2019年10月17日，美国防部发布了公开版的《有关国防部利用增材制造技术进行零部件维护保障的审查》报告。该报告旨在对美国防部增材制造技术的应用成效进行评审，以核查利用增材制造技术进行武器装备维护保障工作的执行情况，并对后续推广增材制造技术应用提出建议。 由这份文件我们可以看出，将增材制造用于装备维护已经被美军格外重视，同样的，中国的军事武器也存在大量的维护修复需求。这个话题实际上很少在国内圈子里讨论，但其实已经存在很久。本期，3D打印技术参考将介绍国内应用的实际案例，并看看铂力特总经理如何评论。 3D打印移动方舱(仅示意，非实际) ▌美国的发展情况 美国已成功将增材制造技术应用于装备战场的应急保障。在2001年，美军阿拉巴马陆军军械库就已建成LENS军械修复系统并在实际使用中取得了良好的效果。在阿富汗战场上，美军率先采用该技术对黑鹰直升机发动机叶片进行了现场快速维修，修复后的发动机叶片性能比原叶片还有所提高。相应的美国陆军坦克及机动车辆司令部也进行了类似的工作，他们研发了移动零件加工中心，可采用激光增材制造和各种数控加工装备，现场直接加工出满足维修需要的零件。 集装箱性质的移动远征实验室，中国也采用这种形式 此后，美军在这个基础上引入了新型制造技术和维修工艺，建造了移动远征实验室。2012年，美军快速装备部队率先交付了首个移动远征实验室，2013年1月，美军在阿富汗战区又实地部署了第2个移动远征实验室。 ▌3D打印化解中国武器装备维修险情 目前，我国也已开发了相应的武器装备野战环境下的快速维修单元，并且许多科研院所如沈阳自动化研究所快速成形实验室、装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室等也都开展了相关研究，包括采用金属粉末激光成形技术进行部分战机的发动机涡轮导向器和舰船螺旋桨叶片的修复与再制造、移动式增材制造维修战车的设计等。中国兵器工业集团在2015年设立了“中国兵器工业增材制造技术研究中心”，研究增材制造技术在武器装备典型金属零件的维修、维护上的应用，并对金属构件增材制造研究和应用统筹规划。 采用激光熔覆进行零件修复 在2015年8月的“补给行动”军需物资油料保障演练中，西部战区某应急兵站油料保障分队一辆6管加油车联轴器损坏，因该部件为非易损部件，应急兵站无库存，油料保障分队立即启用装备修理工程车，利用3D打印机现场打印制作联轴器。军区联勤部领导介绍，在高原高寒山地作战，携运行的装备零部件有限，装备受损需换件时，常面临“带来的用不上，用得上的没带，后方筹措又太慢”等窘况。他们经论证试验，在油料装备修理工程车上加装3D打印机，并建立齿轮、棘轮、卷盘、轴等各类零配件的三维模型。此次演练，他们首次将这一成果运用于保障实践，在高原演兵场建起“配件制造车间”，创造了首次运用3D打印技术维修后勤装备的先例。 美国海军陆战队使用FDM技术制造零件 2015年元旦过后，海军某驱逐舰支队一艘战舰在进港停泊时，绞缆绳传动齿轮锯齿突然断裂，无法快速抛锚。紧急关头，机电维修人员快速卸下受损齿轮，并利用船尾移动方舱的增材制造装备对齿轮完成了快速抢修，实现了战舰的安全靠港。战舰机电部门值更员介绍，“移动方舱犹如一个微型加工车间，能够快速修复、制造出常用甚至非标零件。” 3D打印快速修复发动机活塞裂纹对比 在更之前，中国海军112舰赴亚丁湾执行护航任务时，战舰柴油机上一根重25千克的轴承断裂，导致主机无法启动，战舰在风浪中面临翻船危险。维修人员利用舰船上的3D打印方舱加工出一个与原件相似的轴承，经过7个小时调试，发动机重新启动，化解了战舰险情。 中国海军112舰 ▌3D打印走进我三军装备保障体系 目前，我们能查询到的公开案例也仅限于此，我们相信经过近五年的发展，我国在此方面已经取得了更大的进展。据中国工程院院士徐滨士透露，舰上采用的3D打印系统已经通过总部机关的评审，走进了三军装备保障体系。如此一来，除非重大故障，战舰维修方面需要的零部件不用再从遥远的岸上调来。由于舰艇可以在海上“生产”零部件并进行维修，大大节约了时间，使战备能力得到巨大的提升。 传统制造和3D打印的MH-60R机载低频声纳罩 能够在舰上用3D打印机制造出急需更换的零件对确保海军形成持续的作战能力具有重要的意义。而且，3D打印技术不仅能够应用于舰船零部件的打印，还具备在航母上打印舰载机零部件的能力。在过去，航母出航需要带充足的零部件，而在以后，这些舰艇带上3D打印机就方便多了。 传统方法和3D打印制造的F-35B起落架舱门缓冲块 目前，美海军舰艇上装备的3D打印仿舱装备有计算机、数控车床、熔铸设备、成型机、3D打印机、计算机辅助切削机、激光切割机、等离子切割机等配套相关制造工具。另外还配备有铝合金粉末、不锈钢粉末、塑料等再制造必须的材料。实际上不仅仅是海军，在陆军、空军、维和等演练甚至实战中，增材制造用于现场抢修并不乏应用。 美海军陆战队移动方舱内景 ▌铂力特高层谈武器装备维修 增材制造为武器装备关键件的损伤维修提供了个性化、高效率的实现手段，能够大幅降低成本，适用于战场装备的应急维修保障。铂力特总经理薛蕾博士在一次论坛期间提到，3D打印用于武器装备的应急维修有一项原则，那就是它并不要求零件具有完全的寿命，只要能保证步战车或坦克等能够坚持回到大修点即可。 这其实为移动方舱所携带的材料种类和制造效率的提高放宽了范围，例如在实战中可能难以做到带齐所有材料，一些材料能够互相暂时顶替使用，这使得3D打印能够灵活的满足战时的应急需求。未来，增材制造技术用于武器装备及关键零部件修复方面将更加成熟，并将成为武器装备修复和维修的首选方法。 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.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示 2.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 3.全球最大一体式3D打印火箭燃烧室，获美空军150万美金资助 4.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度

