氧化物弥散强化 (ODS)合金的特征在于纳米级氧化物颗粒均匀分散在金属基体中，通过Hall-Petch或Orowan机制阻碍位错运动，从而提高在大温度范围内的机械性能。此类材料应行业应用需求而开发，例如燃气轮机需要材料在高温下具有高强度和抗蠕变性，核反应需要材料具有抵抗高能中子气体冲击的能力。纳米级氧化物颗粒使材料具有了难以置信的性能优势，在核工业、涡轮机械、航空等领域具有重大应用价值，然而为极端环境研发氧化物弥散强化合金具有挑战性且成本高昂。 ODS材料的增材制造：a)用于核聚变 托卡马克型反应堆 b) 涡轮机械应用c)太空飞机d)涡轮风扇发动机。用于通过增材制造的ODS材料的定制粉末原料制造和表征：e) 具有优化流变特性的复合粉末；f）用纳米级氧化物纳米颗粒均匀分散的微米级金属颗粒的示意图g) 气体雾化反应合成制造的粉末颗粒的截面SEM图像 传统的粉末冶金氧化物弥散强化零件制造工艺涉及多个工艺步骤，包括通过机械合金化工艺制造复合粉末、通过不同烧结技术进行固结、后续热处理和最终减材成形。基于粉末的增材制造是一种很有前途的ODS材料生产路线，因为它允许直接从定制的粉末材料中进行近净形，从而显著缩短ODS合金的制造路线。然而就如同最初并没有专门的材料用于增材制造，ODS合金还没有针对增材制造的特征过程进行优化，因此无法充分利用这种制造技术的潜力。然而3D打印却还有一项重要应用，那就是开发新材料。NASA在今年4月新推出的GRX-810，就是一款借助热力学建模和3D打印开发的氧化物弥散强化合金，它可以承受超过1000℃的温度，更具延展性，比现有最先进的合金寿命长1000倍以上。 传统制造路线与ODS合金增材制造路线的比较。传统的制造路线包括机械合金化的复合粉末制造工艺，然后是罐装和随后的热等静压和粉末冶金固结工艺。固结后，需要对零件进行热处理和减材成型。增材制造路线使用复合粉末原料，包括成形和后续热处理 ODS合金的机械性能 ODS合金的机械性能受固溶硬化机制控制，固溶硬化主要由基体合金的化学成分决定，以及由氧化物纳米粒子在基体合金中的分散引起的弥散硬化，特别是在晶界附近。ODS合金中的弥散硬化归因于Orowan机制，该机制描述了通过形成前进位错线的位错环来绕过不可切割纳米颗粒的机制。因此，弥散体硬化的有效性主要取决于周围金属基质内嵌入纳米颗粒的数量密度、尺寸分布和相干性。通过降低位错攀爬过程旁路机制的驱动力，需要优先相干纳米粒子，分散的纳米颗粒的强度贡献则可以通过方程式估计。 氧化物弥散强化合金中Orowan机制的示意图 位于晶界上的分散氧化物纳米颗粒能够钉扎晶界，并能有效抑制位错蠕变和扩散蠕变。它被认为是高温环境下低应变率下多晶高温合金的主要变形机制，因此对于长时间在高温下使用的材料退化起决定性作用。分散的氧化物纳米粒子对上述机制的抑制对于细晶粒微结构变得更加重要，因为金属增材制造的重要特征就是产生细晶粒。长时间在高温环境中稳定的晶界结构能有效抑制再结晶过程，这可能要归功于氧化物纳米颗粒簇的极低界面能以及氧化物在金属基质中的低溶解度及其高熔点。因此，与未增强的合金相比，ODS合金的特点是在室温和高温条件下都具有更高的强度，并表现出优异的抗蠕变性。 a) 双离子辐照RAF钢的TEM图像，显示由辐照时产生的氦气形成的空腔（用红色箭头表示）b) 在 750 °C 下退火100小时后，根据APT测量重建He植入的 14YWT ODS钢纳米级氧化物颗粒在金属基体中的均匀分散可以提高机械性能，并增强合金对高能中子辐射的抵抗力。嵌入的纳米级氧化物与周围金属基体的界面充当辐射诱导晶格缺陷的有效陷阱，能有效抑制宏观降解效应。 ODS合金的基质材料 通过分散纳米级氧化物颗粒进行分散强化的概念可以应用于所有晶体结构材料。因此，这一概念可用于增强各种金属材料的机械和辐照性能，例如铁素体和奥氏体钢、镍基合金、基于镁的轻金属等结构材料、铝和钛以及基于钨和钼的难熔合金。然而，特殊合金的机械性能，如耐磨钴合金、基于铜的高导电材料，甚至先进的高熵材料等也受益于分散在其基体中的纳米颗粒。 钢基ODS合金 钢材是最常用的结构材料，其具有从高强度到耐腐蚀和耐高温等级的众多性能，广泛应用于工程领域。如今许多商用ODS合金是基于低活化铁素体/马氏体的钢材料。这些钢的特点是具有不含易活化的合金元素，除此之外，奥氏体钢种在结构应用中也越来越受到关注。 镍基ODS合金 镍基高温合金广泛用于航空航天领域，由于其卓越的高温强度和蠕变特性，它们也是内燃机中的重要材料。纳米级氧化物颗粒对镍基高温合金的额外强化旨在提高机械性能，例如高温条件下的强度和抗蠕变性。出于这个原因，市售的镍基合金，例如In625和Hastelloy X被认为是氧化物弥散强化镍基合金的基体合金。此外，γ'-强化镍基合金（如In718) 以及含有γ' 形成剂的钛和铝因其卓越的高温性能而被使用。 金属间ODS合金 金属间合金在高温环境下比传统的镍基合金具有更高的比强度和出色的抗氧化性，因此引起了航空航天应用的极大兴趣。特别是，基于钛 (γ-TiAl) 和铁 (FeAl) 的铝化物以及基于钼 (Mo-Si) 和钒 (V-Si) 的硅化物被认为是替代现代内燃机镍基高温合金的重要材料。与镍基合金相比，纳米级氧化物颗粒在金属间化合物基质中的分散旨在进一步提高高温环境中的机械性能。各种纳米级氧化物粒子的分散，导致更高的硬度、室温和高温强度。此外，纳米级弥散体的加入促进了晶粒结构的显著细化，这种结构在高温下是稳定的。铁和钛铝化物中的大量铝会促进结构复杂的氧化物化合物，金属间合金仍然是当前研究的主要部分。然而，迄今为止，还没有基于金属间合金的商用氧化物弥散强化合金。 ODS合金的增材制造 在增材制造中，金属部件采用逐层工艺制造，通常使用金属粉末或线材原料。今天，可以使用许多不同的3D打印工艺来制造金属和复合材料。然而，微米级金属颗粒和纳米级氧化物颗粒的简单混合通常导致氧化物颗粒的不均匀分布，并导致在ODS合金内的不均匀分散。因此，制造具有均匀分布的金属和陶瓷成分的合适复合粉末对于通过3D打印工艺成功制造ODS合金至关重要。 因此，很多学者专门研究了制造粉末复合材料的技术，从而允许通过增材制造工艺可靠的制造ODS合金，这些复合粉末制造技术包括固体基、液体基和气体基工艺。  ODS合金的增材制造工艺 对于典型的基于激光、电子束或电弧的熔化增材制造，复合粉末颗粒与高能辐射的相互作用、纳米颗粒在熔池中的行为以及纳米颗粒与凝固前沿的相互作用，决定了金属基体合金中纳米粒子的最终分布和尺寸。 基于粉末床的工艺可能是目前提出的基于熔融的增材制造工艺中最适合制造ODS合金的工艺技术，与基于送粉的DED工艺相比，它通过利用更小的光束直径，从而最大限度地减少熔化阶段分散的纳米颗粒的粗化和浮选。但是，尽管使用常见的PBF工艺，但发现凝固后的纳米粒子尺寸较宽。在这种情况下，显然需要更多的模拟研究来理清对高动态熔池中纳米粒子行为的影响因素，目前尚缺乏研究。   含氧气氛中AM过程氧化物纳米粒子的形成机制，包括熔池表面氧分子（双红球）的解离和氧原子（单红球）在熔池中的溶解，与溶解的钇原子反应（绿色球体）在熔池中形成氧化钇（绿色和红色球体相互附着）。氧化钇分散在凝固的金属基质中 AM凝固过程中纳米粒子与枝晶相互作用的说明性描述，枝晶结构内吞没的纳米粒子和枝晶臂之间截留的纳米粒子（绿色球体），右：纳米粒子团聚体（蓝色球体）被推到枝晶尖端的前面；左树突内部有纳米颗粒（红色球体）被吞没的树突横截面 为了指导模拟方法，需要更深入的微观结构表征，以便明确识别纳米粒子化学成分和纳米粒子在分散的金属基质中的分配。