模）、 PPS、PEEK等。随着新的Jabil PLA 3110P材料的推出，客户在制造原型以及制造支架、夹具、固定装置和工具方面有更多的材料选择。此外，新的PLA粉末是一种环保选择，可用于生产热成型和压缩模具所需的精密几何形状，包括定制牙科印模。  除了材料的进步，捷普还继续扩展其全球增材制造平台和解决方案，以补充公司世界一流的制造能力。Jabil已经部署了数百台3D打印机——从桌面模型到高度复杂的工业系统——以满足广泛的原型制作、工具和批量生产需求。 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.最新：国外团队使用中国3D打印机发表Science重磅研究 2.Science最新：3D打印有机硅弹性体，制造出高性能生物结构 3.使用知名国产DLP设备3D打印仿生晶格结构发表Nature子刊 4.智能制造，共创未来│3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议

5月20日，国资小新刊发题为《国资委发布中央企业科技创新成果产品手册（2022年版）》的文章。为加快中央企业科技创新成果应用推广，促进科技成果向现实生产力转化，国资委科创局组织开展科技创新成果征集遴选工作。经企业报送与专家评审，编制《中央企业科技创新成果推荐目录（2022年版）》，形成产品手册予以公开发布，供有关单位在成果宣传推广、合作对接、转化应用等方面工作中参考使用。 本次科技创新成果产品手册共涉及核心电子元器件、关键零部件、分析测试仪器、基础软件、关键材料、先进工艺、高端装备七个领域。3D打印技术参考注意到，涉及3D打印技术产品为三项，分别为“微滴喷射大型砂型3D打印装备”、“增材制造用金属粉末材料电弧微爆制备技术”、"增材制造高性能Ti80钛合金粉末"，均来自中国航天科工集团。   277. 微滴喷射大型砂型3D打印装备 【所属领域】高端装备【中央企业名称】中国航天科工集团有限公司【成果简介】微滴喷射大型砂型3D打印装备主要应用于铸造用砂型打印领域，主要由机床本体、送砂系统、控制系统、打印系统、软件等部分组成。应用高精度多喷头一次成型的控制技术突破砂型打印精度受成型尺寸的限制，成型精度较高，其打印精度达+（0.12-0.26）mm；拥有较大的成型空间，其打印尺寸为2010mm×1000mm×1200mm，装备技术成熟度7级，可满足航空航天大型、复杂砂型零件的制造生产；具备航空航天大型、复杂砂型零件树脂砂打印工艺技术，解决树脂砂型强度与发气量的矛盾性问题，更利于树脂砂型零件的浇铸。【主要指标】1.打印尺寸：2010mm×1000mm×1200mm2.打印精度：+（0.12-0.26）mm3.单层打印时间：20-32s4.打印层厚：0.2-0.5mm（连续可调）5.砂型抗弯强度：2.8-3.5MPa6.砂型发气量：8.0-9.5ml/g【应用推广需求】1.应用推广方式：其他2.应用推广领域：航空航天、汽车等领域的铸造行业。 193. 增材制造用金属粉末材料电弧微爆制备技术 【所属领域】关键材料 【中央企业名称】中国航天科工集团有限公司 【成果简介】针对增材制造中金属粉末材料制备效率低、性能差和成本高等问题，创造性地提出并应用一种电弧微爆制备金属粉末的新型技术。围绕新技术的产业化应用，开展电弧微爆制备金属粉末的核心装备、工艺流程和增材制造应用等方面的重点攻坚，形成增材制造金属粉末完全自主可控的生产技术和产业化应用体系，推动增材制造行业的快速发展。 【主要指标】 1. 球形度：＞80% 2. 氧含量：＜600ppm 3. 流动性：＜15s/50g 4. 表面硬度：＞80 HRA 5. 使用寿命：国外产品3倍以上 【应用推广需求】 1. 应用推广方式：销售、合作实施 2. 应用推广领域：航空航天、海工船舶、钢铁、煤矿、造纸、工程建设等众多关键行业急需解决耐磨、耐高温、耐腐蚀问题的应用领域，以及各类精密加工件的表面硬化、润滑、去应力。 189. 