就国内来说，目前最大的3D打印展览应属每年2月份的上海TCT展，不仅国内的主要从业者会参与其中，更是能够吸引国际化大品牌。从国际范围来看，法兰克福Formnext则可以囊括欧美绝大多数的3D打印从业者，同时逐渐吸引亚洲展商的参加，尤其今年更是有超过80家的国内企业参与。展览规模的变化最能体现一个行业的发展情况。本期，我们来看2019年度3D打印市场的发展特点。 ▌从场馆数量和参展人数看市场变化 2018年上海TCT展只有一个场馆，参展商约200家，独立参观人数约9000人；2019年场馆增加至两个，参展商285家，独立参观人数10320。 今年Formnext参展商超过850家，参与人数达34500名，使用4个展厅；去年的数据分别是632家企业，27000名参与人员，两个展厅。 2019年TCT亚洲3D打印展官方数据 展馆数量的增多也代表着展商数量以及整体市场规模的增长，参与到这个行业的人数也呈现大规模的增长趋势。虽然这并不能代表3D打印正处于爆发的阶段，但现在确实是最适宜进入市场的阶段。所谓大浪淘沙，市场已经荡涤了投机者，留下来的是真正做事情的人。全球3D打印总市值正以21%的年均增速快速增长，中国则以40%的年化增长率领先其他国家。 全球3D打印逐年市值（来源：Wohlers Reports 2019） 然而，我们却也不得不承认3D打印的整体市场规模仍然极其微小。举个例子来讲，2019年上海TCT几乎同期展会的家用电器展览会使用了10个展馆，仅海尔、美的这样的企业就单独包下了一整个馆，2020年该展览将使用13个场馆。家电行业已经存在几十年，虽不可同日而语，却能说明问题。 但增材制造的未来却仍然值得期待，经历了市场的浮躁和沉寂，参与者重新充满活力，市场正在朝着积极的方向发展，健康式的发展方式使市场规模以两年左右的时间增长一倍，这种趋势在很长的时间内将会保持下去。 ▌增材制造行业正在沿着两条不同的道路发展 增材制造行业正在沿着两条不同的道路发展。一种是逐步销售越来越多的设备，用户充分使用打印机生产越来越多的零件。另一种是吸引更多的资本，投资者相信这些资本最终将产生指数级的回报。这两种方式都有潜力和局限性。 第一种方式主要由传统的市场领导者采用。像EOS、Stratasys、3D Systems、SLM Solutions和GE Additive这样的公司实际上正在销售越来越多的设备。即使在2013年炒作泡沫过后的最艰难时期，它们仍然以每年10-20％的速度增长，并且仍然是销量最高的企业。这些公司通常更具“类比性”并沿用传统的业务方式，不可能实现指数式增长。 SLM Solutions新系统量产的Divergent汽车零件 一些如EOS和GE这样的公司，甚至已经建立了新的管理层来迅速适应新的数字制造行业，但是这种过渡需要时间。EOS显然已经加快了其硬件开发的步伐，而GE首先彻底更新了Concept Laser和Arcam的生产设备，以使其能够完全满足数字制造的需求。另一家已经开始超越传统公司的企业是ExOne，它正在凭借20年的业内经验应对粘结剂喷射领域日益激烈的竞争。但有时候也不得不面对现实，经验也许并足以与那些资金雄厚、数字化程度更高的新参与者产生竞争。 ExOne最新设备批量生产的3D打印金属零件 由HP、Desktop Metal和Carbon为代表的新一代市场领导者（至少在投资方面，也包括Formlabs）正在获得广泛认可和期待。这些公司主要起源于美国，通过吸引投资而获得发展，并致力于将增材制造作为可扩展的生产解决方案进行产业化。这些公司的将销售数百上千台打印机作为目标，不论其价格是否昂贵，这是在未来几年中增材制造行业保持当前速度增长所需要的。除上述公司之外，诸如波兰Sinterit、以色列Xjet，中国清锋时代、黑格科技以及其他几家初创公司，在设备销售和新应用方面也取得了显著进步。 Desktop Metal生产的功能性部件 实际上现阶段工业3D打印机的销售量远非达到成千上万，大多数情况下企业每年只能销售几十台。以老牌的3D打印厂商EOS为例，截止2017年底，全球范围内EOS系统的安装量增至约3000套，而这是在过去的三十年内完成的数量（头20年卖出1000套，1400套都是在过去的五到六年间销售出去的）。而大多数传统增材制造企业在全球最多安装了1000-2000台打印机，一些后来者很可能会在明年达到这些数字。在这一点上，变得更加数字化和扩大规模将是必要的，并非所有企业都能在竞争中生存下来，尽管这对于具体公司来说可能很痛苦，但这对整个增材制造行业的来说将是大势所趋，整个行业将继续高速增长。实际上，任何一家拥有独到技术的增材制造公司都不太可能倒闭，随着行业最终走向整合，弱小公司的专有技术最终可能被收购。像施乐、巴斯夫和理光这样的大型公司都在等待合适的时机，以将更多的增材制造技术纳入自己的阵营。 ▌新产品和新技术不断涌现，公司发展形势发生改变 增材制造整个行业较几年前表现出欣欣向荣的景象，新产品和新技术不断涌现，这也是今年上海TCT和Formnext参展商数量大幅增加的原因。新的收购和合并还需要等待时机，现在还不是时候。 陶瓷和复合材料正接近真正的自动化生产，在细分市场中竞争非常激烈，一些新的参与者作为初创企业和子公司正在进入市场。先进聚合物3D打印工艺已经趋于成熟，无论国外的Roboze、3ntr，还是国内上海远铸和一迈智能，数十家公司在向传统高性能聚合物增材制造的领导者Stratasys发起挑战。PEEK未来也可能会成为SLS的普遍适用材料，但目前看来还要等待很长时间。 3D打印的高性能聚合物PEI（点击查看） 在金属方面，近两年相关企业正在努力突破技术的固有限制，例如适用铜、钨等更加广泛的难成形材料，开发高强合金材料，以及突破打印的极限条件等。这在某种程度上也是工业成熟的标志，它意味着在应用端有了更高的需求。 到目前，相关的收购和合并没有发生。实际上大型跨国公司也都清楚，一旦将一些初创公司纳入内部体系，将会阻碍这些公司的创新动力。但如果将大公司的实力与小公司的创造力相结合将会有更好的效果，例如EOS生态系统（参与投资Dye Mansion，Lithoz和其他几家高度创新的公司），西门子增材制造网络，欧瑞康持续推动的多边合作以及如宝马、福特、GE等应用端投资Carbon、Desktop Metal等初创企业等。另一方面，一些传统行业的大型公司也通过建立并支持内部类似初创企业的环境，进行二次创新，如台湾Kymco旗下的XYZ prinitng（彩色3D打印），以及日本Sinto旗下的3D Ceram（陶瓷打印）。 ▌传统行业逐步将增材制造纳入原有体系 当前，传统特定垂直行业的增材制造公司日益成为行业内不可或缺的组成部分，这些公司植根应用，并深入发展，其中牙科最具代表性，机床行业则是未来趋势。直至今天，增材制造技术在机床展上的份额还很小，但是，增材制造行业的快速增长和机床产业的缓慢发展表明，更多公司将增材制造视为关键领域。DMG Mori开发的增减材混合制造设备已经在航空航天领域获得应用，Trumpf的内部换缸外部清粉理念也已被增材制造业内的传统公司所效仿。 DMGMori增减材混合制造（点击查看） 继机床行业之后，航空航天业也可能会更深入的融入增材制造行业，航空航天工程的服务提供商已经证明其增材制造解决方案如何解决汽车、石油和天然气等其他领域的问题，未来的航空航天增材制造解决方案只会越来越多，越来越成熟。 3D打印的火箭纯铜燃烧室（点击查看） 医学和生物打印也正在快速发展，尤其在2019年，采用3D打印深入医疗应用逐渐深化，标准逐渐明晰。生物打印也取得了极大的发展，像会生长的3D打印骨骼、会跳动的心脏以及会呼吸的肺等等，此前的想象正在变为现实。到目前为止，我们尚未看到有生物医疗领域的企业参加展览，未来一些医疗设备公司也许会更直接的参与进来。 3D打印的可呼吸肺泡组织（点击查看） 建筑3D打印无论是由于某些噱头还是安全风险的考虑似乎一直以来难以被更广泛的认可，但国内方面今年的发展却是可圈可点。