原子探针层析成像 (APT) 是一种合适的工具，但似乎仅对于足够小 (>100nm) 且以高数密度存在的特征才可靠。因此，使用高分辨率透射电子显微镜进行的补充检查是有益的，可以表征不同长度尺度上的纳米粒子分布，还可以提供有关基质和嵌入纳米粒子相干性的信息。直接观察纳米颗粒的运动和团聚趋势，将直接影响ODS合金的机械性能。为了证明增材制造的ODS合金的潜力，需要在广泛的温度范围内进行深入的机械表征，包括静态和动态表征（如蠕变检查），这将允许将增材制造的ODS材料与传统制造的对应材料进行基准测试。 研究发现，与传统生产的ODS合金相比，增材制造的ODS合金的机械性能较差，但比非增强材料有更好的性能，尤其是在高温环境中。因此，氧化物弥散强化材料将是一类非常有前途增材制造材料，尤其对于极端使用环境下。 推荐文献：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101049 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.沈航：面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展 2.突破：NASA开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 3.粘结剂喷射+CNC+智能分层，3DEO已发货超130万个3D打印零件 4.电弧等能量沉积3D打印技术正受到学术界和应用界的广泛重视

结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的，在符合结构材料力学特性的前提下，实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂，传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造，极大地拓宽了设计空间。 增材制造技术前沿注意到，来自沈阳航空航天大学机电工程学院和中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所的研究人员发表了《面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展》一文，综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展，从优化拓扑算法的角度，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施；从金属增材制造约束的角度，总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法，并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。   面向金属增材制造的拓扑优化设计随着我国航空航天事业的持续发展，航空结构件需满足轻质高效、长航时、高机动性等要求，因此，进一步降低结构质量系数是结构优化设计领域面临的一项严峻挑战。传统轻量化设计大多是基于经典结构的等效替换，例如通过新工艺、新材料等精益改善和挖掘结构潜能，现已趋近“天花板”。 拓扑优化技术作为结构优化设计的重要分支，通过定义材料属性、载荷工况与约束条件，寻求给定设计域内材料的最优分布形式，是结构轻量化设计、获得高性能创新构型的有效设计方法，现已被广泛应用到航空航天、汽车制造等领域中。例如，应用填充微观点阵结构的卫星支架多尺度拓扑优化设计，使卫星支架减重17%，动态响应减少25%；考虑切口、保持传统钣金轮廓的涡轮发动机支架的拓扑优化设计，使发动机支架减重25%；考虑增材制造工艺、扩大设计空间的拓扑优化设计，使发动机支架减重66%，最大位移减少约50%；由30多个单独部件组成的稳定器前翼梁支架，应用拓扑优化一体化设计，成功实现前翼梁支架减重30%，显著改善结构性能，提升加工效率。  金属增材制造技术   然而拓扑构型通常较为复杂，受制于传统制造工艺限制，设计人员往往需要简化最优拓扑构型，这导致拓扑优化的结构优势不能充分体现。增材制造技术使用高能束热源，采用“自下而上”材料逐层熔化沉积的叠加方式，无需模具，可实现复杂拓扑构型的快速“自由制造”，解决了结构优化存在的“制造决定设计”的问题，极大地拓宽了设计空间。但金属增材制造技术并不是完全“自由制造”技术，仍存在特有的制造约束，如当拓扑构型最小尺寸小于设备精度时，则会出现打印失败现象；受制于设备成形腔与结构热变形限制，增材制造大型构件时，需进行分块与连接处理；增材制造零件有时会沿构建方向出现20%~40%的强度损失；对于粉末床增材制造技术，在制造含有封闭孔洞的拓扑结构时会出现内部粉末与支撑难以去除等问题。因此，在拓扑优化设计中考虑增材制造约束，发展面向金属增材制造的拓扑优化设计方法具有重要意义。 金属增材制造技术虽有效解决了复杂拓扑结构可制造性差的问题，但仍存在某些制造约束，如当结构最小尺寸小于束斑直径时，零件实际打印轮廓会超出设计轮廓；激光选区熔化技术所能制造的零件几何尺寸受限；当悬垂角度选择不当时，会产生零件装配孔材料塌陷、支撑结构断裂等现象；采用粉末床增材制造技术时，制造的含有封闭孔洞的结构存在内部粉末与支撑无法去除等问题。因此，在拓扑优化设计中需同时考虑结构几何约束、成形约束、材料性能约束等多种增材制造约束，从产品拓扑优化设计源头改善制造工艺局限性，以实现结构设计制造的一体化。   增材制造打印失效 ：（a）装配孔材料塌陷；（b）支撑结构断裂；（c）内部支撑无法去除 拓扑优化设计可以依据材料属性、约束条件及载荷工况，在给定设计区域内寻求材料最佳分布形式与最优承力路径，实现高性能轻量化设计。金属增材制造技术基于高能束热源，采用快速熔化与逐层叠加的成形方式，可实现复杂拓扑构型的快速原型制造与实体自由制造。将拓扑优化设计与金属增材制造结合，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施，总结了考虑金属增材制造几何尺寸约束、成形约束及材料性能约束的拓扑优化方法，为学者们进一步研究面向金属增材制造的拓扑优化设计提供了参考。   考虑最小尺寸约束的拓扑优化：（a）节点设计变量与投影函数 ；（b）鲁棒公式 ；（c）空间梯度算子 ；（d）骨架提取与最小特征优化 MBB 梁自支撑优化：a）悬垂投影约束；b）优化悬垂角度与打印方向；c）多边形特征孔；d）非线性虚拟温度场   考虑连通性约束的拓扑优化：a）虚拟温度场；b）最短连接隧道；c）边约束；d）应力最小化   考虑材料各向异性的拓扑优化：a）强度各向异性 ；b）量化增材制造工艺参数   拓扑优化设计存在设计变量巨大、计算效率较低、求解困难、弱收敛等不足，现有拓扑优化算法往往难以输出可直接应用于增材制造的结构性能最优解，学者们往往基于最优拓扑构型进行二次简化设计，损失了结构性能。因此，结合并行计算技术，开展设计变量较少、收敛性较好的算法研究以输出可直接应用于增材制造的最优拓扑结构具有重要现实意义。 宏观拓扑优化与微观点阵结构研究日趋完善，将宏观拓扑优化设计与微观点阵结构有效融合，建立多尺度结构之间的高度衔接性，充分利用拓扑优化的高性能构型及增材制造提供的广阔设计空间，追求高性能的轻量化设计具有广阔发展前景。 考虑金属增材制造约束的拓扑优化方法采用较为理想的材料模型，与金属增材制造技术实际打印过程存在一定的差异，因此，通过建立多元工艺参数下的材料各向异性精准拓扑模型，量化金属增材制造设备工艺参数，模拟金属增材制造加工过程及预测零件翘曲变形与开裂，可有效减少残余应力与变形，改善成形精度与表面质量。 