增材制造高性能Ti80钛合金粉末【所属领域】关键材料【中央企业名称】中国航天科工集团有限公司【成果简介】本项目结合舰船领域金属某水声结构件制造特点提出相关增材制造Ti80钛合金粉末及其激光选区熔化成形制件的性能指标，实现4项关键技术突破，形成了舰船领域专用高性能Ti80钛合金粉末和一种基于3D打印一体化设计的Ti80钛合金某薄壁水声结构样件，拓展了军工增材制造专用材料体系。解决舰船领域重点工程水声结构零件制造基础材料研制及工程化问题，相关研究过程自有化率达到100%，技术成熟度达到5级，粉末实测性能指标达到国内领先水平。实现了军用增材制造关键粉末材料自主可控，弥补了国内特种钛合金粉末材料空白。【主要指标】1. 粉末雾化效率：10kg/min 2. 单炉(25kg)粉末生产周期：2h 3. (3)15-53μm激光选区熔化粉末出品率：28.6% 4. 激光选区熔化Ti80钛合金粉末性能：松装密度2.1g/cm3，霍尔流速60s/50g 5. 制件力学性能：室温拉伸性能：抗拉强度860-1000MPa，屈服强度770-940MPa，断后伸长率10-15%。室温冲击性能：冲击功50-70J 【应用推广需求】 1. 应用推广方式：销售、合作实施 2. 应用推广领域：船舰领域。 三项成果的联系方式如下，相关技术信息来自国务院国有资产监督管理委员会官方网站。 集团联系人：卞加明，010-68373543，kkbjm@163.com 成果联系人：邓姗珊，0451-84013931，87117960@qq.com

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注专注于3D打印技术硬知识分享 2022年，西北工业大学黄卫东教授团队在3D打印稀土氧化物增强镍基高温合金领域取得了新突破。相关研究成果在中科院材料科学一区top期刊《Materials Science and Engineering: A》上以“Microstructure and mechanical properties of Y2O3 strengthened Inconel 625 alloy fabricated by selective laser melting”为题发表，其中通讯作者为王理林副研究员、林鑫教授、杨海欧副研究员等人。  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143813 氧化物弥散强化（ODS）合金由金属基体和弥散在基体中的纳米氧化物颗粒组成。稀土金属氧化物具有高熔点等特征，因此ODS合金通常在高温下表现出优异的机械性能和热稳定性。由于铸造等缓慢熔化和凝固过程中难以防止这些稀土金属氧化物的团聚和长大。粉末冶金是制造ODS合金的常用方法，稀土金属氧化物首先通过高能球磨工艺机械合金化引入基体粉末中，然后通过后续材料成型和适当后热处理（如热等静压、火花等离子烧结、热轧或热挤压）使基体中存在纳米级金属氧化物。这些复杂制造工艺非常耗时，并且难以生产具有复杂几何形状的零件，限制了ODS合金的应用。 选区激光熔化是基于粉末的3D打印工艺之一，在SLM过程中极高的冷却速率（106–8K/S）凝固液态金属。与传统铸造工艺不同，ODS合金的SLM过程中熔池的快速熔化和凝固可以抑制氧化物的长大。由于成本低、化学稳定性高，Y2O3颗粒是传统ODS合金中最常见的氧化物，特别是它有利于镍基高温合金的高温性能和抗蠕变性。但目前关于Y2O3增强IN625高温合金的研究非常有限，在这项工作中作者团队首次研究了SLM制备Y2O3增强IN625合金组织演化以及相应热处理组织和室高温力学性能。 IN625合金粉末采用等离子旋转电极雾化工艺制备，粉末粒径分布在15-45μm（图2a），Y2O3粒度分布10-30 nm（图2b）。SLM制备的原料为1%的Y2O3和99%的Y2O3。混合粉末在VCM-1K机器中混合持续18分钟，图2d-f为混合后的粉末形貌及元素分布。