由中建股份技术中心和中建二局华南公司联合完成的一栋7.2米高的双层办公楼主体结构打印，标志着原位3D打印技术在建筑领域取得突破性进展。 ▌3D打印业务实现增长的良性循环 3D打印设备商实现业务的增长，比较良性的循环应当是终端用户能够使用3D打印进行实际生产，并在零件数量上不断增长，过去国内那种依赖产业园建设的模式将逐渐会被淘汰。2017年，采用惠普MJF技术3D打印的功能部件达150万个，2018年实现设备销量的大幅增长，仅中国的装机量就已达50台。今年四月，惠普发布公告称，其采用MJF技术打印的零部件总量已超过1000 万个，其中50%是功能原型，另外50%是最终产品。 另一项不可忽视的市场存在是目前越来越被重视的增材制造专用自动化后处理硬件和服务提供商。像德国某公司开发的自动化金属粉末清粉站、塑料粉末拆箱站，国内某公司开发的专业去应力退火炉等等，这些专业自动化后处理硬件的接入将减少终端用户在使用3D打印进行生产时面临的困难与低效。 SLM自动清粉站 此外，没有自动化的后处理，就没有自动化的3D打印，像EOS“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目，西门子端对端PLM解决方案，它们都在软件、工作流程和数据管理方面成为3D打印智能制造的重要组成部分。当前规模量级的零件制造需要人的参与，未来上百万的零件制造将完全实现自动化。 END 在当前展会经济的背景下，展会规模及参与人数最能体现一个市场的繁荣情况。在明年2-3月期间，从上海到广州，有多达三次3D打印相关的展会，分别涉及综合性的行业主题和该技术在某一领域深入应用。这从侧面证明了国内增材制造技术体现出的活力，以及与传统技术结合的潜力。 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： 1.2019年度工业级3D打印机新品及介绍 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 3.3D打印产业链：正在由导入期迈入成长期，行业整体毛利率较高 4.当前工业企业对于增材制造的五大误解 5.业外视角：成本高企之下，3D打印静待行业规模化曙光

零部件直接制造是近年来增材制造技术应用发展最快的领域，尤其是金属增材制造技术的发展，与传统制造相比在提高生产效率，降低成本等方面有显著优势，有助于实现武器装备的快速制造及部署。近年来，美军在采用增材制造技术进行枪械、轻型无人机等武器装备的直接制造方面取得了多项突破。 ▌快速制造出榴弹发射器 美国陆军于2017年成功打印出榴弹发射器，其中发射管和受弹器采用选择性激光熔融铝粉制造，触发器、撞针等其它零部件采用4340合金钢粉打印。除此之外，他们甚至还打印了40毫米口径的训练弹。出于安全考虑，研究人员对组装部件进行了测试性发射，并获得了成功。 3D打印的榴弹发射器及部件 该研究项目的任务是弄清是否可以用增材制造工艺来制造武器和弹药，3D打印的武器是否可以有效射击，而不是为了检验3D打印是否省钱或节省资源。未来，3D打印有望在短短几个小时或几天内实现对战士武器的改进和修理。 ▌直接制造用于侦查的蜂群微型无人机 自2015年开始，美国国防部战略能力办公室开始领导实施一项名为“微型无人机”的实验。实验中，战斗机会发射出一种3D打印的微型无人机，它们拥有情境意识和能力，脱离发射箱后能够根据实际战场情形发现队友并组成“蜂群”队形。 3D打印的微型无人机 微型无人机“蜂群”战术在电影中的展示威力无敌 微型无人机的机翼宽度仅约1英寸(约合2.54厘米)，除了可由F-16和FA/18战机发射外，也可由地面投掷或像弹弓一样发射升空。“蜂群＂队形，可用于侦查，也可对敌方实施一定程度的干扰。有咨询机构猜测，美国超级无人机技术综合了“3D打印+无人机+无线传感网络+人工智能”等技术。 ▌开发新型耐腐蚀两栖无人系统 美国约翰霍普金斯大学为海军开发出一种名为“耐腐蚀空中隐蔽无人航海系统”的两栖无人机，机身采用增材制造技术制造，具有构件数量少、机身重量小、接缝数量少和耐腐蚀性强等优点，可防止发动机进水，并可长时间浸没水中，具有良好的隐蔽性。 点击查看该无人机所使用的3D打印技术 END 目前，该应用方向主要开展了建立材料、工艺和性能数据库，提升设备传感能力，制定相关规范和标准，提高増材制造产品质量等关键技术研究。未来，随着增材制造技术的不断进步，有望实现各种复杂结构、复合材料的快速按需制造，并将成为武器装备制造的一个重要手段，例如枪械、微小型无人机、卫星、头盔、战斗部以及一些小型海上装备将采用增材制造进行直接制造。 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： 将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化 实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 高温合金增材制造成熟用于武器装备核心部件高质量制造 突破发动机复杂系统设计局限，改进武器装备性能

经过30多年的发展，3D打印已有较完整的产业链。上游产业包括制造3D打印设备所需的零部件、打印过程中所使用的各类原材料、设计和逆向工程所需要的软硬件；中游产业主要是3D打印设备及服务；下游产业涉及航空航天、汽车、医疗、教育等应用领域。 3D打印产业链（来自公开资料） 无论在全球范围还是国内市场，3D打印的行业规模都呈现快速增长；其次，大多企业仍处于微利状态，逐渐有企业开始盈利；最后，高额的研发投入也符合该行业成长期的特征。 3D打印进程（来自公开资料） ▌全球和国内市场规模均高速增长 2013年全球3D打印行业总产值为30.3亿美元，2018年达到了96.8亿美元，5年间的复合增速达26.1%。预计到2020年、2022年、2024年，全球3D打印行业总产值将分别有望达到158亿美元、239亿美元、356亿美元。 2013-2024年全球3D打印行业产值及预测（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 2013年国内3D打印产业规模仅3.2亿美元，2018年规模达23.6亿美元，5年的复合增速达49.1%。预计2023年，我国3D打印行业总收入将超过100亿美元。 2013-2023年我国3D打印产业规模及预测（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 我国的3D打印产业规模占全球的比例持续提升，2012年该比例仅为7.08%，到2018年提升到了24.38%，中国作为全球最大的制造业基地和消费大国，未来仍有巨大潜力。 中国3D打印产业规模占全球的比例(%)（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会）▌大多企业仍处于微利状态，逐渐有企业开始盈利 从2018年的财务数据来看，已经有一些海外3D打印企业的收入达到了较大规模，其中STRATASYS和3D SYSTEM的营业收入分别达到了6.63亿美元和6.88亿美元。