面向金属增材制造的拓扑优化往往是基于单一材料的优化，将多材料、拓扑优化及金属增材制造有效结合，研究功能梯度材料的拓扑优化设计与金属增材制造技术，实现材料、结构、工艺、性能一体化设计，是追求高性能、多功能、轻量化的又一突破点。 该文收录于《中国激光》2023年第12期。刘博宇, 王向明, 杨光, 邢本东. 面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展[J]. 中国激光, 2023, 50(12): 1202301.本文已获取作者及期刊特别授权，如有转载，请联系授权方。《中国激光》由中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办，创刊于1974年，是国内唯一一本全面报道激光技术领域最新研究成果的专业学报类期刊，被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。在光学领域唯一连续2次获得全国“百强科技期刊”，多次获得“百种中国杰出学术期刊”称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年获得了“第五届中国出版政府奖”期刊提名奖。面向国家重大发展需求，《中国激光》于2021年推出“前沿激光制造”专题刊，以强化国家战略科技力量，推动制造强国战略目标加速实现。“前沿激光制造”专题刊聚焦国内外激光制造领域的优秀成果，以前瞻视角为站位，以激光制造领域的战略性支撑技术为出发点，通过快速报道领域内的动态与发展趋势，推动激光制造领域的产学研创新发展。专题刊收稿范围包括：激光增材制造、激光微纳制造、激光成形制造、激光表面加工。欢迎各位老师持续关注。    欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.增材制造：拓扑优化与梯度点阵结构提升零部件附加值 2.案例剖析 | 拓扑优化与点阵填充实现轻量化的秘诀 3.整体化、轻量化与批量化 | 铂力特展示航空航天金属3D打印潜力与趋势 4.直接和间接3D打印部件，大量轻量化技术和材料——奔驰下一代电动汽车制造思路

折叠结构，在军事上可用于战地指挥、战场救护、装配抢修及野外帐篷等，对提高部队的后勤保障能力、增加部队战斗力有重要意义；在航空航天领域，折叠结构有着不可替代的地位，已用作太阳帆、可展式天线等。 随着3D打印技术的发展，具有可控性能的智能结构4D打印正在获得大量研究，折纸镶嵌，有望为产品开辟新的设计和应用。当前最流行的4D打印方法之一是通过加热故意使从FDM 3D打印机挤出的热塑性塑料发生变化，以实现运动或存储。这种方法的优点在于工艺容易获得且成本较低，但分辨率不可避免的受到FDM 3D打印机的限制。另一种流行的4D打印方法是打印对湿度变化或(脱)水化反应的可收缩自折叠材料，这种方法对需要生物安全性能的可穿戴设备和食品特别有用。然而，对于复杂的形状变化，分辨率仍然是无法回避的问题。总之，当前的4D打印技术，要么分辨率低，要么需要手工，容易出错且后处理较为耗时。 近日，东京大学的研究人员推出了一种结合2D打印、折纸结构和化学的新方法，可实现快速3D物体制造，且不会产生任何材料浪费。这种喷墨式4D打印工艺，有可能克服限制并为不同行业开辟无限的应用前景。与传统的逐层3D打印技术会导致生产时间延长和材料浪费不同，研究人员从4D打印中汲取了灵感。在这里，具有独特属性的材料在特定条件下自折叠成复杂的 3D形状，利用时间作为转变的关键因素。‍ 东京大学电气工程与信息系统系项目助理教授Koya Narumi 表示：“我们面临的最大挑战是完善硬件和材料的选择，我们花了一年多的时间才将范围缩小到最终选择。但是所有的尝试和错误都是值得的，与之前围绕相同基本思想的研究相比，我们将输出分辨率提高了1200倍，打印速度提高了2.8倍，还可以实现全彩打印。这意味着我们可以创建的设计不仅新颖，而且可以用于实际应用。未来，我们可能会探索功能材料，例如导电或磁性墨水，这些材料可以用于机器和其他功能设备。” 尽管打印的折纸基本上是平坦的，但它们在中央热收缩片材料的顶部和下方结合了许多不同的墨水层。底漆有助于墨水粘附在纸张上，即使在潮湿的情况下也是如此。黑色墨水可以抵抗收缩，从而实现折叠。白色图层为颜色图层提供了空白画布。最后的透明层可以保护下面的所有结构。 用于 4D 设计的 2D 图层 该技术的核心是专门设计用于处理紫外线反应材料的喷墨打印机，尽管这些打印机可能需要更高的成本。该打印机将二维折纸设计精确地应用到热收缩塑料片的两面。此外，印刷过程中使用的墨水在随后的收缩过程中不受影响，确保即使在干燥后也能保持其柔韧性。通过策略性地合并两侧墨水部分之间的间隙，设计人员可以精确控制纸张的折叠方向。   折纸主要有两种折痕：山谷褶皱和山脉褶皱。在每种情况下，纸张要么向内折叠，要么向外折叠。为了进行这些折叠，在热收缩片的一侧留有间隙，以便在加热时，片的这一部分可以像山谷一样向内折叠，或者像山一样向外折叠。 通过使用热水对平板进行加热来触发自折叠过程。在此过程中，具有抗收缩性的墨水发挥着关键作用，使材料自发折叠成复杂的折纸状结构。 “我和我的团队发现了如何使用易于使用的工具和材料来创建自折叠4D物体，”Narumi 补充道。“本质上，我们正在制作带有折纸图案的平板，这些图案可能很复杂，即使是熟练的折纸艺术家也需要几个小时才能形成。但得益于我们的特殊工艺，您可以将热水倒在这些平板上，然后观看它们在几秒钟内变为复杂的3D形状。”   专门创建的软件将输入的3D模型转换为可以打印的2D图案。然后可以将打印件浸入热水中，自行折叠成最终的3D物体 研究人员对这项独特技术在各种应用中的巨大潜力表示了期待。其中，时尚业将从中受益，因为它经常面临材料浪费的问题，特别是在定制设计的背景下。该技术能够在4D打印物品保持平整的情况下运输它们，为解决物流和存储障碍提供了一个有吸引力的解决方案，使其成为灾难恢复条件下的实用选择。医疗设备等基本物品可以打印为平面形状，并在现场转化为功能齐全的3D对象。 该技术可用于开发先进服饰 可用于制作加密信件 一段时间以来，3D打印已被用于制作产品原型，现在更多的用于商业产品的制造，甚至包括喷气发动机的零件。但每种3D打印方法都有其局限性，例如完成打印所需的时间较长或打印过程中残留材料的浪费。4D打印这一概念旨在使用最少量的材料来缓解这些问题，这些材料被选择为具有某些特殊属性，使它们能够在适当的条件下自动折叠成复杂的3D状。它被称为4D打印，因为自折叠的过程必然要利用时间，这通常被称为第四维度。有意思的是，这种新的快速4D打印方法始于2D领域。 东京大学的研究人员表示，4D打印工艺目前正在不断探索和发展，为快速、无浪费制造成为现实的潜在未来提供了见解。研究人员表示，他们“热切期待”其实际应用及其对不同行业的影响。 推荐论文：Inkjet 4D Print Self-folding Tessellated Origami Objects by Inkjet UV Printing 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.大幅面、高精度和高效率！铼赛智能打破专业级DLP 3D打印机天花板 2.“十四五”国家重点研发计划“大幅面纤维增强热塑性复合材料增材制造技术与装备”项目启动 3.奔驰匈牙利工厂选择一迈大幅面3D打印设备，用于生产工装夹具 4.打破垄断，国产米级超大幅面高温3D打印机，航空航天非金属优选方案

