增材制造已不再仅用于制作原型件，越来越多的技术被用于制造可投入生产的零件，这迫使工程师开始考虑联合设计和组装过程。 许多打印的组件最终需要与其他零件或组件连接，而且，某些零件太大而无法在单个3D打印机上生产。无论是金属还是塑料，都可以通过传统的三种连接工艺来组装打印的零件：粘合剂粘合、机械紧固和焊接。通常，大多数塑料零件通过粘合剂连接，而许多金属零件是用螺钉和其他类型的紧固件组装。 双缸内燃机气动功能模型，采用不同性能树脂打印零件组装而成 增材制造的好处之一是零件整合。以前需要组装的复杂、多组件零件可以作为单个对象进行打印，这使工程师能够将多个零件或组件整合为一个零件，从而节省了时间和组装成本。增材制造的长期目标是简化或减少组装需求。实际上，许多塑料打印零件都采用卡扣配合，从而完全不需要粘合剂或紧固件。通常，卡扣配合保持在模具制造的几何约束之内，并利用塑料的能力进行弹性变形，然后通过卡扣成形。 3D打印的零件通过卡扣连接 当前采用增材制造技术的驱动因素之一是该技术可以生产高完成度的成品零件，它通常省去了多个组件，或优化了需加工零件或零件组的结构设计。与传统的机加或模制零件相比，通过增材制造生产的金属或塑料零件重量轻得多，并且几何形状更复杂，而它仍然可以使用与传统零件相同的紧固件。 随着越来越多的制造商开始打印可用于生产的金属和塑料零件，他们迟早需要将这些零件连接到采用传统制造技术（如模铸、注塑或机械加工）制成的其他组件或零件上。需要特别注意的是，不同的连接方式，组合体所能实现的功能是不同的，当然，根据需要的不同，也需要选择不同的连接方式。 一、航空航天应用中的连接方式 航空工业一直处于在生产中采用打印零件的最前沿，这些零件可用于从商用飞机座舱到喷气发动机的各种应用。打印的零件通常需要与铝或碳纤维复合材料组件连接主要的航空航天制造商，如波音、空客、通用电气和洛克希德·马丁公司等也都对该技术持乐观态度。 波音公司已经不止于卫星和载人航天器，而且已经将该技术用于导弹、直升机和飞机。随着增材制造成为主流制造方法，通过设计集成的机械系统，可以显著提高可制造性并降低成本。但是，如果没有足够的理解并将整个系统作为一个整体重新设计，就不可能优化增材组件。 1.紧固件连接 大多数航空航天增材制造应用涉及几何形状最优化的金属零件，而传统的加工技术是无法实现的。最终的零件仍具有与传统机加零件相同的功能，实际上，它通常具有与原始零件相同的尺寸范围，并且在连接界面处使用与原始零件相同的紧固件。在优化打印零件的同时，还有优化紧固件的巨大机遇。如果工程师采用最新的增材制造技术，那么也应采用最新的高性能紧固件。 空客将3D打印的钛合金支架连接到了A350 XWB客机的铝制挂架上（来源：空客） 2.开发先进粘合剂 随着增材制造技术的成熟，材料的性能正在大大提高，这为连接打印零件创造了新的机会。汉高公司在大规模定制可获益的行业中看到了更多的应用（如体育用品、医疗设备，还有很多应用是小批量制造工作，如航空航天和专用工业机械），为了应对这些应用，汉高一直在为各种增材制造技术开发先进的粘合剂。 3D打印大型汽车仪表盘，20余种零部件通过紧固螺钉和粘结剂“无缝拼接”（来源：华曙高科） 3.焊接连接—考虑材料性能差异 EWI结构完整性首席工程师表示：“连接打印零件的难度可能会有所不同，具体取决于所打印的材料和尝试将其连接的材料。但是，对于金属和塑料零件，最常见的材料选择很容易焊接到相似的材料上。”莫尔认为，异种材料的连接更具挑战性。总的来说，用于增材制造的合金是可焊接的，即使是用于不同的连接。关注的领域可能是变形、材料性能、性能下降和腐蚀。变形是由于直接来自增材工艺的零件通常已经具有高张力的残余表面应力，该残余应力会在连接过程中通过加热而改变。由于增材材料可能具有产生自沉积的微观结构定向效应，从而导致材料性能下降。 3D打印的零件通过焊接成为一个整体（仅示意） 就像任何需要集成到最终组装件中的工程组件一样，如果工程师对增材制造工艺的能力和局限性有充分的理解，那么连接打印零件就会相对简单。不同的打印技术将生产出具有完全不同特性的成品，即使是打印相同的3D模型也是如此。最终零件的尺寸精度和稳定性，以及表面光洁度和某些机械性能的各向异性都会对最终组装操作产生影响。在这些情况下，可能需要进行设计更改以生产针对整个制造周期进行优化的零件。 二、性能变量影响组装过程和零件最终使用效果 打印的零件会具有不同的性能，工程师应仔细考虑弹性、孔隙率和刚度。不同材料的腐蚀风险也不同，增材制造的材料在化学上往往会发生局部细微变化，从而加剧腐蚀效果。 与使用注射成型等传统方法制造的相同零件相比，即使使用相同的聚合物或金属，打印零件的物理和机械性能也可能有很大差异。从材料科学的角度来看，这不足为奇。例如，最古老、最常见的工程材料之一——碳素钢，可以通过回火或退火来改变其内部结构，从而产生截然不同的性能，3D打印也是如此。 在这种情况下，3D打印会制造出本质上具有各向异性的结构，而且其中还可能存在缝隙或空腔。这种孔隙会影响零件密封或容纳流体，而且零件的表面光洁度或粗糙度在不同方向上也很明显。工程师必须在打印过程中控制零件的方向，这最终将决定成品组装件的承重性能。表面和性能属性的变化也可能对粘合剂分配或组装过程产生影响。 后处理对零件表面质量造成影响，并影响组装连接 在许多情况下，使用增材制造来达到与铸造、锻造或机加零件相同的设计标准，利用工艺的灵活性可以减少总重，同时满足设计意图。这在航空航天应用中非常有益，重量节省直接与燃料成本相关。结构的优化将提高材料的有效利用水平，尤其是对弹性行为更敏感的材料。 3D打印零件的孔隙度对组装过程的影响与铸造零件相似，不同之处在于，打印零件的孔隙分布往往比铸件更均匀。对于在连接界面需要气密密封的情况，对均匀性的预期有助于其设计。此外，针对不同的焊接方式，打印零件的后处理也需要达到不同等级的要求。 三、多种方案，多种选择 粘合剂、紧固件和焊接都可用于连接金属或塑料打印件。用于传统模塑塑料零件的螺纹成形紧固件与打印塑料零件之间没有太大区别，都可以实现良好连接。 Stratasys也是采用这些常规的连接方式，但仍然对不同连接方式造成的影响进行了探索。采用FDM打印的零件可以与多种类型的环氧树脂和氰基丙烯酸酯粘合：二元的环氧树脂在固化的同时可以将粘合部分固定或夹紧；氰基丙烯酸酯的拉伸强度高于环氧胶粘剂，但它对高温、化学药品和溶剂的抵抗力很差，因此，与氰基丙烯酸酯的粘合可能会降低FDM零件的性能。 Stratasys等开发的3D打印无人机（机翼跨距约3m） 超声焊是另一种连接方式，特别是对于用热塑性材料打印的零件。当需要更高的强度时，可以将超声焊与其它方法结合使用。机械紧固是另一种有效的选择，连接FDM零件时，可以使用大量的机械紧固方法和硬件选择。机械连接零件的一种独特方法是在零件的制造过程中将紧固硬件放入零件内部，当打印完成后，可实现内外部的紧固。 注：本文由刘亚威先生编译，3D打印技术参考再编辑整理。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.案例：3D打印如何用于工装夹具生产 2.近3000零件优化为68个，3D打印组装结构的要点有哪些 3.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 4.基于SLM的增减材混合制造新形式：激光熔融与超快激光切割相结合 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印零件如何实现更好的组装和连接