2018年，海外的大多数3D打印企业仍处于微利或亏损状态。 2018年部分海外3D打印公司的营业收入（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 2018年部分海外3D打印公司的净利润（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会）国内的3D打印公司中，收入体量最大的是先临三维，达到4.01亿元，其次是铂力特，达到2.91亿元。铂力特是国内盈利体量最大的公司，2018年其净利润达到5718万元。国内营业收入体量最大的先临三维，2018年归母净利润仅941万元。 2018年部分国内3D打印公司的营业收入（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 2018年部分国内3D打印公司的净利润（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会）▌行业整体毛利率较高，高研发投入影响净利率 3D打印公司的净利率都比较低，但毛利率都处于比较高的水平，2018年，海外的SRATASYS、3D SYSTEM、SLM solution的毛利率分别为49.0%、47.2%、46.9%，国内的先临三维、铂力特的毛利率分别为52.2%、43.7%。在国内上市的3D打印企业中，峰华卓立的毛利率最低，但 2018 年也超过了 30%。 2018年部分海外3D打印公司毛利率（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 2018年部分国内3D打印公司毛利率（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会）导致毛利率和净利率出现不一致的原因很多，其中研发投入较大是比较重要的一项。2018年SRATASYS、3D SYSTEM、先临三维、铂力特等公司的研发费用占营业收入的比例分别为14.92%、13.86%、23.96%、8.79%。 2018年部分海外3D打印公司研发投入占比（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 2018年部分国内3D打印公司研发投入占比（数据来源：中国机械工程协会增材制造分会） 随着技术的发展和市场逐渐成熟，国内已经出现了铂力特这样的盈利能力较强的公司，相信未来会有更多公司越过盈利的拐点，接下来的一个阶段将会是行业性利润率提高的阶段。 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：2018年国内3D打印行业融资现状，资本市场仍处于初级阶段2018国外企业对3D打印的使用状态及对国内的启示2018年3D打印有哪些突破性应用和代表性事件

当前，金属3D打印对人的依赖性极大，一键打印的畅想仍停留在概念阶段。在不考虑零件设计的前提下，仅打印零件的摆放、支撑添加，打印过程中遇到问题的解决，均离不开专业人员的干预。而这些专业人员还须具备丰富的材料学经验，这无疑对技术普及应用带来了极大不便。 在近期于波士顿举行的人工智能峰会上，GE全球研究中心增材制造项目负责人Brent Brunell谈到，在工业金属3D打印的背景下，对AI的需求正在呈现日益增长的趋势，这一过程通常又与仿真相关。GE研究人员将人工智能与仿真结合，推进计算结果的准确性和有效性。Brent Brunell提到，这是金属增材制造实现广泛工业化的重要保障。 金属3D打印若扩展到工业水平，迫切需要更强大、由AI驱动的计算功能，然而这一实践在实际的操作过程中却遇到了困难。 ▌单个AI驱动的3D打印模拟仿真所需的计算能力是巨大的 以3D打印制造的航空发动机燃料喷嘴为例，其尺寸仅有核桃般大小，但其工艺仿真过程就可以生成36TB的数据。这是Twitter一天生成的数据总量的三倍，而且这些数据非常关键。Brent Brunell解释，金属3D打印与人工智能的结合，需要更快和更强的计算能力。 GE燃油喷嘴实际3D打印的部分（点击查看） GE的研究人员正在努力将AI集成到工业3D打印机和过程中，在下面的视频中，Brunell不仅演示了SLM工艺的实时打印过程，还演示了在减速1000倍的情况下金属粉末与激光的作用过程，从中我们可以观察到从粉末到熔体流动，到金属硬化，再到孔隙和凹陷的出现过程。 在减速1000倍的情况下金属粉末与激光的作用过程 GE研究人员在AI算法中集成了要衡量的所有因素，以确保每次都能获得正确的结果。目前，GE已经可以借助人工智能确定零件打印的正确参数，未来，GE希望提高计算速度和计算能力，实时处理打印过程中出现的问题。Brunell谈到，从数据上看，GE当前的计算速度为2KHz，而人工智能若在增材制造中产生更大作用，计算速度须提到到20KHz。这需要建立完整的生态系统，包括成熟的软硬件厂商的合作，以及多方位的交叉联合。 那么人工智能在增材制造尤其是金属3D打印中，能够产生哪些作用呢？ 延伸阅读 ▌AI驱动，助力金属打印控形和控性，深入理解粉末熔凝过程 国内外的研究人员倾向于在金属打印中谈及控形和控性，它要求明晰激光与金属交互作用下的冶金、凝固、往复受热的全过程非平衡相变及组织演化行为，也要求对沉积过程中非均匀、多尺度、快速热-组织-应力耦合机制及变形、开裂机理进行研究。当前，很多研究人员正在使用包括声学、光谱学和温度监测等方法来了解激光熔融过程中每一层发生了什么。但是，这些有限的监测方法并不具备自动分析的能力，只能提供供操作员解读的数据。 叶轮上部分成功打印，下半部分打印失败，该研究旨在采用机器学习和人工智能分析零件打印失败的原因，并寻找潜在的提高打印质量的因素（研究内容已上传）人工智能与这些检测手段的结合正在使问题的解决变得智能化。机器视觉可以提取打印过程中检测到的特征情况进行自动分组，并在不同层次的分析中进行比较，直到完成图像创建所需要的所有信息。人工智能可以通过计算机内置的数百个预标记的训练图像识别不同的特征，可以整体性的识别和评估打印零件的质量情况，并能够给出零件微观结构、强度、抗疲劳度、韧性等数据信息。 ▌工艺适时调整，智能控制，或可成为可能 在过去的文章中，3D打印技术参考也曾详细介绍过EOS工程师开发大水平面无支撑工艺的过程，也曾对VELO3D公司的SLM无支撑工艺进行探讨，实际上这些技术背后都显现出了工艺调控下对人工智能的需求。 EOS相应模块的监控数据（点击查看） 所谓工艺智能控制，是指系统可以根据监控数据自动计算当前需要多少能量从而匹配工艺参数，它需要积累海量的数据用以学习和训练。 VELO 3D实现SLM无支撑制造（点击查看） 当前商业化的金属3D打印普遍存在工艺的唯一不变性，即在打印某一种材料时，零件的任何位置、任何一层，均采用同样的参数。无论打印过程中零件本身的状态是否过热，甚至是否出现缺陷，打印机总是输入恒定的能量，做出一致的操作。