导读COVID-19大流行的一个意外后果是它对价值数十亿美元的半导体微芯片市场的影响：在全球封锁导致消费电子产品需求飙升的同时，半导体的供应因生产中断而陷入瓶颈。现在，供应的短缺威胁到了依赖于这些部件的行业产量。3D Systems公司的Scott Green和Niels Holmstock以及Diabatix公司的Lieven Vervecken和Gert-Jan Paulus探索了如何利用金属增材制造（AM）来提高半导体制造的效率，提升这些重要部件的生产速度。 金属增材制造很容易与航空航天、汽车和医疗保健等细分市场联系起来，但AM提供的价值是独特的，可以应用于任何一个细分市场，该细分市场特点是系统的性能和功能可以受益于功能优先的组件设计方法。   在2021年，半导体制造设备必须拥有尽可能高的生产率、可靠性和技术能力来减轻全球芯片短缺的问题。在没有重大改变时，人们不会尝试新的努力，当有了最后期限、压力或紧急情况--创新竞赛就开始了。当前，新型的AI创成设计软件和金属增材制造技术相结合，正在共同努力提升半导体设备的主要性能，解决半导体供应链挑战。图1是一个具有复杂冷却结构的金属AM晶圆台，它是提高半导体制造效率的关键。 图1 金属AM使生产具有复杂集成冷却结构的晶圆台成为可能，大大提高了半导体的制造效率（由3D Systems 公司提供）微芯片制造和供应链短缺 微芯片制造被认为是先进制造中最高水平的体现。这个行业是由追求更快、更高效的处理器和更高容量的内存芯片驱动的，针对先进工具系统和基础设施的大量投资追求超高水平的细节保真度、分辨率和精度。数十亿美元的生产线在10亿单位的生产运行中不断折旧以及大规模的持续优化需求，这些都是惊人的指标。当涉及到优化生产线上的硬件和工具时，工业增材制造解决方案的出现为处于解决问题第一线的工程师和设计师提供了一个重要的机会。 COVID-19大流行对供应链造成了冲击。这场大流行病的一个意外的副作用是全球半导体的短缺，扰乱了各种消费产品的生产（从汽车到电子产品都是如此）。2020年12月，大众汽车公司表示，半导体供应的短缺迫使公司将在2021年第一季度减少生产10万辆汽车，因为其零部件制造商无法保证供应。日产、雷诺、戴姆勒和通用汽车公司也在与供应短缺作斗争，这可能会导致每周的产量减少多达20%。 除此之外，由于大多数人远程工作和留在家里，对消费类电子产品的需求（如手提电脑和娱乐设备）飙升，这些设备的制造商正在争夺芯片。当前，由于汽车的设计中内置了越来越复杂的技术和计算，因此，微芯片的供应与汽车工业的发展密切相关。 如果需要更多的芯片，难道芯片制造商就不能增加产能吗？理论上说，这应该很容易，但生产事实证明，能力和技术是实现这些目标的障碍。半导体制造厂为了提高产量，需要安装新的生产线，这些生产线需要新的设备，设备制造商也会进行创新，以满足芯片制造厂不断增加的需求。然而，这些设备和工具复杂且昂贵，生产开发周期较长，在某些情况下，交货时间为6至9个月。因此，设备制造商很难仅仅依赖传统制造技术的生产线来满足预期外的需求增长。 增材制造的拯救 在硅片工装中，有许多复杂的问题相互作用，包括温度、惯性、湍流、振动、精度、磨损以及由污染零容忍政策驱动的超高水平的卫生标准。这些构成了重大的挑战，同时也提供了许多优化的机会，这就是增材制造的作用所在，AM可以使组件的性能和效率阶跃式提高。   遵循传统设计和制造规则的常规零件，其性能总是因设计和制造约束而进行一些妥协。通过使用增材制造技术，特别是遵循“面向增材制造的设计（DfAM）”和“针对功能的设计”的理念。处于解决问题第一线的公司能够以之前认为不可能的方式进行创新。AM在半导体设备制造商中的快速应用正在提高质量、生产和技术能力，并降低供应链风险。   在半导体行业有无数有趣的挑战 ，它们可以归结为功能优先设计的三个关键主题： • 歧管流量优化； • 减少零件数量和质量管理； • 热管理。   歧管流量优化 一般来说，制备像歧管这种复杂的部件比较困难且耗时，需要多种制造工艺相结合（从金属板折叠到液压成型和管路折弯），而且零件需要进一步装配。最终的结果永远不会接近完美的解决方案，因为大量的制造工艺过程和装配过程充满了潜在的故障点。当应用AM时，设计师可以呈现完美的管状系统，结合先进的计算流体动力学（CFD）来评估影响。在某些情况下，还可以自动创建方案，并允许整合复杂的挡板。   在最大限度地提高流动效率的同时，允许最小化湍流的策略。这种结构的好处是可以最大限度地减少与系统内湍流相关的振动和共振，如图2所示。   湍流和振动影响了输出的精度，在纳米尺度范围，这是很重要的。使用3D Systems的DMP 350平台，工程师们能够实现由液体引起的干扰减少90%，以减少系统振动，实现1-2纳米的精度提高。   图2 在3D Systems 的DMP 350平台上生产的增材制造液压歧管（由3D systems提供）   减少零件数量和质量管理 AM的另一个好处是它能够让设计者显著提高部件整合水平，这最终推动了减少部件数量的设计原则，从而将复杂的流形表示为不需要组装的整体组件。这种简化不仅可以缩短供应链的准备时间，还可以使设计过程变得更容易。 在一些案例中，我们看到几个月的交货时间变成了几个小时，这是因为消除了工具、装配和相关的检查工作。在一些复杂的系统中，通过部件的整合，零件数量减少到原来的1/50。图3显示了一个相关案例，该案例使用金属AM将高度复杂的光学组件制备为一个零件。  图3 在3D Systems的DMP 350平台上作为单一集成部件制备的增材制造光学组件（由VDL提供）   向下选择合金，使用更便宜的低密度材料，只是减轻重量的一个驱动力。DfAM经常通过更有效的设计来实现轻量化。在半导体行业中，轻量化组件有许多优点，包括： • 较低的热质量，导致更快的热响应； • 较低的惯性导致有机会实现更快和更高精度的输送，以及更精确的停止和启动，更精确的加速/减速曲线，同时减少机构的磨损； • 降低质量/惯性，结合DfAM的改进，提高了高速往复机构中子部件的刚度，减少了系统内的振动。 在硅片工装公司，工程师们能够实现50%的减重以减少惯性，能够实现23%的刚度提升以提高共振频率，减少系统振动，所有这些都相当于提高了生产效率。   热管理 我们看到AM展示的另一个能力是生产高效的晶圆台（如图4所示）。这些晶圆台在生产过程中用于支承和固定硅片。热变化会引起材料膨胀的微小变化。随着时间的推移，这些热梯度和波动会产生这样一种情况：由于晶圆表面的不断加工，其结构位置会发生改变（通常称为边缘放置误差，或EPE）。为了解决这个问题，工程师们正转向AM来设计、开发和制造下一代硅片工作台架构。 图4  使用3D Systems的DMP Factory 500生产的集成了先进冷却结构的硅晶圆台（剖面图）（3D Systems提供）   硅片工装企业能够实现热性能的六倍改善和稳定性的五倍改善。通过调节环内的热曲线可以看出ΔT从13.8 mK提高到2.3mK，热温度梯度从22mK降至3.7mK，在一个反应更灵敏的系统中，时间常数从7秒降低到1.5秒。  …