近些年来3D打印行业的相关统计非常多，进行这些数据调研的机构不乏德勤、安永这样的世界著名会计事务所，也有SmarTech Analysis、AMPOWER等增材制造行业领先的市场研究和行业分析提供商。 本期，3D打印技术参考罗列了国外某知名结构总结的40余项行业统计数据，重点介绍该行业的最新发展情况，并对主要细分进行分析。 行业现状 在过去的十年中，3D打印行业一直在稳定增长，尽管仍不到全球制造业的1％，但该技术正在成为重要的生产的工具。如今，3D打印解决方案正在日趋成熟，它的作用已经不再仅仅局限于原型制造。 1. 2019年，全球增材制造市场规模将超过104亿美元，近40年来首次突破百亿美元大关。（SmarTech Analysis《2020年增材制造市场前景和机会摘要》） 2. 2018年，3D打印相关初创企业的风投资金超过3亿美元，并且所有投资均涉及工业解决方案和应用。（3DHubs，《2019年3D打印趋势报告》） 3. 3D打印市场规模将每3年翻一番，分析师预测年增长率在18.2-27.2％之间。（3D Hubs，《2019年3D打印趋势报告》） 4. 71％的公司表示，缺乏对技术的了解是影响项目实施方案最终选择3D打印还是传统技术的最大障碍，而29％的公司则是因为对3D打印的可靠性缺乏信心。（捷普，《2019年制造业3D打印利益相关者调查》） 5.从行业的组成结构来看，尽管服务商的数量已急剧增长到34%，但设备制造商仍是该行业最大的组成群体（38％）。（安永2019，3D打印：炒作还是改变游戏规则？） 行业应用 许多行业正在采用3D打印技术来更快地、生产更好的产品，并借此优化生产流程。然而，各行业对3D打印的采用率有很大差异。航空航天、医疗、汽车和工业品行业是该技术最成熟的使用者，也是3D打印产业化的关键贡献者。 同时，3D打印的应用在世界各地也不均衡。目前，北美和欧洲保持领先地位，不过，亚洲市场正在迅速崛起，欧美正面临失去全球3D打印行业领先地位的风险。 6. 据SmarTech Analysis报告，2019年鞋类3D打印收入约占全球该行业市场收入的0.3%。（SmarTechAnalysis，2019年鞋类3D打印市场报告） 7. 据SmarTech Analysis报告，2018年骨科3D打印市值6.91亿美元，该市场在2027年将增长到37亿美元。 8. 据SmarTech Analysis报告，目前，包括材料、服务、软件和硬件在内的医疗3D打印市场估值约12.5亿美元。 9. 据SmarTech Analysis报告，牙科3D打印的收入在2021年将增长至37亿美元，到2027年，这项技术将成为全球牙科修复的领先技术。 10. 美国、英国、德国、法国和中国是3D打印采用率和投资率最高的5个国家。（Ultimaker，3D printing sentiment index） 11. 德国在2019年创造了约10亿欧元的增材制造行业相关收入。 12.美国拥有全球最大的3D打印机安装基地，年出货量达42.2万台。（Ultimaker，3D printing sentiment index） 13.安永调研数据显示，2016-2019年，所有受访者中购入打印机的企业数量从9％跃升至40％，翻了两番。（安永2019，3D打印：炒作还是改变游戏规则？） 14. 2019年超过70％的受访企业在使用3D打印开发新应用，而60％的企业使用到了CAD、模拟和逆向工程。数据表明，3D打印在全球的应用都在增长（Sculpteo，《2019年3D打印现状报告》） 15.概念验证和原型设计，仍然是2019年3D打印的主导应用（Sculpteo，《 2019年3D打印现状报告》） 16.自2018年至2019年，使用3D打印进行大规模生产的制造商数量增长了一倍：分别为21％和40％。（Essentium，《A survey of manufacturers》） 17. 79％的受访公司预计，他们在未来3-5年的零件和商品制造过程中使用3D打印的比例至少会增长一倍。（捷普，《2019年制造业3D打印利益相关者调查》） 18.在航空航天和国防工业中，3D打印最主要的应用是仍是原型制作（72％），其次是维修和保养（44％），研发的比例为43％，零件生产占比为39％。（捷普，2019年5月对航空航天和国防OEM的调查，已上传） 3D打印设备（硬件） 3D打印机的发展可谓日新月异，相关设备正在变得更快、更可靠、更具生产能力。 在技术方面，金属3D打印发展迅速，粘结剂喷射和紧凑型金属机往往比粉末床熔融系统更便宜。 聚合物3D打印设备仍然具有最大的细分市场。像选择性激光烧结、多射流熔融和立体光刻等技术已经发展到可以大批量生产上万个零件的程度。 陶瓷和电子3D打印机市场仍然处于初期发展阶段。新技术的发展—如XJET纳米陶瓷喷射技术和DragonFly电子产品数字制造技术（LDM），为这些细分市场在不久的将来达到成熟奠定了基础。 19. CONTEXT预计，2019年金属3D打印机出货量相比上一年将增长49％以上。 20. 据SmarTech Analysis报告，金属增材制造设备销售额到2024年将达到40亿美元。（SmarTech Analysis，《金属增材制造2019》） 21. AMPOWER统计发现，全球已安装的所有粉末床熔融金属3D打印设备有62％来自德国供应商。（AMPOWER，《2019年金属增材制造报告》） 22.在金属粉末床熔融工艺中，原始零件成本的20-40％与材料成本有关；在金属粉末激光能量沉积技术中，材料占据原始零件成本的70％，而电弧沉积技术的这一比例为80％。（AMPOWER，《2019年金属增材制造报告》） 23. 2018年，全球金属增材制造市场价值15.1亿欧元，并将以25％的复合年增长率增长。（AMPOWER，《2019年金属增材制造报告》） 24.粉末床熔融技术仍然是金属3D打印的主流工艺，占全球所有金属增材制造系统的80％。 25. 到2027年，紧凑型工业金属打印机的销售额将突破10亿美元。 26.安永《2019全球3D打印报告》显示，72％的受访企业正在使用聚合物增材制造系统，使用金属3D打印的公司占49％。 27.惠普MJF技术已成为市场上增长最快的聚合物3D打印工艺。2018年，使用MJF 技术生产的零件超过1000万个。…

几天前，微信朋友圈流行用FDM技术打印口罩，笔者一直觉得用3D打印来做这些实在杯水车薪，一是量起不来，二是因为质量比较糟糕。笔者当时觉得，3D打印可能为这次疫情做不了什么。然而，随着设计共享、品牌商联合、工业机的介入，3D打印终于被推向制造前沿、发挥作用。 本期，3D打印技术参考要讲述的是匹克体育联手惠普、华曙高科等3D打印企业在口罩扣设计和生产过程中所做的部分工作。 ▌匹克体育：从设计、材料到工艺，改善产品佩戴感受 匹克体育科技创新部副总监黄征介绍，牛奶箱提手本身硬度很高，其尺寸和两侧牵制绑带齿的设计会造成长期佩戴不适。基于此，匹克对该产品进行了多达九次优化，先是给自己的员工试戴，后给北京医院的医护人员使用，得到了积极反馈。 从牛奶箱提手到专门的口罩扣设计 第一个版本的产品有很多问题，如尺寸不通用、佩戴以后会往下滑等等。匹克针对这些问题进行了设计改进，从最开始的两个齿，到后面三个齿、四个齿，以适应不同的尺寸需求；同时，匹克设计师还在口罩扣的内面贴上了魔术贴，它能够使口罩扣很好地固定在无纺布制造的防护服上，从而解决了滑落问题。口罩扣和魔术贴结合在一起就是一个完整的配件。经实际使用，医疗人员的佩戴感受大大改善。 使用FDM工艺打印的具有魔术贴和不同齿数的口罩扣 在材料方面，匹克使用的是热塑性聚氨酯，也就是TPU。相比牛奶箱提手会柔软很多，安全环保，可以亲肤，而且可以百分百回收。但目前由于医疗资源产能有限，需要反复使用，因此免不了定期消毒。