样品是在BLT-S200 SLM设备上打印，主要工艺参数为层厚（D）20 μm，扫描间距（H）80 μm，激光功率（P）95、135和175W，扫描速度（V）600、750、900、1050和1200mm/s，层间扫描角度为67°。在打印过程中连续供应氩气气氛，氧气浓度始终低于100ppm。 图 2 粉末形态和元素分布图：（a）IN625;（b、c）Y2O3;（d） Y2O3/IN625;（e，f）混合粉末元素分布 研究结果表明了致密度和激光能量密度之间的关系（E=PVD/H)，如图3所示。致密度首先随着E的增加而增加到峰值，然后随着E的进一步增加而降低。当E为93.8 J/mm3时，样品致密度仅为98.9%，OM图中存在较大的不规则形状孔隙。当 E 增加到 145.8 J/mm3时，试样实现了99.6%的最高密度，仅有少量约0.5μm的微小孔隙。当E增加到182.3 J/mm3时，试样致密度降低到99.2%，孔隙率的数量和大小再次增加。   图3 样品致密度随激光能量密度变化以及三个不同能量密度处样品的OM图像   同时研究发现样品沿打印方向XOZ平面中存在大柱状晶，如图4（a、c），大多晶粒尺寸小于100 μm。直接打印的IN625和Y2O3/IN625合金的XOZ平面平均晶粒尺寸为23.1μm 和21.6μm，Y2O3的添加显著减小了样品晶粒尺寸。对IN625和Y2O3/IN625样品进行1200 °C固溶处理1 小时后（HT），样品微观组织由于重结晶而具有退火孪晶的等轴晶，如图4（e和g）。HT-IN625和HT-Y2O3/IN625在XOZ平面上的平均晶粒尺寸分别为51.9和25.1μm，表明HT-Y2O3/IN625中的Y2O3氧化物颗粒在热处理过程中可有效抑制晶粒生长，并且所有样品XOY平面和XOZ平面晶粒演变基本一致。 图 4 样品XOZ和XOY平面的EBSD图像：（a，b）沉积态IN625样品；（c、d）沉积态Y2O3/IN625样品；（e，f）HT-IN625样品；（g，h）HT-Y2O3/IN625样品 直接打印的IN625、Y2O3/IN625、HT-IN625和HT-Y2O3/IN625样品微观结构大多是初级γ柱状晶并沿打印方向生长，在直接打印的IN625样品的柱状晶中存在白色Laves相，如图5（a）所示，一些γ柱状晶也存在等轴或细长的胞状结构。对于直接打印的Y2O3/IN625样品，γ柱状晶在XOZ平面上生长方向比较杂乱。直接打印的IN625和Y2O3/IN625具有较小的一次枝晶臂间距，约为0.67μm和0.68 μm。热处理后晶粒内部的白色Laves相溶解到γ基体中，γ柱状晶消失。与HT- Y2O3/IN625试样相比，HT-IN625试样具有更大的γ晶和更多退火孪晶（图5c、d）。此外在Y2O3/IN625中观察到少量约为0.5-3.5μm的黑色颗粒（图5b），EDS表明颗粒中Al和Ti的浓度很少，O和Y的原子比约为1.5，如图5（b、d）。这些粒子尺寸约为100-200 nm如图5（d），由此推测它们是 Y2O3粒子。   图 5 样品XOZ平面的SEM图像：（a）IN625;（b）Y2O3/IN625;（c）HT-IN625和（d）HT-Y2O3/IN625   STEM观察到白色颗粒在γ基体中均匀分布，元素分析表明主要是O和Y元素，原子分数如图6（a、b）所示。衍射斑点表明颗粒是体心立方晶格结构如图6（c）。结合元素分析表明这些白色颗粒是具有体心立方体结构的Y2O3，在HT-Y2O3/IN625内部的尺寸分布的如图6（d）所示。 图6 样品透射电镜图像：（a）Y2O3/IN625；（b、c） HT-Y2O3/IN625；（d）Y2O3颗粒在HT-Y2O3/IN625中的粒径分布 最后作者测试了样品在20、800和1100°C下的工程应力-应变曲线和拉伸性能（图7）。在20°C时，屈服后存在明显的加工硬化，然后颈缩和断裂相继发生，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服强度分别为394MPa和439 MPa，添加稀土金属氧化物后屈服强度提高了45MPa。