在人工智能的干预下，未来的机器将可以在检测到异常时实时调整工艺参数，自动修复缺陷，也可根据性能要求，在同一零件同一层的不同部位输入不同的能量，以获得不同的性能。 国内某知名大学开展的SLM与人工智能研究 很显然，如此智能化的打印机目前并未出现，但实际上相关的研究却早就开始了。在过去的几个月中，国内某知名大学已经联合金属打印机制造商开始了人工智能与激光粉末床熔融工艺的合作，国外卡耐基-梅隆大学、劳伦斯•利弗莫尔国家实验室等机构也取得了很大的进展。 复合材料和金属打印机制造商Markforged也在软件平台中集成了AI功能现如今，人工智能技术或机器学习正在进入制造业。模式识别软件和AI将成为现代工厂的关键。AI还将对其他领域产生重大影响，例如质量控制，缩短设计时间，执行预测性维护等等。在GE加入这一重大研究的情况下，相信未来的进步将会加快，智能打印机也未尝不可能实现。人工智能对金属3D打印的深刻影响，只是时间问题。 本期上传内容： 1. 激光增材制造基于图像的缺陷和熔池动力学研究 2. 使用机器视觉在激光粉末床熔融工艺中开展缺陷检测和分类的方法 往期上传内容： 1. materialise支撑、应力50分钟探讨视频 2. Velo3D智能化工艺控制问题50分钟视频文件 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： EOS对SLM大水平面无支撑工艺探索 VELO3D金属打印无支撑工艺的实现方式及意义 使用光学层析成像代替无损检测保证增材制造质量 金属打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法

3D打印技术于20世纪80年代首次面世时，很少有人能够预想到3D打印具有在全球范围掀起商业变革的潜力。这一技术快速发展至今，包括航空航天、汽车、医疗、模具甚至化妆品在内的诸多行业都因零部件生产进度更快、成本更低而受益良多。但是，这些优点并未被大多数人所熟知，始终蒙着一层神秘的面纱。 预计到2025年，该行业在亚太地区的商业价值将突破55亿美元。在亚太地区许多大型公司都组建了成熟的研发队伍，然而对增材制造技术的吸纳却仍处于起步阶段。 这很可能是由于企业对增材制造行业存在误解。在过去的文章中，我们曾对3D打印指出了十大理解误区，本期，继续进行深入分析。 ▌误解1：增材制造适合所有企业 十年前，当3D打印刚刚流行起来时，该技术所提供的无限可能性毫无意外地让许多人感到震撼。3D打印机将成为家居用品，登上新闻头条，并且无所不能。 Gartner公司将此称为“技术成熟度曲线”(Hype Cycle) 的起点。当发生技术突破时，最初的期望就会飙升。不幸的是，随着时间的流逝，随之而来的是大众对技术期待同样迅速的幻灭，尤其是当现实与前期过高的期望不符时。危险之处在于人们对3D打印机的过分夸大描绘信以为真，误以为只需按一下按钮就可以打印出我们在家中需要的一切物品。 3D打印技术成熟度曲线 现实情况是，3D打印技术如今在专业工业应用中得到了蓬勃发展。该技术已经实现了制造工艺的变革，可生产轻量化、定制化的单个零部件。但是，企业仍需对是否应实施该技术加以评定。首先，应就如何使用进行深入调查，应该控制大家对该技术的期望值。需要考虑到诸多要素，例如成本、设计、交付周期和3D打印技术对制造工艺的影响等。对于采用传统工艺制造的部件和3D打印部件，应该解决组装方面的兼容性问题。 ▌误解2：增材制造仅适用于原型制作 快速原型制作是3D打印技术最早的应用之一，如今仍广泛使用。这一应用在研发领域中尤为实用，研发过程中可以对与成品具有相同材料属性的原型执行测试。该技术作为一种无工具化工艺，可使更改变得尤为方便快捷，并能够以最低的额外成本完成。 采用3D打印制作原型比CNC具有优势，但它并非只能用来做原型 但3D打印技术只能用于快速原型制作则是一个常见误解。实际上，早些年间，由于计算机和激光器的性能有限，阻碍了该技术发挥其应有的价值。 如今，颠覆以往设计和制造方式的愿望正在不断激发出更多的解决方案。3D打印技术在制造过程中提供了出色的灵活性，以更少的材料实现了高度定制化的结构，有效避免了产品体积庞大的问题。 3D打印的气管夹板用于治疗幼儿气管支气管软化症 ▌误解3：增材制造十分昂贵 考量制造成本的方法有两种。一种是着眼于短期的单位成本，另一种是着眼于大局并关注长期成本。 尽管3D打印在过去十年中取得了许多进步，但就某些行业而言，相比于传统制造方法，该技术的确在零部件单位成本上仍有一定差距。尽管如此，随着生产率的提高，单位成本必然会降低。 3D打印对成本的降低是综合性的（点击阅读） 但是，还有更重要的方面不能忽视，例如寻求对制造业的颠覆性变革。传统方法通常依赖于制模，就价格和时间而言，其成本可能很高。对于较小的生产数量而言该情况尤其突出，这使得“单件生产”几乎成为无法满足的需求。3D打印技术通过消除对模具的需求扭转了这一局面，从而为小批量制造定制化产品创了广泛的可能性。曾被认为成本过高的解决方案现在值得再次研究。 此前，3D打印技术参考曾介绍过Premium AEROTEC、EOS 与戴姆勒共同合作的项目NextGenAM，他们使用增材制造技术生产用于汽车和航空航天行业的铝制部件，成功降低了制造成本。制造流程大大缩短，生产线也可以方便地复制以扩大车间产能。 EOS新一代增材制造技术试点成功 ▌误解4：增材制造没有设计限制 -“可以无限复杂” 事实是，3D打印所能实现的设计“并非可以无限复杂”，它所制造的零部件仍会遇到设计限制。使用3D打印技术的设计师需要接受培训以充分了解技术的可行性和局限性，并学习如何成功设计、优化、构建和应用3D打印技术。 有5条3D打印设计规则需要遵循，包括需要注意壁厚和间隙尺寸。采用3D打印工艺制造的零部件在设计时应尽可能降低长宽比和表面分辨率，以确保生产周期稳定。因此，设计时应尽量避免非必要的复杂化，并且应始终牢记5 条设计规则。 3D打印的零件设计仍需要遵循规则（点击阅读） 总之，与目前传统制造技术所面临的限制相比，3D打印仍可对设计提供极高的自由度，可以实现诸多过去无法制造的应用。这形成了设计驱动型思维方式，即先将解决问题作为第一要务，然后再考虑基本的制造限制。 ▌误解5：增材制造仅适用于无需组装的小型部件 人们对3D打印存在的这一普遍误解是上述各项误解所共同造成的结果。如果人们认为该技术既昂贵又仅适用于原型制造，那么他们误以为3D打印仅适用于小型部件就不难理解了。 当然，事实是现在已经有用于大型零部件的3D打印设备，高质量的塑料件成型尺寸近一米，金属3D打印的成型尺寸最大也可以超过500mm。 全球最大多材料混合增材制造系统 关于是否需要组装这一问题，应该探讨的问题是“组装是否有必要，而非能不能组装”。3D打印可以制造不需要组装的零部件，这样做的目的通常是为了使零部件更轻便或降低组装成本。 结论 未来，3D打印并不会取代所有传统制造技术，它的作用是拓展了制造的可能性，让制造商能够创造出曾经无法实现的产品。 由于这是一项新技术，因此刚刚涉足增材制造领域的公司应与值得信赖的增材制造合作伙伴携手，为踏上全新征程做足准备。 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：关于3D打印的十大理解误区(一)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 企业如何更好的将增材制造纳入现有业务，要考虑哪些因素，国外情况如何 与Materialise探讨中国3D打印应用现状与前进之路