医院每天使用完以后，会集中回收，统一消毒和存放。然而TPU本身并不耐高温，目前所用的方法是紫外线照射和酒精消毒，能够做到很好的处理。 在打印工艺方面，匹克最初所采用的是FDM技术，面临的最大问题是速度慢，一次打印只能制造有限的几个产品，匹克所有的设备加起来同时打印，每天产量也远远不到1000个。产能不足的问题促使匹克设计人员不断的优化打印文件，将效率提升了30%-40%，以前用10分钟可以打印一个，现在只需要六七分钟就可打印完，而且不需要后处理。 使用FDM工艺批量制造的口罩扣 然而真正实现大批量制造，仅仅依赖FDM技术是远远不够的，开模又根本来不及。后期匹克找到了惠普、华曙高科等企业，真正开启了口罩扣产品的3D打印批量制造。 ▌联合惠普、科恒，采用MJF技术实现批量制造 惠普3D打印设备的突出特点是面向批量、直接制造的应用，通过替代中小规模的注塑手段，来提升3D打印规模化生产的精度和经济性。在传统注塑行业，开模将是一大笔费用，均摊到单个产品上面不仅成本高昂并且费时费力；而惠普MJF技术，则可以低成本且快速地批量生产这种中小批量的产品。 采用MJF工艺批量排版口罩扣，一次可打印近千个 基于匹克此前使用TPU材料，惠普计算发现采用MJF技术制造TPU口罩扣的成本要高于尼龙材料很多，而由PA12打印的口罩扣却同样得到了医生的正面反馈。最终，由惠普出资，委托3D打印服务商科恒采用PA12进行了口罩扣的批量打印。 由MJF技术打印的PA12口罩扣具有良好的韧性 目前，惠普联合科恒已捐赠900个3D打印口罩扣给武汉和黄冈等地的定点医院，仍有大批产品仍在制造过程中。 ▌携手华曙高科，采用SLS工艺一天可打印近千支口罩扣 SLS工艺也是面向批量制造的3D打印技术，以华曙高科403P系列为例，一台3D打印机一天可打印近1000支口罩调节扣。相对FDM技术来说减少了反复的多台机器操作过程，大大节省人工，缩短加工周期。 采用SLS工艺批量排版口罩扣 华曙所采用的也是尼龙材料，柔软、耐磨，满足了口罩佩戴过程中的强度及弯曲程度要求，并且可消毒重复使用。以此制成的口罩调节扣能贴合头部表面，不产生勒痕，使用者佩戴帽子时也可达到良好的包裹效果。 采用SLS工艺打印的口罩扣 目前，华曙高科与湖南省工信厅联合捐赠的第二批500个3D打印口罩调节扣已发往湖南援鄂医疗队，后续还将打印多批发往湖北地区。 END 对于口罩扣的需求是很大的，一些企业也找到了匹克进行产品定制，数量达到几千个，一部分企业自用，一部分进行捐赠。除了一线的医务人员，一些需要长期佩戴口罩的交警、民警、保安、消防队员等同样有很大的使用需求。企业，在这时候也可体现自己的人文关怀。 然而3D打印要在此次突发疫情中发挥作用，制造出合格产品，还需要从产品本身的痛点出发（如新产品亟需批量制造），配合设计、材料、工艺，还要考虑成本，才能真正发挥作用，这些要点缺一不可。 除了匹克、惠普、华曙高科、科恒这些企业外，还有塑成科技、易生、创想三维、光韵达等3D打印企业贡献着自己的力量。随着设计共享、品牌商联合、工业机的介入，3D打印在小批量快速定制方面的优势将被重新认识。 ---致敬前行者--- 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.3D打印医疗器械所面临的挑战—灭菌与失效 2.3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题 3.国内对3D打印医疗器械的生产、应用有哪些严格要求和限制 4.医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活

增材制造的工艺参数（如激光功率、扫描速度、搭接间距、扫描策略等）对成型后的微观组织和力学性能的稳定性有着极大的影响。因粉末物性及成形工艺的差异，基于时空约束下的成形过程中，高能激光束与粉末在多场耦合交互作用下粉末的熔化/凝固行为极为复杂，导致难以有效调控成形过程及质量。 理解具有多个变量物理过程的一种方法是使用过程图，这可以帮助显示多个参数之间的经验关系。该技术此前已应用于激光焊接工艺，目前也已用于了解增材制造工艺，包括实际的机器设置、无量纲参数的使用等，从而有助于比较增材制造工艺之间的关系。采用合适的工艺窗口来更好的控制制造过程，同时能获得制造过程中的热模拟模型，以便掌握零件制造过程中的受热变化。 多材料SLM工艺标准化处理图谱（来源已上传） 而热模型可以用来模拟增材制造材料凝固过程中的微观组织变化、热梯度变化以及固液界面的液体流速变化等，最终可获得对应的增材制造过程中的微观组织变化规律。但是这不仅忽略了凝固过程中的形核与长大过程，而且还忽略了凝固组织取向的变化对力学性能带来的影响。 2月15日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员在金属材料领域顶刊Acta Materialia上发表题为“Solidification-driven Orientation Gradients in Additively Manufactured Stainless Steel”的论文。研究表明，在凝固方向上，晶粒内部存在一定的取向差，并且其取向差与成分偏析有关，这对3D打印的材料设计提供了一种思路（论文已上传）。 研究简介 作者基于LENS增材制造技术制备样品，利用基于飞秒激光TriBeam系统、FIB以及EBSD技术对样品进行逐层扫描，获得每一断层的EBSD数据，再进行三维重构，从而得到晶粒组织的三维形貌。利用K均值聚类算法，获得晶粒的形核位置，以形核位置的取向为基准，标定晶粒在生长方向上的的取向差，并讨论了三维晶粒形成的原因，发现随着晶粒在热梯度方向上的凝固，晶粒最后凝固的部分具有最大的取向差；并结合Scheil-Gulliver凝固模型，分析得到取向差与元素分布的存在对应关系。 晶粒组织的三维形貌重构 增材制造过程中形成的偏析很难通过后续的热处理消除，而偏析对于材料的性能具有不利影响，如材料的耐腐蚀性能。材料中形成的局部取向差可能会导致应力集中，这对材料的力学性能不利，进而降低材料的使用寿命。 通过调整增材制造工艺参数，控制材料的凝固过程可作为减小凝固形成取向差的一种方法，从而提高材料寿命。同时，可根据传统材料的成分，调整成分配比，减小凝固过程中低温条件下的液相体积分数，从而减少偏析。这为增材制造的材料成分设计提供了一种思路。 元素分布于取向差的对应关系 增材制造控形与控性 增材制造具有丰富的科学内涵，主要体现在：围绕“增”字，涉及“工艺调控基础”，对于激光增材制造则涉及高能激光与金属粉体作用机理及复杂构件逐层堆积工艺调控机制；围绕“材”字，涉及“材料设计基础”，主要涉及增材制造金属、合金、陶瓷及复合材料设计制备方法及成形机制；围绕“制造”一词，则涉及“结构与性能基础”，尤其是增材制造构件微/宏跨尺度组织与结构优化及性能调控机理。 美国国家增材制造创新研究院发布的新版美国“增材制造技术路线图”将设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个技术领域设定为关键技术领域，并按照技术成熟度分别对各领域在2020年前的发展重点进行规划。路线图特别强调：在设计方面，需对增材制造结构、工艺、组织及性能/功能进行广义的设计与调控；在材料方面，实现增材制造现有材料及新材料的系列化；而在工艺与性能方面，需提升工艺调控及性能评价能力。可见，激光增材制造构件要实现控形与控性，需通过材料—结构—工艺—性能一体化调控与优化，这是由增材制造技术自身的科学内涵所决定的。 增材制造凝固过程的晶粒取向梯度研究，无疑是从微观尺度进行成型过程控制的工艺研究和材料研究，最终的结果将是有助于增材制造控形和控性的实现。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.金属材料选择性激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 2.采用人工智能和3D打印设计超级材料 3.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 4.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金