在800 °C时，样品发生了动态应变老化，这种现象在其它高温镍基中也常常发生，主要是由固溶原子与可移动位错之间的相互作用引起的，之后由于动态回复和动态重结晶，试样经历软化阶段，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服强度分别为273 MPa和333 MPa，添加金属氧化物后屈服强度提高了60 MPa。在1100°C时，试样在屈服点后迅速软化，没有动态应变老化，HT-Y2O3/IN625和HT-IN625的屈服强度分别为48 MPa和54 MPa，添加金属氧化物后屈服强度提高6 MPa（表1）。 图7 HT-IN625和HT-Y2O3/IN625的工程应力-应变曲线：（a）20、（b）800和（c）1100°C；（d）试样的机械性能   表1…

2023中国航空航天增材制造高峰论坛 5月24-26日 扫码报名 扫码即可报名 2023中国航空航天增材制造高峰论坛 5月24-26日 参会指南与温馨提示 2023年5月24-26日 活动地点：宁波香格里拉大酒店（2F大宴会2&3厅） 地址：浙江省宁波市鄞州区豫源街88号 组织机构 指导单位： 中国航空学会 主办单位 中国新材料产业技术创新平台 承办单位 宁波市航空航天学会 联合承办 宁波市军民结合产业促进会 协办单位 星箭科技股份有限公司 支持单位 合作媒体 会议议程 会议议程 （具体议程以现场为准） 闭门会议 以项目路演形式，搭建资源互补、技术合作和投融资平台，深化产学研用资各要素在创新创业领域的交流合作，力促增材制造产业健康快速发展。   2023中国航空航天增材制造高峰论坛 5月24-26日 部分展商风采 会议规范 1、为保证此次会议顺利召开，请大家全称佩戴参会证，凭证进出； 2、会务资料在会议签到时凭名片领取，每人一份，不能代领； 3、本会场内禁止吸烟，为保持会场秩序和对发言代表的尊重，请大家将手机静音或是调至震动。 4、与会期间，着装规范，请穿着正式。 * 如您有任何问题或要求，请直接与接待处或会务组联系。 注册费用 缴费方式 会议咨询 董凯杰：13777125141（微信同） 邮   箱：larry@polydt.com 童小燕：13375746381（微信同） 邮   箱：tamia@polydt.com 陈倍珍：18968307621（微信同） 邮   箱：chenbeizhen@polydt.com 包凌宇：18074241831（微信同） 邮   箱：dtbly@polydt.com 会议日程 协议酒店（如需预定协议酒店，可联系组委会） 酒店名称 距离 具体地址 协议价 宁波香格里拉大酒店 （五星） 0 浙江省宁波市鄞州区豫源街88号 大床房：500元/晚（单早） 双床房：550元/晚（双早） 中信宁波国际大酒店 （五星） 140 浙江省宁波市鄞州区江东北路1号 大床房：350元/晚（单早） 双床房：350元/晚（双早） 推荐酒店（需自行预定，价格仅供参考，具体价格以当日为准） 酒店名称 距离会场 具体地址…

2xxx系列高强度Al-Cu合金由于其较高的比强度、优异的加工性能和时效硬化能力，被广泛应用于航空航天、军事、交通运输等行业。电弧增材制造技术（WAAM）作为先进增材制造技术的一种，具有材料利用率高、成形效率高等特点，为高强度Al-Cu合金的发展与应用提供了一个新的方向。 昆明理工大学李飞副教授和姜庆伟副教授团队合作，从制造工艺、凝固组织、常见缺陷、力学性能和后处理工艺五个方面，综述了WAAM的Al-Cu合金的研究进展。重点讨论了改善WAAM的Al-Cu合金的微观组织和力学性能的方法，并根据研究现状，对未来的发展前景提出展望。相关成果于2023年5月10日在线发表于《Journal of materials engineering and performance》期刊，一年级博士研究生范思越为论文的第一作者，李飞副教授和姜庆伟副教授为论文的共同通讯作者。  