导读：这种测量方法克服了传统红外测量技术的局限性，传统红外测量技术通常存在表面特性和可见度因素方面的问题。据科学家称，该方法的高帧速率和分辨率为复杂过程提供了新的视角。除了精确的温度测量之外，该方法还提供了用于模拟3D打印过程的新参数。根据熔池中峰值温度的分布，可以研究材料蒸发和最终部件的微观结构。该方法的一个主要优点是它独立于金属蒸气的发射率和透射率，这些材料参数不再需要花费巨大的代价来确定。   尽管LPBF工艺被认为是一种成熟的增材制造技术，但它仍然依赖于工艺参数和组件设计的经验选择。尽管金属增材制造技术发展迅速，但早期研究人员发现的几个问题仍然存在，包括热管理问题、孔隙率和裂纹，这些问题可能导致零件无法使用。这些问题推动了现场过程监测和稳健热建模方面的重要研究。 熔池温度测量可用于识别缺陷特征，例如匙孔，凝固区域的冷却速率可用于预测最终的微观结构。熔池热流体模型的进步进一步增加了对熔池内部和周围精确温度测量以进行模型验证的需求。然而，激光穿过粉末床的速度非常快（400-3000mm/s）、且熔池尺寸小（0.1-1mm）并具有高温梯度（5 K/至 20 K/）。 实现实时自动化缺陷检测的最大挑战 高速可见光谱相机、热红外 (IR) 相机和光电探测器均已用于测量熔池温度，以深入了解该过程的热力学。尽管使用热像仪能够进行温度测量，但这些近似值需要假设单一发射率，可能会导致较大的温度误差。其他热监测工作已经以宽视场捕获了整个构建过程，但也需要精确的材料相关发射率校准。典型的LPBF 扫描速度约为1000mm/s，激光光斑尺寸约100μm，大多数热像仪无法提供捕获熔池液位温度瞬变所需的足够帧速率、曝光时间和分辨率。使用照明源和高速相机来测量熔池尺寸，但没有提供温度场。使用光电探测器可以感测熔池热发射的平均强度，然后将其与零件中的缺陷相关联。 使用现场监测技术进行缺陷检测的水平 用于LPBF熔池温度测量的双色高温测定法是另一种方法，其主要优点是不需要熔池的发射率。使用双色红外高温计和有限元分析模型可以估计两个通道上发射率的光谱变化。高温计的光斑尺寸为0.95mm，从而获得空间平均熔池温度测量结果。双色热成像将双色图像转换为热图，并已被用来捕获火焰温度与熔池类似，也表现出动态发射率。 8月2日，增材制造技术前沿注意到，卡内基梅隆大学介绍了一种使用单个商用彩色相机对熔池温度进行成像的实验方法，并将结果与多物理场计算流体动力学(CFD) 模型进行比较。这种方法利用了双色热成像原理，它不需要熔池发射率、羽流透射率和相机视角系数的经验知识。研究人员使用美国国家标准与技术研究所（NIST）的黑体光源和钨丝灯在1600K和2800K的温度之间验证了彩色相机准确测量温度的能力。 卡内基梅陇大学的研究人员在此详细介绍了基于商用高速彩色相机的空间和时间分辨温度测量工具的开发和验证。通过在LPBF中使用彩色相机进行双色热成像，减轻了激光光路中的未对准问题，同时保持了高空间和时间分辨率。该方法减少了与对齐多个相机相关的挑战，并且通过使用具有内置彩色像素滤光器阵列的相机传感器消除了广泛的空间校正的需要。此外，该设置的便携性允许系统在机器之间移动并使用黑体进行验证空腔散热器。 卡内基梅隆大学开发的实验装置 对316L不锈钢的构建板上有粉末和没有粉末的五个连续熔池温度场进行比较 为了演示这项技术，在商用激光粉末床熔融3D打印机上，使用一台离轴高速彩色相机，以每秒22500帧的速度拍摄构建板上2.8×2.8mm的区域。 316L不锈钢在不同加工条件下的熔池温度场显示出3300K和3700K之间的峰值，这取决于激光功率和粉末存在时增加的可变性。  316L 不锈钢的熔池捕捉 In718和Ti6Al4V的测量显示出可比较的温度，然而，由于铝的蒸发增加了羽流阻碍，特别是在Ti6Al6V中。  316L 不锈钢、In718 和 Ti-6Al-4V 的熔池温度场比较 功率和速度组合的实验和模拟结果 将FLOW-3D®CFD模型拟合到316L不锈钢熔池横截面几何形状的原位测量中，可以确定菲涅耳系数和调节系数的多种组合，从而实现几何一致性。其中只有两种组合与热图像一致，激发了对热成像的需求，可将其作为推进复杂物理模型验证的一种手段。 研究人员已经能够利用相机技术记录温度曲线取得有希望的结果。他们看到了将其方法转移到其他3D打印工艺的巨大潜力，从而提高航空或机械工程中增材制造的质量和效率。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.在线研讨：聚焦SLA 3D打印技术的最新发展、材料和应用 2.首个国产电子束3D打印机制造的钛合金髋臼杯获批三类医疗器械注册证 3.8月，传统工艺&增材制造：现场碰撞！ 4.SLM Solutions获得可移动光学系统、可扩展大尺寸金属3D打印技术

造成陶瓷增材制造工业应用滞后的主要原因是成形缺陷过多和成形质量差。其中，裂纹缺陷严重影响陶瓷件的力学性能，是该技术向工业实用化推进的最大障碍。目前，现有的陶瓷增材制造裂纹缺陷研究主要集中在实验方法的裂纹形貌和抑制上。在往期文章中，3D打印技术参考已经介绍了直接陶瓷增材制造的裂纹形态，本期内容主要介绍陶瓷直接增材制造裂纹的形成机制。 陶瓷直接增材制造技术裂纹形成因素（来源见文末） 陶瓷直接增材制造受激光成形的快速加热和快速冷却特性的影响，在沉积部分不可避免的产生内应力，从而形成微观和宏观裂纹缺陷。微裂纹主要是由沉积层内部的应力场和内部微缺陷（如气孔、缩孔等）引起的。当采用铺粉SLM技术通过高能量密度激光束直接熔化冷陶瓷粉末时，在很短的时间内产生大量的热交换，容易产生热冲击现象，从而产生高冲击热应力，导致在沉积部件表面存在少量深度低于50µm的微裂纹。随着熔池的移动，沉积层因温度分布不均而产生不均匀的热应力场，导致局部拉应力过大，进而产生微裂纹。此外，过多的残余热应力在沉积层中积累，导致陶瓷晶粒沿晶界相对滑移，形成晶间裂纹。裂纹形貌与晶粒生长方向密切相关。在沉积部分的冷却阶段，柱状细胞晶体沿散热方向生长，柱状胞状晶体的晶间结合强度低。当收缩拉应力超过晶界界面能时，裂纹沿晶界扩展，形成晶间微裂纹。裂纹扩展过程中可能会发生一定的角度偏转。当晶粒内原子的键合强度超过裂纹扩展能时，原子键断裂，晶粒内形成微裂纹尖端，在内应力作用下继续扩展，形成穿晶微裂纹。然而，由于穿晶断裂需要更高的裂纹扩展能量，当裂纹扩展能量超过陶瓷材料的断裂阈值时，裂纹优先沿晶界扩展形成晶间微裂纹。沉积部分冷却阶段引起的内部相变也会产生微裂纹缺陷。 相变裂纹：（a）裂纹形成示意图；(b) 相变产生的微裂纹 裂纹也可能由沉积层内的微缺陷引起。在熔池冷却凝固阶段，熔池中的气体来不及逸出或惰性气体被截留，从而形成气孔，气孔周围存在明显的应力集中。当应力超过孔隙的表面自由能时，就会产生微裂纹。在冷却凝固后期，残留在晶界处的未固结液相受到收缩拉应力，导致晶界液膜分离，形成微裂纹。有研究发现，在Al2O3/ZrO2陶瓷蜂窝状晶体的交叉处容易形成孔隙，孔隙沿裂纹扩展能量释放的方向生长，并受到拉应力形成微裂纹；在莫来石陶瓷的沉积过程中，由于层间抬升的影响，沉积层中的孔隙逐渐扩大，当内应力超过材料的结合强度时，在缩孔处开始产生微裂纹。 (a) 晶间裂纹；(b∼e)孔隙破裂引起的裂纹形成过程示意图 影响宏观裂纹形成和扩展的三个因素主要包括：收缩应力、热应力和杂质引起的晶界偏析。 呈高斯分布的熔池中心能量密度明显高于熔池边缘。随着能量密度的变化，熔池区域呈现出高温梯度的特征，导致熔池凝固过程中不同区域的凝固速率存在差异。熔池凝固从边缘开始，逐渐向中心区域扩展、不同区域凝固收缩受约束力影响产生裂纹缺陷。根据熔池凝固速度快、温度梯度高的特点，熔池Ⅲ区边缘先凝固，并向Ⅱ区延伸。II区的凝固受到III区完全凝固后产生的位移的约束，导致II区在凝固过程中无法自由收缩，从而产生裂纹缺陷。当凝固工作延伸到区域 I 时，区域 I 中熔体的凝固受到区域 II 和 III 的限制。