选择性激光烧结（SLS）是工业应用中最受欢迎的聚合物3D打印技术之一。自30年前问世以来，SLS技术已经逐渐成为一种能够进行功能原型制作的成熟技术，近些年来还被用于最终用途部件的生产。硬件和材料领域的持续创新促进了该技术更加广泛的应用，以及终端用户开发新应用的意愿。 本篇文章，我们将概述SLS的发展历史及最新发展，以了解有关该技术当前和未来更多的机会信息。 SLS发展简史及新技术 激光烧结使用大功率激光逐层将粉末熔化，该技术的主要优点之一是其打印过程不需要任何支撑结构，极少的内应力和来自粉末的自支撑，使SLS打印件能够自由成型。 尽管SLS打印的概念在1980年代就已诞生，但第一台SLS工业打印机直到1992年才被DTM（Sinterstation 2000，DTM后来与3D Systems合并）商业化。随后，1994 年EOS推出了EOSINT P350。此后，越来越多种类的打印机开始进入市场，标志着工业环境下更快、更大规模打印时代的开始。 1.EOS SLS技术的发展 德国聚合物和金属3D打印公司EOS可能是市场上最大的SLS设备生产商。2016年，该公司在全球安装了约3000台设备，其中51％是SLS系统。 在其30年的发展进程中，EOS已经将SLS技术发展到成熟的技术水平，适用于原型设计和生产中的多种应用。EOS于2006年推出了FORMIGA P100，该系统在引入塑料行业多年后，为塑料行业的工业3D打印质量设定了标准，具有里程碑式的意义。 FORMIGA 110 Velocis 3D打印机 2012年，EOS推出FORMIGA 100的后继产品FORMIGA P110，该产品在3D Hubs的《2018年3D打印机指南》调查中被评为最佳激光烧结打印机。P110的总构建尺寸为200×250×330mm，可实现更具成本效益的小批量打印，并用于中等尺寸的原型构建和具有高度复杂形状的零件。 快进到2018年，EOS通过对P110升级改造推出了FORMIGA 110Velocis，它具有改进的加速加热系统和重复铺送粉技术，并使用软件控制以更高的速度用30瓦激光束预热聚合物材料。通过进一步的技术改进，Velocis的生产率提高了20％，并且打印区域的温度分布更佳，从而使零件质量更加均匀。 高温SLS 尽管SLS中最常用的材料仍然是尼龙，但EOS还希望能够打印更高级的材料，如PEEK，该材料需要更高的温度才能打印。 2008年，EOS第一个高温SLS平台EOSINT P800面世，内部操作温度可高达385°C，从而将SLS技术扩展到了PEEK等热塑性塑料的新范围。 EOSP810激光烧结系统 10年后，EOS推出高温3D打印机P810，该打印机据称是世界上第一款针对碳纤维增强PEKK材料的高温激光烧结系统。 持续创新：FDR和LaserProFusion技术 EOS在SLS技术领域的改进和创新获得了持续发展。在2019年Formnext展会期间，EOS展示了其基于聚合物的具有精细细节分辨率（FDR）的3D打印技术。FDR工艺使用CO激光进行聚合物烧结，部件具有精细的细节分辨率，最小壁厚可达0.22mm。该技术打破了传统上的CO2激光烧结技术，EOS也因此成为第一家开发用于粉末工业3D打印的CO激光解决方案的制造商。 a. EOS采用CO激光打印的复杂零件；b. 两种激光打印的零件表面光滑度比较 FDR技术专注于精致组件，而EOS的另一个解决方案（尚未商业化）LaserProFusion技术旨在最大程度地提高生产率。该技术使用多达100万个二极管激光器，能够产生超过5千瓦的累积激光功率。这项技术的主要目的是满足批量生产的要求，EOS表示它可以在许多应用中替代注塑成型。 LaserProFusion技术整个截面同时烧结 自26年前第一台SLS 3D打印机问世以来，EOS一直是SLS技术取得巨大进步的主要推动力之一。它一直在推动SLS成为批量化的生产解决方案，并最终获得成功。 2. 华曙高科Flight光纤激光烧结技术 另一家深耕SLS技术的公司是华曙高科。为了使SLS更快、更精确，华曙高科于2019年推出了Flight技术，即使用光纤激光器代替标准的CO2激光器。 光纤激光能够向粉末床输送更多能量，并改善材料的能量分布。这是因为光纤激光能够实现更小的光斑尺寸，从而转化为更高的功率密度，允许在更短的时间内烧结粉末，同时可实现更佳的细节。 华曙高科Flight技术与EOS LaserProFusion技术产能对比 在效率方面，Flight技术在相同的时间内相比传统的SLS工艺在产能方面提高了数倍，比HSS高速烧结工艺提高了3倍。Flight高分子光纤激光烧结技术，在效率、产能、打印细节品质方面，把SLS工艺带到了新的发展阶段。然而由于高分子材料对光纤激光固有的低吸收率，该技术的关键点可能在于材料技术的改进。 3.Aerosint混合材料SLS 3D打印 尽管EOS和其他知名的SLS厂商主要致力于光源系统方面的创新，但比利时初创公司Aerosint已经采取了更为激进的方法来开发SLS系统，它能够使用两种不同的粉末进行打印，其中一种廉价粉末用作支撑材料。 通常，SLS机器仅能使用一种材料，其中未熔化的粉末起到支撑作用，然而往复的高温加热使材料的性能大打折扣。当前，克服此问题的唯一方法是将旧粉与新粉混合，根据一家服务商提供的数据，其每月购买的500公斤粉末中，有25％成为最终部件，25％被浪费，剩下的50％需要不断混合新粉进行使用。作为SLS的打印材料本身往往价格非常昂贵，如果粉末可以100％重复使用，将会节省大量成本。 Aerosint选择性粉末沉积技术使用特殊装置来沉积两种或多种材料 在这种情况下，引进一种可以使用的、便宜的支撑材料，并使用第二种材料进行零件打印，可以为该工艺节省大量资金。Aerosint“选择性粉末沉积”技术，是通过有选择地从旋转的转鼓上沉积粉末材料来实现的，该转鼓穿过整个打印区域，一个转鼓沉积一种材料，因此至少使用两个转鼓来实现多材料沉积。 Aerosint可以实现高达200mm/s的打印速度，与铺粉辊送粉速度基本一致。该技术的成熟将为制造商带来大量机遇，包括减少粉末浪费，节省材料成本和减少后处理时间等等。 4. 台式SLS 3D打印机的诞生 2014年，随着SLS原始专利的到期，市场上涌现了许多新公司，最典型的一项转变就是台式SLS打印机的涌现。虽称为“台式”，但其体积并不小，而且足够紧凑以适合车间环境。台式SLS打印机的出现为无力承担工业激光烧结系统的生产者和小型企业降低了使用该技术的门槛。 这些新兴的企业包括波兰公司Sinterit、意大利公司Sharebot、瑞士公司Sintratec以及美国Formlabs公司。Sinterit一直是这个不断增长市场的领先者，其推出的其中一型设备的成型尺寸为150x200x150mm，最小层分辨率为0.075微米，非常适合希望引入SLS技术而无需在大型设备上投入过多成本的小型企业。Sharebot推出的100x100x100mm尺寸的打印机，仅用300g的粉末就可以进行打印，特别适合材料开发应用。 Sinterit Lisa Pro 台式 SLS 3D打印机 该细分市场的一项潜在重大创新当属Formlabs在2017年推出的Fuse打印机，它具有165x165x320mm的成型尺寸，采用光纤激光成型，价格约为10000美元，计划于2020年中上市（光纤激光打印尼龙，华曙高科和Formlabs谁更早？）。 廉价的台式FDM、SLA / DLP 3D打印机在2010年后大量涌入，在对增材制造行业的发展做出重大贡献的同时，也造成了行业的混乱。SLS技术的低成本转化才刚刚开始，相信最终会在更广泛的行业和企业中得到应用。 下期，我们将介绍SLS新材料和新应用的演变。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.EOS与惠普的批量化制造技术之争：LaserProFusion与MJF 2.中国高分子材料3D打印发展现状概览 3.高速烧结技术是怎么回事 4.惠普多射流熔融技术与激光烧结技术谁优谁劣，该如何选择