https://doi.org/10.1007/s11665-023-08233-5  近十年来，国内外针对WAAM的高强度Al-Cu合金开展了大量的研究工作，研究内容主要包括：(1)优化WAAM工艺以提高效率和质量；(2)开发新的丝材以改善成形件的微观组织；(3)设计后处理工艺以提高力学性能和减少缺陷。 1. 制造工艺 目前可应用的WAAM工艺主要分为：非熔化极WAAM工艺（GTAW-WAAM）、熔化极WAAM工艺（GMAW-WAAM）和混合WAAM工艺（Hybrid-WAAM）。  基于WAAM的非消耗性钨电极的示意图 GTAW-WAAM和GMAW-WAAM具有较高的沉积效率和材料利用率，可以制造高质量的Al-Cu合金成形件。研究表明，采用多丝WAAM工艺不仅进一步提高沉积效率，还可以制造焊接性较差的Al-Cu-Mg合金和Al-Zn-Mg-Cu合金成形件。通过将多种焊接工艺配合，还开发了几种混合制造工艺，如激光-MIG混合增材制造技术，双电极气体保护金属电弧增材制造和搅拌摩擦复合电弧增材制造。这些工艺的应用都可以有效地改善Al-Cu合金的微观组织，提高其力学性能。 2. 凝固组织 不均匀的凝固组织是WAAM的Al-Cu合金的常见现象，主要表现为： (1)当沉积高度较低时，晶粒组织主要由层间的细小等轴晶区（Fine equiaxed grains, FQZ）和层内的柱状晶区组成； (2)当沉积高度较高时，晶粒组织主要由层间的细小等轴晶区和层内的柱状晶区和粗等轴晶区组成。 这种不均匀的晶粒组织分布主要与WAAM过程中由热循环主导的散热和热积累有关。不均匀的微观组织还体现在主要合金元素的偏析。研究表明，通过优化成形工艺，降低WAAM中的热输入，优化丝材成分等方法可以有效地改善微观组织的不均匀性，提高合金的力学性能。  图1 常见WAAM的Al-Cu合金的凝固组织。 3. 常见缺陷 增材过程中的缺陷可分为两类:一类是与成形工艺相关的缺陷，如微观结构不均匀、气孔、残余应力和变形;另外一类是与材料相关的缺陷，如微观组织不均匀、气孔和凝固裂纹。 （1）不均匀的微观组织 主要与不均匀的热循环有关，非均匀性的程度则取决于热循环的性质。虽然这种不均匀的微观组织似乎不可避免，但是它可以被有效地改善通过优化增材工艺参数，或引入后加工工艺如层间轧制和T6热处理等方法。 （2）气孔 研究发现丝材的表面光洁度对WAAM组织中的气孔率影响很大，同时不同成形工艺制造的Al-Cu合金成形件的气孔率也有所不同。经过T6热处理后，合金中的气孔缺陷通常被恶化，这主要是氢微孔析出、相颗粒溶解和微孔生长共同作用的结果。  WAAM2319合金中微孔的3D视图  （3）凝固裂纹 分布于晶间的低熔点共晶液膜和粗大的晶粒组织加剧了Al-Cu的裂纹敏感性。研究发现可以通过采用多丝增材制造工艺、调整丝材中各元素的成分配比以及使用TiC纳米颗粒对丝材进行改性处理等方法可以降低Al-Cu合金的裂纹敏感性。 （4）残余应力和变形 残余应力指加工后仍然存在于成形零件中的内部应力。残余应力的存在不利于成形件的性能和尺寸精确度。当残余应力介于材料的屈服强度和抗拉强度之间时，材料将发生塑性变形；当残余应力超过材料的抗拉强度时，材料将发生断裂。残余应力的出现与WAAM的热循环影响有关。研究表明，一些后加工工艺如激光冲击强化和超声冲击处理等表面处理工艺可以改善成形件内部的残余应力分布。 4. 后处理工艺 热处理、层间冷加工和表面处理是目前电弧增材的过程中常用的后处理工艺。它可以提高WAAM的Al-Cu合金构件的质量和性能，减少组织不均匀、气孔、残余应力和变形等缺陷。 （1）热处理 改善微观组织的不均匀性，促进细小的纳米级析出相析出，从而提高合金的力学性能。但是热处理会导致材料的伸长率下降，这与材料中孔隙缺陷恶化有关。  热处理析出亚稳相 （2）层间冷加工 层间锤击和层间轧制处理等层间冷加工工艺可以通过消除WAAM成形件中的大部分气孔缺陷，并通过加工硬化来提高材料的力学性能，对控制残余应力也有一定的贡献。  