近几年来，以金属3D打印为代表的几乎所有增材制造工艺都在快速的被工业企业主动认知和接纳，这不仅仅在于技术的先进性，更在于它能给企业带来实实在在的增长。从工艺创新到打印材料的日益增多，职业安全的重要性似乎并未得到广泛重视，至少在国内是如此，对于激光粉末床技术尤甚。在国内爆发了几次重大事故之后，关于该技术前后流程的整体安全性需要被从业者格外留意。 激光粉末床熔融技术尚未有安全生产标准，图为GE增材实验室操作人员的防护措施 ▌金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害 作为常用的材料—金属粉末，由于其粒径分布通常在15-53μm，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。 国内的保护措施和此类似，即口罩、手套和工服，但几乎没有配备防护眼镜 有时皮肤和粉尘之间并没有隔离 在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。 粉尘污染的问题总是难以解决 典型的SLM工艺链具有特定于材料的危害：高度易燃、致癌、产生水污染甚至起火。这些危害的具体风险必须根据所使用的设备和材料以及过程基础设施进行单独评估。根据各工艺链环节以及清洁工作过程中的危害，2018年出版的《金属增材制造（SLM）安全操作手册》则给出了过程安全的多项建议（文件已上传QQ群）。 关于金属打印的这些风险并非危言耸听，国内已有多起事故，包括但不限于火灾和爆炸，而且多与操作不当有关。 ▌全面评估制造过程中的风险 基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学近年来开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。 金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。 SLM solutions实现的全封闭粉末处理方案 通过安装具有单独、稳定空气交换速率的通风系统，以及通过在等电位连接下执行所有工艺步骤，可以将粉尘爆炸的风险降至最低。作为防火和防爆的一部分，生产车间或实验室须配备自动温度传感器；气体传感器则可以以检测逸出的保护性气体和其他工艺气体。如果仍有其他风险，则必须穿戴适当的个人防护设备。 ▌职业安全必须与技术创新保持同步 《金属增材制造安全操作手册》描述了SLM工艺过程的危害并提供了处理建议，这些建议必须适应现有的基础设施、生产技术和结构框架条件。Bayreuth大学与Fraunhofer IPA合作，正努力将该指南应用于其他技术和挑战，并将其确定为行业标准。通过按照精益生产5S管理方法设计工作场所和流程，将进一步提高生产的安全度、清洁度和有序度。对于更换循环过滤装置这样的不常进行的操作，也需要有标准的工作次序。此外，应定期检查保护措施，确保及时更新和可正常工作，职业安全标准须始终与增材制造的技术创新保持同步。 这背后的管道式结构是怎么作用呢？ 由于危害的多样性和缺乏对人体暴露在此种制造环境中的长期研究，目前的安全生产条例和保护法规并不能确定是否适用于SLM技术。VDI增材制造技术委员会正在对设备运行安全性进行详细研究，以确定安全生产标准。除此之外，设备商也应当多角度健全机制，从设备安全性改造，到各环节标准操作守则，逐步普及到用户。最后，希望从事相关技术的企业能够足够重视职业安全。 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： SLM密闭清粉及内部换缸理念的重要性 粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 金属打印实现无支撑化的关键要素 NASA新材料3D打印工艺开发备忘录

在欧盟H2020项目的资助下，西班牙制造和技术公司Aitiip联合15家单位，历时三年开发了当前世界上最大、最精确的多材料混合增材制造系统Kraken，该项目日期在当地发布，吸引了来自英国、德国和美国等国家的120多位专家听证。Kraken可以沉积制造金属和树脂，成形尺寸最大可达20*8*6m，经过中试验证，Kraken已经达到市场化条件。 Kraken堪称世界全球最大多材料混合增材制造系统 ▌多材料、一体化、高效、混合制造 目前的FDM、LENS和WAAM（电弧丝材增材制造）技术都存在成形精度低的特点， PBF（粉末床熔融）技术虽然精度高，却只能成形小尺寸零件，并且成形效率低。Kraken增材制造系统，除了成形材料宽泛，成形尺寸大的优势，还具有沉积效率高的特点，在世界上首次实现多材料一体化高效成形，它将以高生产质量和高制造效率来革新大型零件的制造方式。 Kraken的基本组件：（1）金属增材制造设备（2）聚合物增材制造设备（3）数控加工头（4）系统控制器（5）高级控制器 Kraken采用电弧增材制造（WAAM）工艺成型铝合金，并采用双材料挤出系统成型树脂。电弧喷涂金属化工艺还可以在现有聚合物部件的基础上进行金属增材制造。系统的减材制造工艺允许切割、打磨和抛光。 在聚合物部件基础上进行金属增材制造辅以精密加工 结合金属和聚合物增材制造的样品（具体过程请查看下文视频） ▌适时调整、在线反馈、高精度制造 在100 m 2的大型工作空间中，确保准确性是Kraken精确制造的一大挑战，研究人员因此将激光跟踪技术集成到了系统的闭环控制中，通过使用多类型的摄像机和人工视觉装置，系统能以每秒1,000次的速度记录工作头的位置，并自动校准系统、实现帧对齐、实时修正和监测质量。 配备激光自动追踪系统 在制造过程中，计量系统可以将已经沉积的半成品零件逆向转化成3D模型，与CAD设计进行对比反馈，实现零件的精确制造。Kraken的产品经理介绍，整套系统可以在需要时完全自动化运行，制造精度达到0.1mm。 表面特征、质量检测 ▌通过实际应用，达到市场化条件 通过3D打印制造高质量的大型金属和树脂零件的可能性引起了许多行业的兴趣。到目前为止，Kraken增材制造系统已经取得不错的示范化应用，它为赞助公司—建筑企业公司Acciona生产的3*1.2m的公路隧道混合衬板已经得到采用；在汽车领域，Kraken还为著名设计公司Pininfarina（法拉利、兰博基尼的设计公司）成功制造了尺寸为 2.2*1*0.6m、重量达250Kg的汽车模型，以用于设计验证。 Kraken制造汽车模型过程 这些都是已经测试过的实际应用，然而所能发挥的作用也并不仅仅是案例中提到的这些，因为它为模具部门和大型零件的加工提供了低成本、高质量和快速高效的替代方案。 Aitiip公司的研究人员表示，该设备已在真实的制造环境中进行了测试，并通过了实际验证。设备已经具备了交付和投入市场的水平。 注：更多内容，请进入工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 欢迎转发 延伸阅读： 大尺寸金属制造--激光熔化沉积技术 大尺寸金属制造（二）--激光熔覆制造技术 冷喷涂：动力学金属化过程 多激光无缝拼接的大尺寸粉末床激光熔化自动化设备是怎么工作的？ 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