国外调研机构Alexander Daniels Global的第四版增材制造薪酬调查现已发布。该研究是增材制造行业中最全面的薪酬研究报告，可深入了解全球范围内的薪资水平、招聘意向、人才激励和招聘趋势。本期，3D打印技术参考就其中的几点关键问题进行讨论。 1.人才之争，仍是关键 增材制造行业的快速发展带来了对新员工的巨大需求。现有的企业不断壮大，一些巨头公司纷纷开展国际化业务，这个行业的所有企业，都需要新领域的专业人士。 这种发展给人才市场带来了巨大压力，经验丰富的增材制造专业人员有限，增长速度低于市场需求。整个行业的人才普遍缺乏，甚至引发了“人才之战”。 2018/2019从业人员工作经验对比 Alexander Daniels Global所做的研究表明，在欧洲和北美市场的增材制造招聘岗位中，平均只有4.5个相关专业的人员可以潜在的填补一个职位。此外，考虑到应聘者必须具有相关领域的特定工作经验，并且需要在工作地居住或愿意搬迁，这些因素导致复合岗位需求的人数实际上更低。 2.职能划分更加明确 增材制造行业按照职能可以分为市场、销售、研发、应用、服务等多个岗位。Alexander Daniels全球薪酬研究报告显示，研发人员仍然是增材制造行业中最大的群体，占所有专业人员的22%。尽管体量最大，但在过去的两年里，这一比例却在减少，其原因可以从字面意思来理解。 增材制造行业职能划分 “研发”涉及非常广泛，可以是从过程工程到传统研究角色的任何事项。随着行业的成熟，岗位职责变得更加明确，材料科学等学科成为独立的领域，而不是被“研发”这个总括术语所涵盖。因此，研发角色正在转移到其他部门，如应用、软件和材料等等，但同时仍在履行同样的职责。 同时，随着行业的成熟和业务的不断发展，越来越多的高管职位（C-level）开始诞生，并领导新业务。 应用和咨询仍然是增材制造行业的一个主要领域。由于应用的种类繁多且难以轻易辨识，应用工程师成为帮助用户了解工艺特点和局限性的关键。 销售也仍然是这个行业的关键角色。随着越来越多的公司开始将增材制造纳入批量生产，安全稳定的设备以及后续服务变得越来越重要。 3.职业发展是从业人员最重要的动力 该报告还深入探讨了对于增材制造专业人员而言最为重视的工作因素；他们最看重的是什么，他们换工作的主要动机是什么，以及他们如何看待行业薪资的竞争力。 增材制造行业专业人员跳槽动机 Alexander Daniels多年以来的调查显示，行业专业人员离职或接受新机会的主要动机一直都是基于职业发展的要求。在今年的调查中，77％的从业者将职业发展视为主要动机；其次是薪资水平，这一比例也高达72％。89％的专业受访者表示职业发展非常重要，这清楚地表明了该行业中具有长期思考能力的专业人员到底看中什么。 增材制造行业专业人员对职业发展的重要性认知 此外，增材制造行业的专业人员也非常看重提高自身技能。大多数专业人员希望能够获得学习机会，如参加公司内外部培训、特定课程以及相关展会等等。获得学习机会，对专业人员的工作满意度至关重要。 4.行业平均工资首次出现下降 从2016年到2018年，增材制造行业的平均薪资水平连续三年获得增长。然而随着该行业的日趋成熟，情况已不再如此，3D打印从业者的平均薪资水平四年来首次出现下降。 2018-2019年不同资历和学科的平均工资下降趋势 在欧洲，跨资历水平和跨学科的平均薪资与2018年相比下降了7.7％，北美和亚太地区的薪资分别下降了2.3％和6.8％。 不过，薪资水平的下降并不意味着增材制造行业的员工已经减薪，而是表明随着劳动力队伍的扩大，市场正在走向成熟。在此之前，占据该行业主导地位的群体是那些在这个行业工作了10年以上的人士，而随着行业的发展，前期进入这个行业的部分群体开始从初级职位晋升到更高级别，现在占主导地位的是那些有2-5年经验的人。随着这一代人的转变，工资水平正在进一步平衡。同样随着行业的发展，劳动力的扩张意味着越来越多的专业人员以较低的职位进入行业，从而造成了较大的薪酬差异。 3D打印工程师是不是一个简单的工种？怎样留住人才？ 在大多数人看来，从事这个行业确实需要有一定的专业基础、一定的从业经验。我们此前曾看到张抗抗发出的一篇文章中介绍到，3D打印工程师需要根据客户的不同需要匹配不同的3D打印工艺，需要了解材料性能、懂得简易3D建模，具备基本的销售和动手能力。按照这种理解，具备以上技能的人，至少也是一个机械专业的本科生、有两三年工作经验，由于都是复合型技能、而且工作不定时经常加班，工资至少要开到1万元以上。然而这个行业最具生命力的服务商的工程师却是从周围村子里找来的，都是初中毕业，因为以前也招过大学生，不行，一是养不起，二是不接地气。 养不起是肯定养不起，不接地气应该就是调研报告中提到的这部分人更看重职业发展通道。国内增材制造行业的从业人员如果谈职业发展，可能对很大一部分人来说比较奢侈，因为只有大公司才会提供这样的职业上升通道。然而在目前的情形下，涉及这项技术的大型企业并不是那么多，它们所能容纳的人才相对于整个增材制造行业来说，更是寥寥。对于有中高级别要求的研发岗位来说，3D打印工程师并不是一个简单的工种。 对于这个行业的人才群体，上升通道、学习机会、薪酬等等，总要有一样让人满意。 薪酬当然至关重要。不过与其他类似行业相比，增材制造行业的薪资水平被认为具有竞争力。这表明，在增材制造领域，薪金可能比竞争性或类似行业的薪资更高。这主要有以下几方面原因：1.增材制造仍然是一个相对较新且不可预测的行业，公司需要支付高薪以补偿员工进入该行业所承担的风险。2. 增材制造行业薪金极富竞争力，也标志着人才之战和稀缺性的存在，雇主倾向于向员工支付更高的薪资，以吸引和保留稀有人才。3. 增材制造行业正在与其他工业4.0技术竞争，其他工业4.0技术（如大数据和数字自动化）也需要增材制造行业所需的许多技能。增材制造作为一种技术可能难以吸引顶级人才，但需要提供更高的薪资来吸引更多人才。但具体到每个公司，还是会存在差异，这也是人才流失的重要因素之一。 注：《增材制造薪资调查》全文PDF已上传QQ群，涉及各个岗位、各个区域的薪资水平，公司的人才管理战略等内容。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.未来3D打印会有高收入吗 2.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 3.AMiner 中国3D打印研究报告（简） 4.2018年3D打印应用现状（上篇） 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：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？