冷加工消除气孔  （3）表面处理 目前应用的表面处理工艺包括激光冲击强化和超声波冲击处理。激光冲击强化在一定深度范围内可以提高合金的显微硬度，并且它可以使得WAAM成形件顶部和中部的残余应力均由拉伸应力修正为压缩应力，而这对提高WAAM成形件的抗疲劳能力有所帮助。 5. 展望 （1）丝材中的合金元素对WAAM的Al-Cu合金成形件的微观组织与力学性能影响很大，通过添加其他微合金元素或TiC颗粒来设计和开发专用的WAAM丝材具有重要意义。 （2）表面处理工艺在改善微观结构和消除残余应力方面的优势受到渗透深度、额外时间和成本的限制。相比之下，层间冷加工工艺，如层间轧制和层间锤击，可以提高WAAM部件的质量，同时保持其成形效率。因此，进一步探索新的冷加工工艺和WAAM与冷加工工艺之间的协同效应对于所有材料的增材制造都至关重要。 （3）目前的研究主要集中在T4和T6热处理工艺上。为了进一步改善组织和力学性能，可以探索和考察其它的热处理工艺。此外，应该针对具体的处理工艺，如层间冷处理等，探究适合的热处理工艺，防止热处理过程中的异常再结晶对性能的损害。 （4）基于铝铜合金主要应用于航空航天的事实，应该促进铝铜合金制造与WAAM技术的进一步结合，以实现复杂形状零件的成形。此外，混合WAAM工艺应适应复杂形状零件的生产，并通过数字自动化和机器人辅助设备进一步集成到工业生产中，以获得对形状和性能的控制。当然，还需要在成形路径规划、残余应力消除等方面进行进一步的研究，以扩大其应用领域。 注：本文内容由作者团队独家供稿。 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.电弧增材制造获评中国航天科技集团2022年度十大技术突破 2.视频：ORNL使用3组机器人，电弧3D打印大尺寸金属零件 3.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 4.西工大「高强韧铝合金增材制造」为梦天舱、长五B研制提供了重要技术

5月15日，一家致力于数字技术开发名为PTC的公司展示了一台完全3D打印的喷气发动机。这台仅由一个完整组件构成的微型涡轮喷气发动机重约3.6Kg，采用高温合金打印，包括所有旋转和固定部件，采用Creo CAD软件设计。 设计和打印完全自支撑的微型涡轮喷气发动机，包括无需组装的50000RPM转速涡轮，代表了增材制造设计的重大突破。喷气发动机是目前最强大和最复杂的产品之一，其中许多部件以某种方式旋转或移动。 这一案例证明增材制造将对航空航天业以及制造此类微型涡轮喷气发动机的产生影响。当前，该类发动机需要许多昂贵零件的复杂装配，客户对供应链和熟练操作工人的依赖性很强。使用增材制造，没有组装过程，并有可能大大减少生产所需的组件和工具数量。这降低了成本，减少了对金属3D打印机的要求，并开启了直接在客户现场按需制造的可能性。 喷气发动机项目由PTC技术副总裁兼以色列理工学院高级研究员Ronen Ben Horin博士和以色列理工学院航空航天副教授Beni Cukurel构思。两者汇集了喷气推进领域多年的深入科学研究以及先进发动机设计和增材制造设计方面的工程专业知识。许多Creo高级设计功能被用于喷气发动机装配，包括： 轻量化设计：Creo支持复杂的晶格建模和生成式设计，以减少材料和重量，同时保持与更多材料和更重的设计相同的强度和性能。 用于3D打印的自支撑几何体：Creo中基于梁的晶格会自动优化设计以实现可打印性。Creo还支持自支撑的公式驱动晶格，这些晶格可以与可打印性检查及修改器配合使用，以调整设计提高打印效率。 3D打印设备互操作性：Creo与大多数用于打印和后处理的3D打印设备兼容。Creo中的3D组件设计对于执行用于精确装配的传统加工至关重要。 这款微型喷气发动机使用EOS打印机制造。而EOS公司近期则推出了3D打印闭环智能融合技术。 Smart Fusion是EOS致力于通过简化流程、节约成本和提高生产力的创新解决方案来推进和促进金属增材制造（AM）的最新成果。 