在过去的几年中，医疗行业经历了3D打印应用的热潮，国外机构因此展示了世界范围内上最具创新性的3D打印植入物。从金属到非金属，从颅骨到髋关节，这些个性化的植入体满足了每个患者的特定需求。与使用传统方法相比，3D打印解决方案在设计、制造时间和相关成本方面都更为合适。本期，3D打印技术参考对这些创新应用逐一介绍。 ▌首款采用PEEK的3D打印锁骨植入物 2018年7月，昆明医科大学第一附属医院胸外科施云飞主任团队使用一迈高温3D打印机，实施了一例3D打印锁骨置换手术。由于该患者必须接受化疗，无法进行金属植入，医疗团队最终决定使用FDM 3D打印技术，并使用目前可用的最具抵抗力的塑料材料PEEK来制造植入物。手术后，医生发现患者的身体相比金属植入物能够更快的痊愈。该案例是世界上首次运用3D打印PEEK假体替换锁骨。 ▌3D打印一体式胸骨和肋骨植入体 2018年，英国一位患有胸部肿瘤的病人在接受手术时不得不被切除部分胸骨和三根肋骨。如果不植入假体，患者将无法生存。医院通过对患者胸部进行CT扫描设计了植入假体，并由雷尼绍承担制作任务。具有网格结构的钛合金不仅减轻了假体重量而且有利于创伤的快速愈合，良好的生物相容性也避免了严重的排异反应。该案例是首个在英国制造并植入患者体内的胸腔假体。 ▌为发育期儿童3D打印的下颌植入物 2018年4月，山东大学第二医院口腔颌面外科副主任来庆国为一名10岁儿童进行了3D打印钛合金“下颌骨”植入手术，经复查确认没有并发症，手术宣告成功。这是国际上首例低龄儿童下颌骨缺损3D修复重建手术。 该患者下颌骨植入体 据悉，该名儿童患有罕见的下颌骨肿瘤，伴随着肿瘤切除，下颌骨出现了大面积缺损。由于患者年龄小，无法使用自体骨移植，且患者处于快速生长期，植入体的设计特殊且复杂。医疗团队因此进行了详细的数据采集、测量及电脑设计，期间充分考虑儿童未来骨骼发育情况，最终完成钛合金“下颌骨”假体的3D打印。 ▌3D打印人工中耳听小骨，使失聪者恢复听力 2019年5月，被视为全南非最顶尖的耳鼻喉科医师齐夫拉罗和他的团队成功运用3D打印技术，为病人量身打造了结构完全一致的人工中耳听小骨，包括锤骨、砧骨、镫骨，并进行了移植手术。这项医疗创新成为全世界第一个为失聪者带来恢复听力希望的案例，3D打印医疗运用再创新纪录。 听小骨是人体中最小的骨头之一，图片显示的是真正的听骨而不是植入物 ▌3D打印重建上颌骨，拯救毁容 澳大利亚病人Anelia Myburgh由于罹患颌骨癌，最终被切除80%的上颌，仅留下两颗牙齿、部分嘴唇和鼻子的下半部分，患者虽得以治愈但因此毁容。2018年4月，Myburgh接受了世界首例3D打印上颌骨重建手术。医生通过定制的3D打印颌骨重建技术，采用钛合金框架承载移植骨，从而得以植入牙齿；并从患者手臂上取下一些皮肤用来制作嘴唇。患者最终恢复容貌，整个手术，仅花费3000澳币。 ▌钛合金多孔胸骨植入物 2019年5月，澳大利亚一位癌症患者在接受手术时不得不面临胸骨和部分周围组织的切除。这些操作近乎截肢，外科医生必须采用渐进的方式来取代患者的胸骨区域。悉尼皇家北岸医院的主治医生在了解到3D打印之后主动寻求采用新技术，最终采用电子束来制造了这枚钛合金胸骨植入物，并成功实施手术。它的主要特点在于形状特别复杂，需要完全的定制化。 ▌首款采用柔性聚酰胺的3D打印肋骨植入物 2018年，保加利亚一位病人同样因肿瘤面临一根肋骨的移除，须植入的肋骨需要与原始肋骨具有完全相同的尺寸。经专家会诊，医生决定采用3D打印技术来制作具有相同形状、曲线、宽度和厚度的肋骨植入物。 医疗团队首先对病患的原始肋骨进行了3D扫描和设计，并使用半刚性聚酰胺材料打印。之后，专业人员用环氧乙烷、伽玛辐射和高压灭菌器对其进行了消毒处理，并且在其表面钻上小孔以促进结缔组织快速增殖。最终的植入手术非常成功，患者恢复状况良好。该例是保加利亚完成的首例3D打印肋骨植入物手术。 ▌PEKK聚合物3D打印承重假体首次获FDA批准 2015年7月，美国Oxford Performance Materials（OPM）公司宣布，其3D打印的SpineFab VBR系统植入物获得FDA市场准入许可。这是有史以来第一个获得FDA批准植入的聚合物3D打印承重假体。此前脊柱植入物多采用钛合金，具有应力屏蔽效应，而PEKK具有类似骨骼的机械性能，并能够支持骨骼的生长。 ▌3D打印重塑大面积颅骨缺失 2017年，英国20岁患者Tiffany Cullern因脑部肿瘤接受手术，术后由于其他原因导致脑部肿大，并对颅骨产生了巨大压力。为了释放压力，医生切除了患者的一大块颅骨（12.7 cm），并最终寻求使用3D打印重建。实际上，患者等待植入物重建的过程长达三个月，这可能也与当时和当地的发展水平有关，在此期间，幸运的是患者创口并没有因此恶化。据悉，Tiffany植入的颅骨修复体由钛合金、高分子材料以及钙化物构成。 ▌第一个3D打印的植入物10年之后仍保持良好 与所有现代医疗保健创新一样，3D打印植入物的寿命目前并不可知。包括医生、材料科学家等在内的研究人员无法确定新型植入物是否会随着时间而发生变化。第一个3D打印的植入体要追溯到2007年，意大利外科医生Guido Grappiolo博士将3D打印的钛合金髋关节植入患者体内，在进行了10年的观察之后，这枚植入体仍然显示出良好的状态。 虽然传统的髋关节植入体必须每10-15年更换一次，但3D打印的植入物似乎具有更好的性能，佩戴者的并发症也更少，这就为患者免除了再一次接受手术的痛苦。 END 在笔者有限的认知看来，3D打印植入物涉及的材料从金属到非金属，种类很多，一些此前极少提到的钽、镁合金近些年也在得到临床实践；从性能方面看，3D打印能够制造出加快伤口愈合的结构，促进与人体本身的融合；从手术方面看，3D打印可以在术前就设计和制造完全适应患者本身的植入体，这大大节省了手术时间，从而提高了患者的治愈几率，并能够减少病人的痛苦。 本期上传内容： 《Materialise调研报告：中国制造业眼中的3D打印》 欢迎转发 延伸阅读： 医疗：PEEK相较金属植入物的优势与不足 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