本文系清华大学动力工程及工程热物理学博士张抗抗，在知乎上回答问题“特朗普反对全球化并且要把制造业移回美国能否成功？”可以窥探中国3D打印的活力。 我所在的公司从事工业3D打印服务的业务，可简单理解过试制打样 —— 在产品研发阶段，一般都要经过多轮的样品试制，在验证没问题之后，再开模量产。例如，下图是同行制作的3D打印仪表盘，用于汽车研发过程。于是，公司采购一台工业级光固化3D打印机。一开始还好，到了2017年之后就发现了问题：考虑人力、水电、耗材，综合计算成本为1元/克，比深圳/东莞的外包采购价格还要贵50%，难道珠三角都在做亏本买卖吗？可怕的是，这样计算出的成本，还没考虑固定资产折旧。更可怕的是：他们不仅成本低，而且质量高、服务好。服务好到什么程度？我举个例子：有一次，晚上8点来了一个同城的急活客户。有多急？第二天中午12点前就要送到。这个客户之所以找我们，就是觉得只有同城才可能解决。然而，晚8点我们已经下班了，也解决不了这个问题。抱着试试看的心态，我找到了东莞的供应商：他们8点和我接洽、9点开始打印、12点打印完成、深夜1点半跨越速运取货、早上7点到我所在的北方城市、8点送到公司。恍忽间，我觉得东莞好近，完全不像相距2000公里的样子。北方客户经常给我说：“麻烦发顺丰，赶时间”。而这个供应商的回复是：“顺丰太慢了！发跨越吧？”如果再算上物流成本，那东莞的打印成本还要再低一倍，究竟是怎么做到呢？带着这个困惑，2019年8月，我去拜访了这家供应商。东莞长安镇的赛博朋克 去拜访的前一天，我在深圳，一个国际化大都市。当天晚上，我来到了东莞长安镇：交通非常方便，深圳11号线地铁坐到终点站碧头，再打车即可到达。 进地铁站前，随手一拍，深圳大概长这样：在长安镇汽车站附近安顿好已经八点多了，于是出去溜哒吃饭。走到街头，赶到一阵怪异……甚至有点担心被打劫。传说中房价3万+的长安镇，竟然是这种鬼地方，说好的繁华呢？当时给我的感觉：这TM就是末日废土啊，脑子中盘旋的是下面这座城市：走过一个街口，街景还是如旧，但车与人多了起来。下面这个路口，运货的大卡车接连不断，等了3分钟才能过马路。后来听说，这条路是东莞通往深圳的枢纽，车流不断，彻夜如此。 古惑仔工程师的究极形态 有了长安镇的第一印象之后，我对这个供应商的期待已经降低很多了。然而，当我走进一幢民房，见到与我合作数月的“工程师”之后，还是大吃一惊。我以为与我合作的工程师是这样的：这可能太理想了。那差一点，实际情况可能是这样的吧？而真实情况大概是这样的：光膀子、背心、拖鞋、染发。当然，办公环境还比较励志：一时间，我有一种非常魔幻的感觉！要知道，3D打印工程师并不是一个简单的工种，他需要具备以下技能： 3D打印工艺：堆积熔融、光固化、激光烧结……不同的客户需要，需要匹配不同的工艺。 了解材料性能：每种工艺下对应多种材料，根据客户需要，选择满足需求的、成本最低的材料。 简易3D建模：专门的建模工作由专人完成，但打印服务也经常需要简单的3D建模操作，例如抽壳、钻孔、加厚、闭合曲面、切削、缩放、合并等等。 基本销售技能：工程与销售两种工作于一体，需要基本的商务对话功能，让对方产生信任。 动手能力：光固化打印后的成本，需要洗刷、打磨、喷漆等。 按照我的理解，具备以上技能的人，至少也是一个机械专业的本科生、有两三年工作经验，由于都是复合型技能、而且工作不定时经常加班，工资至少要开到1万元以上。在知乎上，1万元真不多；但对制造业来说，可能就是综合成本1元/克与5毛/克的天差地别，是生存与死亡的区别。我问小主管：这些人你怎么招来的？答：周围村子里找来的，都是初中毕业；以前也招过大学生，不行，一是养不起，二是不接地气。问：这些技能你是怎么学会的？答：亲自带徒弟，手把手地教啊！十个人中，总有两三个能够全部掌握的。问：那3D建模呢？不需要大学生么？至少，不需要上个培训班吗？答：B站上都有教程啊，讲得很细的，一步一步来就会了。问：成本高吗？答：基本工资两千，加上提成有多有少。掌握了3D建模技能、商务销售技能、材料工艺知识，在他们眼里，和学习“贴烧饼”的技能也没啥区别。他们也没觉得自己可以和985毕业生平起平坐了，不会心浮气躁。问：你们每天工作到11点，这点工资能留下来人才吗？答：当然可以! 他们来我这里，能学到东西、以后工资更高，还能在空调屋里上班，闲的时候打手游也没人管的。否则，他们就要去富士康了，不自由，也不能成长。问：每天一点娱乐时间都没有，你的精神不会崩溃吗？答：青春就是应该去做点事情，努力追求成功。这有什么不对呢？此时，我突然觉得：互联网世界与真实世界，真的是两个世界。我沉默一会，抛出一个当时已经争论得甚嚣尘土的灵魂发问：你们工作时间比996还长，不觉得老板在剥削你们吗？首先，他不知道啥叫996，我给他解释了一下。然后，他答道：我们这没有老板，怎么剥削？没有老板？原来，他已经在这个公司工作了3年，得到了公司的信任。今年起，可以承包5台工业打印机，不需要付任何押金、不需要业绩承诺，他只需要交一定比例销售提成给公司。附:这不是一家小公司，类似这样的"承包点"不止一个对他来说，这是他人生中的一个机会，他希望干得更好，来年可以承包更多机器，这样回家过年的时候可以让父母开心一点；对公司来说，也可以降低经营成本与风险、降低管理成本、激发员工活力。如果没有这样的机会，他只能回家种地。我在任何书本中，都没有听说过这种xx主义的究极形态；我也搞不清楚，他这样到底算是被老板剥削、被机器剥削的工人，还是被自己剥削的个体工商户呢？有没有一种剥削，上班不用打卡、平时见不到老板、没有业绩KPI要求、工作全凭自觉与热情、还免租送你生产资料使用的呢？制造业创新的土壤我们必须强调的是：上述这个例子，说到底还是“低端制造业”。珠三角制造业、中国制造业的崛起，不可能仅仅依靠这些低端制造业。但是，这些低端制造业，就像大海中的海藻，在为整个生态提供着丰富的养分：有这样的3D打印企业在附近，大疆无人机、深圳比亚迪、广汽集团的研发是不是比美国同行的成本更低、速度更快？甚至日本丰田、本田的部分3D打印工作，都外包给了珠三角的3D打印行业，而且明年会更多。为什么？因为即便算上海运时间与成本，也依然比本土加工要更划算、更快捷。相比于日本，美国的汽车行业就没有福分，来享受这种 xx主义究极形态对整个制造业提供的养分了。另一方面，虽然它是低“低端制造业”，但它又不像织袜子、造玩具那么低端。就拿3D建模这个技能举例，如果不是有巨大的九年义务教育人口红利、如果不是有B站学知识这样的移动互联网红利，这样的“复合型技能古惑仔”不可能存在。咱们问3个问题： 这样的“低端制造业”，东南亚有足够的“复合型技能古惑仔”来承接吗？ 美国40岁的红脖子失业大叔，和这些“复合型技能古惑仔”相比，竞争力如何？ 先别说美国，除了珠三角之外，中国有任何一个其它地方的3D打印服务，可以和它竞争吗？ 问完这3个问题之后，我们公司就把自己的那台工业3D打印机给卖了，安安心心地采用供应商的服务，合作共赢 ------又一位珠三角农民有机会自学成为机械工程师，但又一位机械专业大学生可能要被迫转行了。这些低端制造业，并不是什么国之重器，媒体不乐意、出于某些原因也不敢报道。不仅特朗普很难知道真实情况，就连咱们中国人也很难想象出来吧？如果特朗普知道了一线制造业的真实情况，我不知道他会做什么样的决策。