Smart Fusion可以实时自动调整激光功率，快速有效地解决潜在的制造问题。该技术通过测量粉末床所吸收的激光能量，并使用先进的算法进行调整，可以有效避免甚至消除支撑结构。这不仅节省了时间，而且通过减少后处理和减少材料用量，降低了每个零件的成本（CPP）。 这种新颖的软件解决方案使更多的应用成为可能，特别是对于具有高度工程化应用的行业，如能源、空间技术、移动出行和航空航天。 其核心是，Smart Fusion与EOS现有的监测解决方案配对 (EOSTATE Exposure OT)，并采用先进的算法来逐层监测构建过程，从而提供更均匀、一致的零件。从数据流的角度来看，EOSPRINT准备了发送到3D打印设备的数据，然后Smart Fusion与EOSTATE及其光学断层扫描（OT）相机合作，通过EOSYSTEM监测、测量和调整激光器。 这款工艺控制解决方案包括首创的实时闭环智能热管理，减少或消除了支撑结构，其性能比其他技术快2-5倍。 Smart Fusion主要优势： 设计自由度高 降低单件成本 缩短上市时间 相关案例 采用60微米工艺和Smart Fusion打印的推进剂罐 采用60微米工艺和Smart Fusion打印的卫星碟 （左）有（右）无Smart Fusion技术处理对比 在3D打印技术参考看来，虽然增材制造为优化设计打开了大门，但设计端仍需要遵守符合该工艺的制造规则，尽最大努力发挥这项技术所能带来的所有便利，包括最大规模的集成化制造；而制造端同时也在努力，使进一步增加设计自由度成为可能。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，部分转自EOS，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.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 2.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M 3.智能制造，共创未来│3D打印专家铂力特与西门子签署战略合作协议 4.使用知名国产DLP设备3D打印仿生晶格结构发表Nature子刊

物业工作周报5月17日，工业级3D打印领航企业华曙高科携手合作伙伴先风三维、巴斯夫、大众汽车、飞而康、常州工学院、上海黑焰医疗、上海联泰在江苏常州共同举办了3D打印创新及产业化论坛。  此次论坛以“共话尼龙增材创新，引领增材量产未来”为主题，聚焦加工服务、汽车、医疗等行业的增材制造技术创新，并实地探访国内专注尼龙加工服务超10年的龙头企业先风三维，积极探索增材制造的批量生产之路。 会议由华东区大区经理单少华主持。 自主创新助力增材制造产业化 李世超，华曙高科全国销售总监 当前，生产企业正面临向批量化终端零部件生产的转型，为满足市场需求，华曙高科在设备风场、效率、稳定性、成本控制等方面做了一系列创新，近期发布了面向批量生产的金属3D打印解决方案FS511M及FS350M。未来华曙高科将一如既往，持续创新研发新产品，推动3D打印产业化发展，帮助更多的合作伙伴迈入增材制造批量化生产的时代。  持续创新：构建高分子增材制造综合竞争力彭云鹏，华曙高科高分子产品事业部产品工程师 增材制造生产面临的挑战包括生产效率、稳定一致性、工件质量、产能等，作为SLS技术的创新引领者，华曙高科在高分子增材制造技术领域不断探索，持续创新，进行了设备、材料、软件、应用和技术服务等全产业链的布局。 - 新软件体系，尺寸更准，装配类工件精细校准 - 开源材料体系，更多高性能材料选择 - 更大尺寸540mm高缸403设备 同时，华曙高科开创了CAMS、Flight、PA6、PEEK、TPU等多个技术高峰，自主研发了PA12系列及PA6材料，并与合作伙伴携手，为客户提供近20种高分子3D打印粉末材料，并配置多激光器实现更高水平的生产力，为用户带来更具成本效应的批量化SLS解决方案。 