熔体凝固收缩所施加的约束力超过区域Ⅰ材料的强度极限时，就会形成裂纹缺陷。这三个区域在完全凝固后都无法自由收缩。由于区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间仍存在温差ΔT，相邻区域存在残余应力作用，各区域裂纹将进一步扩展形成宏观裂纹。 (a) 激光直接成形熔池热成像；(b)熔池凝固收缩示意图 除了收缩应力外，热应力也是产生宏观裂纹的最重要因素之一。对于送粉陶瓷增材制造技术，粉床中的粉末在极短时间内被高能量密度激光束迅速熔化，而未照射区域仍处于较冷状态。未熔化的较冷材料和熔化的较热材料之间存在较大的热应力，容易在沉积层与粉末的交界处产生宏观裂纹。基板或前一层在成形过程中被高能量密度激光束直接熔化形成熔池，熔池与周围凝固区之间存在较大的热梯度。当熔池高温热膨胀产生的压应力超过熔池边界凝固区的强度极限时，会产生更严重的宏观裂纹。激光加工中急热急冷的特点，使熔池在激光运动后迅速凝固。由于凝固熔池与新熔池凝固收缩的不一致，沉积层内部积累了大量的热应力。受激光高斯分布特性的影响，沉积层沿宽度方向的中心区域能量密度最高，沉积层中心区域与边缘区域的体积变化不一致，从而导致裂纹缺陷中间区域受到较大的约束力。随着沉积层数的增加，由于热导率低，沉积部分顶部区域的温度与底部区域的温度存在巨大差异陶瓷材料，这导致沉积部分的顶部和底部区域之间存在能量梯度，沉积部分中热应力的不均匀分布导致沉积部分顶部和底部之间的体积变化不一致。随着能量密度的积累，沉积零件的变形越来越严重。当能量密度增加到一定程度时，由于过度变形，在底部区域产生具有大开口的宏观裂纹。由于过度变形，在底部区域产生具有大开口的裂纹。对于多通道单层或多通道多层沉积，相邻扫描线不同区域的能量密度不同，导致相邻扫描线之间的热应力分布不均匀，导致不同区域的体积变化不一致，容易形成扫描线交叉处更严重的宏观裂纹。 多相陶瓷沉积时，由于不同材料的热膨胀系数不匹配，会产生较大的热应力，导致各组分热胀冷缩不一致，从而在零件内部或表面产生裂纹缺陷。研究发现，沉积部分中不同成分的热物理参数不匹配导致局部残余热应力增加，从而导致沉积层中形成裂纹。多相陶瓷沉积层与基体的交界处也会产生严重的裂纹缺陷，熔体凝固引起的快速热收缩受基体位移的约束，导致垂直于激光扫描方向的淬火应力方向。与热膨胀系数失配引起的热应力相比，淬火应力对热应力具有根本性的影响，当淬火应力大于熔敷件的强度极限时，沿激光扫描方向产生裂纹。 纵向裂纹形成示意图：（a）熔池裂纹形成过程；(b) 相邻熔融涂层裂纹的连续叠加扩展过程 杂质会引起晶界偏析开裂，陶瓷粉末中总是含有各种杂质，很难得到100%的高纯度粉末。这些杂质被熔化形成低熔点共晶相，并在结晶后期分离形成晶界之间的“液膜” ，液膜切断了部分晶粒之间的连接，降低了晶界的结合强度。当收缩拉应力超过液膜的界面张力时，在晶界处形成结晶裂纹。如果收缩拉应力较低，不足以撕裂“液膜”，则晶界间的低熔点相在封闭空间内被晶体包围，形成闭环区，冷却凝固后，晶界间形成液态熔体无法充填的缩孔。这些缩孔在外力作用下会形成新的裂纹源，并进一步扩大形成宏观裂纹。陶瓷部分凝固后，陶瓷样品凝固后，沉积件中部分残余液相没有应力释放，成形件会产生较大的收缩应力。先前的结晶裂纹在应力作用下进一步扩展为宏观裂纹。 如上所述，晶粒滑移引起的原子键断裂、相变粒子的体积变化、晶间液膜的破裂和孔隙周围的应力集中是直接陶瓷增材制造微裂纹缺陷的固有特征。层间温差引起的拉应力、冷却收缩引起的收缩应力和颗粒相变引起的应力场是微裂纹萌生的必要条件。沉积层中的初始裂纹是遗传性的。在随后的沉积过程中，前一层的裂缝在新的沉积层中继续扩展，使相邻沉积层中的短而无序的裂缝相互连接，形成宏观裂缝。此外，初始裂纹的优先扩展特性在很大程度上决定了沉积部位的裂纹扩展路径和最终裂纹形貌。 本文内容素材来源： 南华大学刘志文副教授《Advances in crack formation mechanism and inhibition strategy for ceramic additive manufacturing》发表于Journal of the European Ceramic Society 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.干货分享：间接陶瓷增材制造裂纹的形态、产生原因及应对策略 2.影响陶瓷增材制造工业化推进的最大障碍及挑战 3.工艺总结：直接与间接陶瓷3D打印工艺种类及特点 4.西工大：SLM激光直接3D打印陶瓷裂纹形成机制研究

增材制造生产的聚合物零件根据尺寸可分为：小型增材制造（零件体积小于1m3）、大幅面增材制造（零件体积大于1m3）。聚合物大幅面增材制造（LFAM）是一个具有巨大增长潜力的研究领域，其当前的主要进展是能够以更快、更便宜和可靠的方式生产大尺寸部件。根据市场研究分析，在综合了打印能力和制造成本后，涉及聚合物材料的所有增材制造系列（表1）的结果表明，目前最适合生产大幅面聚合物零件的增材制造工艺为熔融挤出（原材料可以是长丝或颗粒）。 表1 AM系列大幅面聚合物商业打印机的特点 2023年1月，葡萄牙的里斯本大学（ULisboa）的Carlos M. S. Vicente研究团队在《Progress in Additive Maufacturing》杂志上发表题为“Large-format additive manufacturing of polymer extrusion-based deposition systems: review and applications“的综述，该综述对聚合物的大幅面增材制造 (LFAM) 工艺进行了回顾，随后进行了大幅面聚合物商业打印机的市场研究，对当前LFAM系统配置及其控制方面进行了概述，描述了与增材制造聚合物大型零件制造相关的设计和建模方法，以及目前正在应用和开发的材料。最后，总结了LFAM在交通、学术、建筑和能源领域的应用。 大幅面聚合物商业3D打印机 熔丝挤出成型（FFF）或颗粒挤出成型（FGF）已成为业内最广泛使用的增材制造工艺之一。常用的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)、聚碳酸酯 (PC) 或聚乳酸 (PLA) 等聚合物，但是该聚合物机械性能有些限制，为了提高FFF或FGF零件的机械性能（强度、刚度和蠕变），聚苯砜 (PPSU)、聚醚酰亚胺 (PEI) 和聚醚醚酮 (PEEK) 等工程塑料正在不断开发。目前市场上主要的是小型或功能型熔融挤出设备，大幅面熔融挤出增材制造设备市场还有待开发（表3为商业LFAM打印机）。下表为小幅面和大幅面熔融挤出增材制造主要过程特征。 表2 小幅面和大幅面熔融挤出增材制造主要过程特征表   3D打印系统配置 较大零件的制造无疑意味着系统配置类型及其自动化和控制机制的复杂性增加，为了解决这个问题，提出了多种解决方案，如结合机械臂打印、原材料用颗粒代替长丝、在同一打印头上配备多个喷嘴、携带多个打印头的机器人协同工作、模块化协同制造等方法提高打印速度、精度（图1）。   图1 LFAM打印机的系统配置 各领域应用  大幅面增材制造技术在航空航天、汽车、建筑、模具、能源应用等经典工业领域及定制化、小批量制造领域（如消费品、医疗保健等）具有广泛应用。 大幅面增材制造技术在各领域的应用（2020）  其中航空航天一直是引领增材制造市场的主要行业之一，该行业具有特定的制造要求（设计复杂、轻量化、需具有阻燃性），LFAM技术在该领域的应用包括飞机内饰和机舱部件、制造空气动力学模型、飞机概念模型验证、模具及夹具、无人机及火箭上的部分零部件。