金属一直以来都是机械制造中的主力，因为金属的强度、刚度要远远好于塑料、橡胶、木材等非金属材料，所以很长一段时间内，金属的作用很难被替代。 但是随着材料学的发展，金属已经不再是我们的唯一选择，甚至有大量的非金属材料因为特殊的性能而被被应用到航空发动机中，如陶瓷材料和碳纤维。陶瓷因为其极佳的耐高温性能而有可能在未来的航空发动机高温部件中得到使用；碳纤维则以优秀的比强度、比模量等综合指标被航空航天工业青睐。 陶瓷基涡轮叶片 GE90和GEnx发动机碳纤维复合风扇叶片 ▌除了质量轻、强度高，碳纤维还有哪些优势？ 如果我们希望航空发动机可以制造的足够轻盈，那么在条件允许的情况下尽量减小材料的密度是一个很好的方法。当年的钛合金就是因为轻质，并且刚度、强度和高温性能都合格，已经是一种被广泛使用的优秀航空材料。 但金属毕竟是金属，即便是像镁铝合金那样的材料，密度也达到2000kg每立方米左右，而且金属材料都有一个很严重的问题，即金属疲劳问题。当金属材料内部受到变化的力的时候，只要这个力足够大、作用的时间足够长，那么材料就会产生微裂纹，然后这样的裂纹会快速变长、直到整个材料都裂开。 金属材料的疲劳裂纹 碳纤维相比于金属材料最明显的一个优点就是—轻。碳纤维密度一般在1400~2000kg每立方米，经过环氧树脂强化的碳纤维密度也不过1600kg每立方米而已，远远好于金属材料。 而且这种材料抗拉强度极高，想要拉断高强度碳纤维材料需要用拉断同样横截面积钢铁的力的两到四倍。 碳纤维（后三行）与金属材料的对比 另外，碳纤维跟金属材料不一样，碳纤维材料并没有所谓“疲劳强度”的概念，也就是说变化的力对于金属材料来说是一种威胁，需要重点关注，但是放在碳纤维这里却不叫什么事情。 上面这些优点对于航空器材可以说是至关重要，因为这些东西是要飞上天的，所以自然是越轻越好，而且像航空发动机这样的装置，需要承受巨大、复杂的载荷，工作状态下零件内部会分布有复杂变化的载荷，有这么一种密度小、强度高、抗疲劳能力强的材料自然是极好的。 ▌非完美，耐高温性能不敌金属 实际上碳纤维本身耐高温性能是非常优秀的，在一般情况下能够承受1000℃以上的高温，碳纤维耐高温的原理是碳纤维中碳原子的结构类似于石墨晶体中的层内结构，碳原子间以牢固的共价键结合，很难破坏，所以耐高温。 但是生产上所使用的碳纤维大部分是复台材料，它的耐高温程度取决于基体材料，大部分是树脂，其使用温度为-50-180℃，所以一般碳纤维制品耐高温在150-180℃，也有300-400℃的碳纤维复合材料。 通过环氧树脂将多层碳纤维粘黏在一起 ▌碳纤维被广泛用在飞机和火箭上 基于以上特点，碳纤维在航空航天领域的应用非常广泛，它可以被用来制造火箭的燃料储藏罐，也可以用来制造飞机的外壳。尤其是现在先进民用客机制造中，碳纤维的使用比例已经超过了50%。 SpaceX公司制造的世界上最大的碳纤维燃料储存罐 波音787外壳大量使用碳纤维材料（蓝色） 然而，虽然碳纤维有很多优点，也确实在火箭、飞机结构上得到了广泛的应用，但是在航空发动机上的使用却不是那么容易，因为航空发动机除了载荷大且复杂之外，还有两个很致命的问题：发动机的高温环境和对结构变形的严格控制。 航空发动机的运转离不开大量燃料的燃烧，所以必然会产生极高的温度，发动机涡轮前的温度可以高达2000℃。前面我们已经提到，碳纤维虽然也能承受一定的高温，但是在这样程度的高温下却依然显得无能为力。 另外，航空发动机分为一静一动两个部分，也就是“静子”和“转子”，静子不动，转子高速转动，动静之间要求配合严丝合缝——这也就是所谓的“转静子间隙控制”。 发动机转动件和静止件之间间隙要求很高 而碳纤维材料虽然说强度很高，但是刚度不足，这也就意味着一旦发动机工作起来碳纤维做的零件会发生更大的变形，带来转静子之间配合状态的改变。尤其是在压力比较高的地方，一点点的缝隙都有可能造成安全问题和性能下降。 所以碳纤维材料在航空发动机中的应用相对较少，使用的位置主要是：风扇叶片。 航空发动机上的第一级风扇叶片 风扇叶片距离燃烧室较远温度很低（事实上就是环境温度），而且这个位置压力比较低、对间隙控制没有那么严格。同时，这些叶片体积足够大，方便了碳纤维材料的加工，使用碳纤维材料也可以最大程度上发挥材料密度小的特点。 巨大的叶片一个成年人可以轻松举起 如果是在那些小叶片上采用碳纤维材料，不仅加工困难（碳纤维叶片制造过程中的很多步骤都要依靠手工），重量也并未减少多少。 GE9X采用的第四代碳纤维复合风扇叶片，共有16个前风扇叶片，比GE90和GEnx风扇叶片数量再次减少，从而减轻重量，提高发动机性能。 ▌碳纤维3D打印加工方式 自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来，该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用，该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。 碳纤维风扇叶片3D打印过程 美国Continuous Composites公司获得创新大奖的连续纤维打印（CF3D）工艺，使用快速固化热固性树脂（工艺也适用于热塑性塑料），将增强纤维浸渍在打印头内，并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印，纤维体积含量可达到50%～60%。获奖项目中的重要进展包括更加自动化的工具路径生成手段；自动化的工具更换，从而可在同一部件上实现高分辨率单通道打印和高沉积率多通道打印；提高机器人准确性和精度等。该公司预计未来此技术将用于按需打印整个飞行器结构——无论是10件还是1万件。 连续纤维3D打印将多个结构作为单个组件进行打印，图为带有嵌入式角撑板的飞机翼梁。使用Continuous Composite的3D工艺进行打印，随后通过手工沉积碳纤维复合材料进行蒙皮 意大利莫伊复合材料公司开发的连续纤维制造工艺，旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，该工艺还可使用紫外线固化方式，所需固化时间小于1s。目前，该技术已开始用于航空结构件制造。 莫伊复合材料公司3D打印工艺 END 碳纤维不仅性能优异，生产过程同样困难重重，在国际上一直由美、日两国主导。3D打印确实为碳纤维的生产提供了一种新途径，不过目前连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题：一是纤维含量低，且打印层之间的分层可能性高；二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。未来，随着这些问题的解决，该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势，必将会使碳纤维的生产更加成熟。 注：本文部分内容来自航空知识，由航小北原创。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读：1.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式 2.碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异 3.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