精准满足客户的强烈要求许龙，常州先风三维科技有限公司副总经理 先风三维十多年来专注于选择性激光烧结SLS技术，为医疗、汽车、消费品及电子、教育和航天航空等领域用户提供高效稳定的“设计与制造”3D打印一站式智能制造解决方案。目前先风三维拥有11台华曙高科多型号高分子3D打印设备，包括403P系列、Flight 403P系列等，每年打印工件超过300万件，已实现批量生产，其规模在行业内处于领先水平，开辟了一片全新的市场应用领域。  高性能材料及创新应用，促进增材制造产业化黄剑，巴斯夫（中国）有限公司中国区销售经理 介绍了巴斯夫一系列前沿海外案例，以及不同材料在不同行业的应用。多年来，巴斯夫Forward AM与华曙高科开展了一系列增材制造材料、工艺等创新研发合作，Forward AM增材制造中心配备了包括华曙高科高分子设备在内的20多台3D打印机，开发了面向SLS、MJF以及FFF技术的多种高性能3D打印材料及创新应用，满足海内外不同应用场景的需求，促进增材制造产业化。 3D打印技术在汽车行业的应用与研究吴宏涛，大众汽车（安徽）有限公司高级工程师 工装夹具，是3D打印技术在汽车领域的一个重要应用。相较于数控机床加工，采用华曙Flight技术生产的3D打印夹具和固定装置所需的生产时间大幅减少，并且制造成本大幅降低，也不再需要备件库存。开发性能更好的3D打印材料将是3D打印行业的重中之重，同时也决定着3D打印行业未来发展，相信3D打印将在小批量和批量生产领域大显身手。  航空航天增材制造应用案例分享王旗，飞而康快速制造科技有限责任公司销售总监 在航空航天领域，增材制造为先进设计提供了更大的可能性，一体化，轻量化，个性化，快速化的迭代更新契合了当今迅猛发展的商业航天趋势。采用增材制造技术，可以突破传统减材制造的工艺局限性，减少由于复杂内部特征和复杂装配集成而产生的制造技术难题，飞而康科技作为国内领先的金属增材制造解决方案提供商，将用科技赋能“智造”，为客户创造更高的商业价值。  增材制造精密成形关键技术研发及产业化应用 祝世超，常州工学院航空制造工程系副主任 增材制造产业的高质量发展，依赖于关键技术的全面突破、技术体系成熟度的综合提升，表现在扩展材料种类、改善成形效率、革新质量控制手段、降低综合成本。目前，常州工学院进行了一系列增材制造精密成形关键技术研发及产业化应用，正努力建设成为以智能制造产业发展需求为驱动的政、产、学、研、用一体化协同创新的产科教融合生态圈。 数字化外科个体医疗一站式解决方案杨林，上海黑焰医疗科技有限公司运营总监 随着数字医学的快速发展，基于大数据的AI计算，专业软件及多学科团队协作（MDT）克服外科手术的视觉局限、进行仿真模拟，从单凭临床经验向数字化定量测算的智能化转型，根据最佳手术方案术前选择手术工具和器械，可以利用3D打印技术，设计生产个体化医疗器械；形成术前、术中、术后全链路数字化、精准化，高效化。从软件到硬件、从产品到服务，黑焰医疗提供“个体医疗数字工程中心”全链路整体解决方案。  光固化增材制造及产业化应用高兴彬，上海联泰科技股份有限公司北区销售总监 联泰科技拥有国内光固化技术领域最大份额的用户群体，其技术被广泛应用于航空航天、电子电器、口腔医疗、文化创意、教育、鞋业、建筑等行业，在工业端3D打印的应用领域具有较大的品牌知名度及行业影响力，致力于为多行业用户在“分布式制造”和“规模化定制”之间构建连接，不断融合、创造、演进全新商业模式，对3D打印行业、制造业乃至人们的生活方式带来变革。 演讲结束后，参会客户乘车前往先风三维实地参观3D打印创新中心，感受3D打印产业化、批量化生产的大趋势。   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.机械臂砂型3D打印机和智能化产线，峰华卓立推动铸造产业升级 2.华曙高科-重磅发布批量金属3D打印系统FS511M和FS350M 3.意义重大！17天，浙江大学借助3D打印制作大黄鱼肉 4.麻省理工-通过SLM原位形成纳米碳化物和硅化物强化In718合金