2019 年，Diel Aviation 宣布交付其最大的全 3D 打印部件——Curtain Comfort Header，该部件安装在 A350 XWB 飞机上。阿提哈德航空采用 LFAM 方法首次对空客 A320 侧壁进行全尺寸打印，其中包含打印导电轨道、天线和装饰部件。 汽车行业是增材制造技术的主要用户，该行业的竞争力主要取决于设计能力及更清洁、更轻、更安全的产品，主要应用包括汽车部件、汽车原型及汽车模具及相关工具。2013年，第一辆“3D打印汽车”Urbee诞生，该汽车的车身、保险杠、仪表盘等零件都是3D打印工艺制造。   图2 LFAM在交通运输领域的应用 LFAM在建筑和建造中的主要应用包括建筑模型、房屋、窗户、家具和装饰物品以及用于场外施工的模具。增材制造综合能源(AMIE)示范项目中使用LFAM制造房屋（图3a）大约 80% 的房屋（包括各个部分）是使用 ABS/CF进行3D打印的，沉积速率为45公斤/小时，该房屋面积为19.5平方米，其建造目的是建造一座节能建筑，减少材料浪费，作为增材制造在建筑行业能力的典范。另外，中国公司青岛独特产品开发有限公司开发了一台大型3D打印机（12×12×12 m），可以用GF增强石墨烯打印整个房屋。   图 3 LFAM 在建筑施工领域的应用  LFAM在能源领域的主要应用之一是风力涡轮机，例如风力涡轮机原型、风力涡轮机叶片、分流器以及机舱盖的开发。2014 年，Abdelrahman…

香港城市大学吕坚院士研究组实现了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷。2023年7月30日，相关研究工作以“4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics”为题发表在国际著名期刊Advanced Materials上。该论文的第一作者是香港城市大学刘果博士，通讯作者是吕坚院士。    陶瓷等高温结构材料的发展因其极高的熔点和构建复杂结构的难度而受到限制。弹性体衍生陶瓷的四维 (4D) 打印在陶瓷的几何灵活性上取得突破。然而，陶瓷 4D 打印系统的应用受限于耗时繁琐的形状转变（变形）和材料转变（变质）独立分步的工艺过程、低精度的4D变形机制/3D结构特征/2D表面质量、及低热性能的SiOC基陶瓷。此外，现有4D打印技术制备的陶瓷材料的形状不能发生变化，而现有形状记忆陶瓷的研究受限于低材料普适性、低几何灵活性、小结构尺寸、及低形状记忆功能灵活性。 为了解决上述诸多难题，该研究提出了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷的新范式，该范式实现了一步式变形变质4D打印陶瓷，兼具高2D/3D/4D精度、高效率、及大尺寸；研发了具有初始/反向、整体/局部多模式形状记忆功能的宏观尺寸形状记忆陶瓷；提升了所打印复杂网格轻质结构SiOC基陶瓷材料的火焰烧蚀性能。该研究有望拓展高温结构材料在航空航天、3C电子、生物医疗、和艺术等领域的应用。 研究基础 2018年8月，香港城市大学吕坚院士研究组全球首创陶瓷4D打印技术(Guo Liu, Yan Zhao, Ge Wu, Jian Lu. Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures, Science Advances. 4, 8, eaat0641, 2018)，该技术结合了3D打印，自变形组装，和弹性体衍生陶瓷（Elastomer-derived ceramics，EDCs），在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度，机械强度，制造成本，和适应复杂环境能力上实现了突破。该工作被欧盟委员会列为《面向未来的100项颠覆性技术创新》中4D打印案例之一，其中100项颠覆性技术绝大部分由欧美团队领先，该研究成果为4D打印技术入选的4个案例中唯一中国具有自主知识产权的工作（P. Warnke et al., 100 Radical Innovaation Breakthroughs for the future, 2019）。该工作获颁国家工业和信息化部的科学技术成果登记证书（登记号：3392019Y0014），其评价报告指出“该技术拥有自主知识产权，陶瓷‘4D’打印概念属国际首创，相关技术具有创新性和超前性，有重要的学术和技术价值”。该工作被《人民日报》(头版)、《参考消息》、New Scientist、美联社等国内外知名媒体广泛报道，入选“2019未来科技智能制造十大事件”。     研究亮点1：4D增减材复合制造陶瓷  受中国传统陶艺启发，利用陶瓷前驱体材料的易加工性，集成了陶瓷4D打印系统与减材制造、异质工程、表面工程等技术，提出了4D增减材复合制造陶瓷的新概念。    突破了先前4D打印陶瓷技术的局限性，探究了基于非接触式激励的一步式变形变质4D打印陶瓷机制。 验证了批量化高速高精4D打印陶瓷的可行性，有望将单个样品的制备控制在一分钟内。 突破了陶瓷打印领域高3D结构精度与大尺寸不可兼得的难题，十厘米级陶瓷最小特征尺寸可达十微米级。   研究亮点2：4D打印大尺寸形状记忆陶瓷 研发了4D打印形状记忆陶瓷技术，实现了整体/局部、初始/反向多模式形状记忆功能，建立了智能化控材控形控性策略。 填补了大尺寸形状记忆陶瓷、4D打印形状记忆陶瓷两项研究国际空白。 通过4D打印全陶瓷叶盘模型验证了高4D变形精度、大尺寸、复杂结构形状记忆陶瓷材料制备的可行性。   研究亮点3：2D/3D/4D前驱体抛光 研发了基于高能束或机械研磨的2D/3D/4D前驱体抛光技术，化陶瓷抛光为前驱体抛光，化曲面抛光为平面抛光，并利用前驱体在陶瓷化过程伴随的收缩效应，改善了3D/4D打印领域普遍存在的台阶效应，为高2D表面质量、复杂形状陶瓷材料的制备提供了新思路。在全陶瓷叶盘模型示范中，通过机械研磨和激光抛光，曲面陶瓷叶片的表面粗糙度分别降低了65%和37%，有助于延长叶片的使用寿命。 研究亮点4：复杂网格轻质结构陶瓷材料热性能 针对SiOC非晶陶瓷材料高温应用受限的痛点，探究了原子层沉积（ALD）技术对3D/4D打印复杂网格轻质结构SiOC基陶瓷材料火焰烧蚀性能的提升作用机制，拓展了复杂结构SiOC基陶瓷材料的高温应用前景。 该工作利用ALD技术在3D/4D打印复杂网格结构SiOC基陶瓷材料的表面制备Al2O3涂层。作用机制分为以下四个方面： 第一：Al2O3为六方致密结构，可有效阻隔外界氧气往基体内部扩散，避免SiOC氧化； 第二：当SiOC用于航空发动机关键构件，会发生水氧腐蚀现象，原理是SiOC会与氧气发生，形成SiO2，而SiO2会与发动机燃料燃烧形成的水蒸气发生反应，形成Si(OH)2挥发物。而Al2O3比SiOC具备更高的耐水氧腐蚀性能； 第三：Al2O3会与SiO2反应形成莫来石（3Al2O3·2SiO2），莫来石具备高熔化温度（1910℃）和低导热系数（≤0.35 W/(m·℃)），可作为热障涂层； 第四：ALD技术可以确保Al2O3涂层在3D/4D打印陶瓷表面的全方位均匀覆盖，在打印结构的外表面和网格内部丝材表面上都均匀形成了富Al2O3层，其对复杂结构SiOC材料的全方位保护是物理气相沉积（PVD）等传统技术很难实现的。  因此，该研究的3D/4D 可打印复杂结构SiOC基陶瓷也表现出异常的高火焰烧蚀性能。Al2O3沉积的纳晶-非晶双相（NCADP）陶瓷网格的火焰烧蚀性能明显高于未受原子层沉积的对应物。在1400 ℃的火焰烧蚀试验（1分钟）中，Al2O3沉积的AlON–SiOC NCADP陶瓷网格表现出的热稳定性，是典型热障涂层（TBC）增强的IN718合金块材的6倍。所制备的陶瓷网格的平均密度为1.2-1.9 g…