在金属粉末床激光熔融技术（SLM）中，无支撑或减少支撑数量一直是工程师非常关注的问题。原因很明显：支撑的数量不仅会对后处理产生影响，还会增加建造时间和材料消耗。 此前，3D打印技术参考曾重点介绍EOS通过工艺控制实现大水平面无支撑制造的过程。本期，我们从设计的角度进行SLM无支撑制造的可能性与局限性分析。 ▌须再次明确支撑的三个作用 传导热量、抵抗残余应力、应对刮刀冲击作用 传热：由于粉末与固体材料相比导热性低，因此必须在悬垂区域调整能量输入。在具体的制造过程中，通常也会采用下表面优化的工艺参数来缓解传热问题。 来自materialise，研讨内容已上传QQ群 抵抗残余应力：金属粉末床熔融技术是典型的快速熔凝的过程，尤其是相对于EBM来说，会产生极大的残余应力。应力的产生是由于局部集中的能量输入引起的温度梯度以及上层凝固层与下层已冷却层之间的温度差，已降温的部分会对温度较高的部分的变形产生抑制，从而在材料内部产生应力。与其通过提高打印温度（会增加氧气吸收）或采用特殊的扫描策略（会对机械性能或生产效率造成影响）来解决残余应力，不如通过预变形或者在可能的情况下设计成不易变形的结构来解决。 来自materialise，研讨内容已上传QQ群 刮刀作用力：在铺粉期间，刮刀会在零件上产生作用力。如果零件没有与构建基板连接，零件有可能会被刮刀带走。根据零件几何形状的不同，刮刀产生的作用力或大或小。对于接近极限特征的零件，可以选择使用软刮刀，但只有硬刮刀才能保证恒定层厚。实际上，可以使用硬质刮刀进行打印的零件，也可以轻松地更换软刮刀。对于探索性实验，需进行更苛刻条件下的验证，因此实验采用的是硬质高速钢刮刀。 ▌无支撑结构的外层保护设计 研究人员对该解决方案的有效性进行了实验。通过设计一直径为50mm的平板以及直径50mm、高度也为50mm的倒置圆锥体，采用Amphyon进行模拟，可以清楚的看到圆锥的变形较小，它从一个点开始，在z方向上持续生长。XY方向的圆形也起到了自我稳定的作用。与倒置圆锥相比，平板在变形显著。 用Amphyon模拟z方向的变形，与圆锥相比平板的变形更为严重 减小刮刀作用力的典型解决方案是加支撑，它可以减少刮刀与零件作用产生的振动，增加打印过程的稳定性。如果进一步发展支撑的概念，则可以使用外壳来保护和稳定零件（外壳与椎体之间设置间隙）。 椎体与外壳之间设置0.2 mm的间隙，防止两者成为一体 实验锥体采用TC4于EOS M 290上打印，完成之后可以用手轻松取出。 左侧：打印的截面；右侧：打印完取下的椎体 这种设计的外壳体积远大于零件，因此，需要进一步优化以找到最好的设计。首先，不必将整个椎体全都包裹，只需在开始部分包裹一个特定区域，椎体与壳体之间的摩擦力应足以将其固定在适当的位置，即使对于高零件也是如此；另一个方案是进行零件堆叠，将前面的零件作为下一个零件的外壳。 ▌增强挑战，优化设计 研究人员进行了更高级别的挑战，采用西门子NX软件设计，椎体被堆叠数层，并用nTopology软件修饰成晶格结构，做成类似圣诞树的形状，并将其倒置。这种形状可形成自支撑，底部的“树干”可充当上层“树”的外壳。由晶格形成的外壳与椎体零件在xy方向上有0.1 mm的微小重叠，可确保良好连接。 在Magics中看到的设计详细细节 对设计结构进行仿真 堆满打印平台的新设计 将零件加载到打印机后，采用优化的参数进行打印，以确保可建造性和生产率。从结果可以看出，打印过程稳定，锥形零件成功打印。 分析讨论 从EOS的研究可以看出，外部辅助结构通过与实体零件的有限性晶格结构连接实现零件固定，这为工程师的支撑设计提供了一种思路。很明显，EOS正在通过结构设计与工艺调整相结合的方式实现SLM无支撑结构的制造，这与我们之前曾介绍的EOS对大水平面无支撑工艺探索相呼应，实际上，这两项研究是由同一个工程师所主导。 通过工艺调整实现极限斜面成型 关于支撑是否是SLM技术天花板的讨论，仁者见仁智者见智，但目前我们确实看到了VELO3D公司已经实现了较好的无支撑打印效果。除此之外，无论国内还是国外的传统SLM设备商，也正在陆续攻克此前的制造极限，这主要体现在对于倾斜角度的打印上。通过工艺的调整，在无支撑的情况下可以轻松实现15度斜面的打印等。未来，我们相信随着SLM技术在线监控和工艺实时调整技术的进步，无支撑打印，或许能够普及。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读：1. EOS大水平面无支撑工艺探索2. VELO3D如何实现SLM无支撑制造3. 粉末可回收性因素对金属增材制造的影响4. 考虑极限特征约束的增材制造设计方法

随着电子产品的快速发展，散热器设计变得越来越重要，它不仅具有调节电子设备温度的能力，还可防止计算机处理器发生过热。传统上，散热器使用铸造、焊接以及金属挤压等技术实现制造，产品只能在制造限制和设备性能之间做出折衷。基于此，美国第18届电子系统热力学学会组委会发起了基于增材制造新技术的学生散热器设计挑战赛，并获得GE赞助。本期，我们来看这次大赛有哪些优秀设计。 进入决赛的设计作品 组委会最终在全世界21只参赛团队中评选出五支进入决赛，他们分别是亚利桑那州立大学、普渡大学、马里兰大学、宾夕法尼亚州立大学以及都柏林三一学院。他们设计的新型3D打印金属散热器，可以有效的冷却电子设备。 亚利桑那州立大学团队的设计集中在增加散热器的表面积，以使来自电气组件的热空气能够在不影响其效率的情况下流动，而这在传统制造中普遍存在设计限制。他们使用工程类的概念来提出各种方法，以充分利用其新发现的设计自由度并最大程度地提高效率，最终采用一种在空气流动时更好混合和产生湍流的设计来增强传热，该产品在应用增材制造技术时获得的设计自由度是巨大的。 亚利桑那州立大学团队的设计作品 都柏林三一学院设计作品 普渡大学团队使用拓扑优化来在给定的散热器设计尺寸中找到最佳的材料分布。其3D打印散热器一侧为平缓倾斜的“L”形，另一侧为凸出的“d”形，这使得气流回流并再循环，从而在散热器上停留更多时间。该团队冷却技术研究中心的博士生Serdar Ozguc表示：“当今电子组件面临巨大的散热挑战，计算机和电话的尺寸越来越小，但消耗的电能越来越多。这些CPU产生的热量会影响性能，安全有效地散发才能保证产品的正常运行。拓扑优化的结果往往非常复杂而令人震惊，传统方法难以制造，而采用增材制造则可以轻松实现。” 普渡大学团队的设计作品 德克萨斯大学设计作品 点阵结构不仅重量轻，而且具有超大的比表面积，这对于促进热交换和化学反应具有很大优势。传统散热器的散热片多是各自分开的，通过钎焊组成一个整体，不同部件之间的结合增加了热阻，从而降低了热效率。3D打印除了实现结构的一体化制造外，独特的晶格结构显著增加了表面积，从而能够以更经济的方式实现更高的换热效率。事实上，这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，这些具有大表面积的小特征结构在没有3D打印的情况下几乎是无法制造的。 宾夕法尼亚州立大学设计作品1 宾夕法尼亚州立大学设计作品2 粉末床激光熔融技术已经生产出具有传统CNC所无法实现的、范围更广的复杂几何形状，而基于该技术所制造的包括金属散热器、发动机气缸和机油泵壳在内的零件的制造成本和材料成本却很低。五支决赛队伍的设计最终采用GE Concept Laser M2打印，并且所有的设计均采用相同的尺寸以及铝合金材料，并在相同的条件下进行了测试。 俄亥俄州立大学设计作品 马里兰大学设计作品 据参赛人员介绍，最终进入决赛的五项设计都令人难以置信，并且每支队伍都有自己独特的设计风格和解决问题的方法，因此设计人员必须学习很多不同的想法以及如何更好地思考。竞争更多的是为问题提供创新解决方案，而不需要再考虑制造限制。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用 2.考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 4.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景