在《3D打印实现制造轻量化：从材料到结构》的上篇中，我们介绍了轻量化的金属材料、碳纤维及工程塑料，并对这些材料的3D打印工艺和应用进行了介绍。本期我们推出下篇，即3D打印优化结构设计，实现制造轻量化的特点与意义。 ▌优化结构设计，降低材料使用要求 在经典的轻量化设计中，“通过替代材料减轻重量”一直是指导原则，因此，轻量化设计的附加值来自创新材料。然而，较轻的材料通常在采购、设计和使用方面都需要高昂的成本。现代轻量化设计会考虑整个系统，在概念阶段就已经专注于减轻重量。 赛车部件轻量化解决方案 采用优化设计的方法实现制造轻量化，不仅可以降低对材料的使用要求，还能减少昂贵材料的使用量，缩短加工时间。接下来，我们会介绍3D打印工艺条件下的结构优化方法以及在航空航天、汽车、医疗等领域的应用特点。 ▌轻量化结构设计方法 ●点阵结构大规模替代实体材料，减轻重量同时赋予结构功能性 在满足性能要求的前提下，采用点阵（网格）结构大幅减少了实体材料的用量，成为结构轻量化的重要手段。在传统上，金属网格结构的制造方式主要有机加工打孔和造孔剂成型，前者受到机加工条件的限制只能制造简单结构，而造孔剂造孔成型过程也并不完全可控。如今，增材制造技术极大释放了设计人员的自由度，网格结构设计的复杂程度也得以扩展，设计人员不必再过多考虑能不能实现的问题，而是哪种结构性能更好的问题。 点阵结构具有不同的胞元形状 网格结构的正向设计通过一系列的单元结构生成网格阵列，在实现轻量化的同时，填充结构的布局和设计又可产生隔振、吸声、吸能、传质等功能。组成网格阵列的单元结构也可产生不同的力学性能，关于最佳结构性能特征的设计特点以及提高网格结构可加工性和质量的设计规则也正在成为研究的趋势（研究详情请进QQ群下载）。 Materialise为Atos开发的轻量化卫星钛合金镶件（点击查看）网格结构的另一种设计方法是基于影像的反求法，主要应用于医疗领域。其原理是通过对自然骨的网格结构进行扫描，得到骨小梁结构的三维数据模型后，直接对三维模型数据进行修改设计，是基于逆向工程技术的一种延伸。这种方式设计的网格结构保留了生物网格结构的特征，但由于三角网格的数据非常庞大，对计算机的处理性能有较高要求。 基于人类松质骨CT影像数据，使用SLM技术直接制备具有类似人类松质骨结构的多孔Ti植入物，详情查看查看QQ群上传资料 ●拓扑优化为增材制造提供创新设计，增材制造为拓扑优化提供制造手段 拓扑优化是结构优化的另一重要手段，用于计算给定问题下最优的材料空间分布状态。一般而言，针对指定的目标，在给定的载荷、约束和边界条件下，通过拓扑优化算法可以在给定的设计区域内找到最佳结构配置。经拓扑优化后的零部件理论上可满足载荷需求，实现特定算法下的材料最优分布，可以获得在特定体积分数下的最优承力结构，从而实现结构的轻量化。 然而，拓扑优化的几何构型复杂，采用传统制造工艺制备非常困难，设计人员往往要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计，来满足可制造性，降低制造成本。这种做法往往会损坏结构的最优性，得到的结构性能甚至达不到已有构型。另一方面，受制于传统设计理念及制造工艺，结构往往仅进行宏观拓扑设计，并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间，使得产品性能提升非常有限。增材制造技术的出现，使得几何形式高度复杂结构的制备成为可能。著名设计专家程耿东院士提到，拓扑优化为增材制造提供了创新设计，增材制造为拓扑优化提供了制造手段。 ●创成式设计，突破设计极限，实现结构不断进化 创成式设计（Generative Design）是一个人机交互、自我创新的过程。通过算法，设计人员可以迭代数百甚至数千种不同的设计，而无需手工创建单个物理模型。通过输入不同的参数来创建多种设计结果，可以设置所需要的不同的应力水平、温度或湿度、零件可能在其工作环境中受到影响的其他因素，生成潜在的可行性设计方案，经过综合对比，筛选出设计方案供设计者进行最后决策。 通过创成式设计生成的轻量化丰田气缸盖 创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。而增材制造技术可以将复杂的设计变为现实，两者的发展正在改变着设计制造的模式。 ▌材料和结构协同制造，满足更高要求 在商用飞机、军机、火箭、卫星、汽车等领域，减重一直是永恒的话题。轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，新模式为减重进一步释放了空间。材料和结构协同制造，使满足更高要求成为可能。 西北工业大学的研究团队调研了应用于飞机和航空航天结构设计的拓扑优化技术的最新进展。通过重新分布材料布局和相应的承载路径，拓扑优化已被认为是在航空和航天工程应用中最有效的设计工具之一。同时，航空航天结构工程快速发展中突出的大量技术难题也推动了拓扑优化理论的进步（研究内容已上传）。 传统的观测卫星天线支架由几个独立的部分通过柳钉结合，重量大、发射成本高。通过拓补优化和3D打印，天线支架减轻了40%的重量，比最低要求强度提高了30%，降低了系统成本和燃料消耗，并顺利完成静动态测试和可靠性测试，成为航天认证产品。在汽车领域，传统的车身结构及设计方法可能不再适用，取而代之的是创成式的优化设计方法，它既能减少零件质量，又能延长零件使用寿命。创成式的优化设计方法还能使车身零件数大幅减少，未来也会成为轻量化制造的有效手段。 宝马i8 Roadster软顶支架迭代过程及通用汽车采用创成式设计将8个零件集成为1个 点阵结构基于其强大的功能性，其应用覆盖高端领域和普通消费品。在点阵结构中，单胞排列可以是相同的，也可以是不同的；可以是均匀的排列，也可以是不均匀的排列；甚至可以是不同的单胞、不同的排列方式进行排列，结构可以是千变万化，对应的性能也是千差万别。 钛合金混合晶格结构 点阵结构医疗植入物 在医疗器械中，点阵结构不仅可以实现植入体减重，还可以促进人体组织的长入，加速愈合过程。在军工应用领域，点阵结构还可实现隔振、吸声、吸能、传质等功能；在消费品领域，点阵结构也广泛应用于运动鞋、头盔等产品的制造。 不同品牌不同点阵结构的3D打印运动鞋（点击查看） END 3D打印技术与制造的复杂性基本无关，结构优化能为增材制造提供创新设计，而增材制造则为结构优化提供制造手段，两者的结合实际上互相成就了对方，成为各领域结构减重、推出创新产品的新模式。 而优化的结构设计结合高性能的材料，再利用3D打印技术，采用最佳的工艺流程，就有可能实现产品的最终优化目标。 本期上传内容： 1.SLM网格结构类型力学性能及最佳结构设计特点 2.SLM直接制备近人类松质骨结构的多孔Ti植入物研究 3.西工大：航空航天结构设计中的拓扑优化 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印实现制造轻量化：从材料到结构3D打印实现制造轻量化：从材料到结构 考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738