近日，牛津大学等著名科研机构联合发文报道钽支架增材制造：加工、微观结构和工艺引起的缺陷。通过激光粉末床熔融工艺成功制备了高密度多孔钽支架，最终微观结构包含等轴、柱状和细晶粒，重点研究了钽激光粉末床熔融过程中工艺诱导缺陷的形成机理，研究表明通过临界参数条件激光粉末床熔融加工的钽具有更多工艺缺陷。相关研究成果发表于中科院一区TOP顶刊《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》。 www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026343682300032X 由于其高强度、高延展性、高耐蚀性和生物相容性，难熔金属被广泛用作制造医疗器械、骨科或承重植入物的生物材料。钽于1802年由瑞典的安德斯·古斯塔夫·埃克伯格首次发现，其作为生物材料的临床应用可以追溯到1940年代。利用板、箔、金属丝和带形式的钽医疗设备来准确地进行神经缝合，修复颅骨缺损，抑制术后粘连并确保止血，而不会对周围组织产生不利影响。 各种体内和体外研究证实了钽植入物优异的骨结合性，优异的生物相容性，高强度和良好的耐腐蚀性。与最常用的手术级生物材料（如Ti-6Al-4V）相比，可以在钽表面显着观察到人骨细胞的粘附，增殖和分化。尽管与目前使用的金属生物材料相比，钽具有出色的生物学性能和众多优势，但其作为生物材料的应用受到限制，特别是由于其高密度和高成本，特别是在制造大型植入物方面。 研究发现通过激光粉末床熔融方法加工固体和多孔钽的研究，但仍有一些关键问题需要深入了解和系统研究。极高的冷却速率加上金属激光粉末床熔融过程中的非平衡凝固导致了各种工艺引起的缺陷。研究人员目前已经揭示了Ti-6Al-4V植入物激光粉末床熔融过程中其他缺陷的形成，包括微凹和微凹。这些缺陷严重降低了金属植入物的机械和生物医学行为。然而目前很少有人关注评估通常在增材制造的固体和多孔钽部件上形成的工艺诱导缺陷的原因、分布、发生和形成机制。因此这项研究主要采用软件设计了钽的实心多孔支架，并采用激光粉末床熔融技术进行制备，对微观组织结构、激光粉末床熔融工艺引起的缺陷进行研究。   图1. 计算机辅助设计晶胞和孔密度各多孔支架。 图2. 激光粉末床熔融制备的固体和多孔钽试样，测量方向和尺寸 。 图3. 光学显微照片比较激光粉末床熔融制备的Ta多孔支架之间的不匹配，指示测量的支柱厚度。 图4. 通过激光粉末床熔融制备的试样设计与平均测量的支柱厚度，指示测量的支柱厚度的误差线。 图5. 激光粉末床熔融制备的多孔钽试样的SEM-EDX光谱（a）钽和氧的多个长峰和短峰，分别含有约99.5%和0.5%（b）99.6%Ta和0.4%（c）元素映射，显示钽和（c）氧的分布。 图6. 激光粉末床熔融制备的S-Ta1试样的FESEM显微照片揭示（a）由部分熔合Ta粉（b）柱状和等轴晶粒脱落，凝固诱导微裂纹和部分熔融Ta粉（c）等轴晶粒（d）细晶粒而导致的各种微凹的微观结构。图7. LPBF在低能量和高能量条件下加工的Ta固体和多孔支架的维氏硬度具有相应的误差线 相关研究结果表明，纯钽的增材制造已被提出以了解多孔支架的微观结构，并评估生物医学应用过程引起的缺陷。得出以下具体结论： 1.成功研究了钽样块和多孔支架的加工性能、微观结构、缺陷的形成机理、微观结构缺陷的类型、几何分布以及尺寸精度。  2.评估了许多不需要的微特征，例如凝固诱导的微孔、孔诱导和凝固诱导的微裂纹，以及部分熔融钽粉末脱落引起的微凹和微凹槽。3.通过边界参数设置加工的固体和多孔钽试样上，工艺引起的缺陷更致密且更普遍。然而通过填充参数条件加工的试样中凝固诱导的微孔占主导地位。  4.通过填充参数设置处理的Ta多孔支架具有最大的显微硬度，而在通过临界参数设置处理的固体Ta中观察到较低的硬度值。  5.为研究Ta在激光粉末床熔融过程中形成的缺陷，生成机理以及孔隙度的体积分布而进行的数值模拟与实验结果吻合。这表明该模型可以预测和合理化过程引起的孔隙率，并深入了解过程改进。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.62页成果下载：ASTM发布由NASA支持的增材制造现场监控技术战略指南 2.面向增材制造控形与控性的多尺度力学设计 3.3D打印，半年连发8篇Science/Nature正刊！ 4.大连理工：激光-电弧混合增材制造超600Mpa高强度铝合金

4D打印结构能够在外界刺激下产生可编程的形状及性能变化，因而在航空航天、软体机器人、生物医疗等领域具有广泛的应用前景。然而，当前的4D打印结构通常无法兼顾大变形能力和力学承载能力，无法实现多功能融合。 液晶弹性体作为一种分子链取向可编程材料，有望产生独立、可承载、可变形的三维结构。然而，现有的液晶弹性体4D打印方法大多只能制造平面结构，限制了其变形设计性和承载能力。3D打印技术参考注意到，西安交通大学的研究团队，提出了一种基于直接墨水书写的4D打印方法，可进行独立式连续纤维增强复合材料3D打印。连续纤维可以在打印过程中支撑独立结构，提高4D打印结构的机械性能和变形能力。相关研究以“Programmable spatial deformation by controllable off-center freestanding 4D printing of continuous fiber reinforced liquid crystal elastomer composites”为题，发表于nature communications，这项研究预计将为创建软机器人、机械超材料和人造肌肉开辟新途径。 具体的说，西安交通大学科研团队利用液晶弹性体的可逆热致伸缩变形能力，结合连续纤维材料的优异力学性能，提出了一种基于连续纤维增强液晶弹性体的直写4D打印方法，液晶弹性体复合材料内部嵌入的连续纤维起到了显著增强力学性能以及实现弯曲变形效果的作用。该打印方法能够通过调控纤维在复合材料丝材内部的偏置位置实现打印结构可控的承载特性及变形形态。打印的液晶复合材料可以承受高达其自身重量2805倍的载荷，并在150 ℃条件下实现0.33 mm-1的弯曲曲率。利用这一工艺制备了具有承载能力以及变形能力的复合材料桁架结构，解决了传统4D打印结构力学承载性能差的难题。该研究第一作者是西安交通大学博士生王清瑞，田小永教授为唯一通讯作者，论文作者还有李涤尘教授、博士生张道康、硕士生周艳丽，西安交通大学为唯一完成单位。 连续纤维增强液晶弹性体复合材料4D打印 4D打印的三角形桁架单元 连续碳纤维具有良好的导电导热性能和极低的热膨胀系数，研究团队利用与其树脂基体的热膨胀系数差异明显，提出了一种基于连续碳纤维的热变形可调谐超表面的设计与4D打印方法，通过连续纤维复合材料手性结构设计，将复合材料和热塑性树脂分区沉积成形，基于理论计算、有限元分析和实验揭示了结构参数对热变形和电磁频率控制的影响规律。所制备超表面结构的最大热膨胀系数测量值达到了1333×10-6K-1，实现了等效热变形前后的超表面对-1dB电磁波透射频段28.1%的偏移，该方法为空间天线结构在轨电磁性能调控提供了一个新思路。 连续纤维复合材料可调谐超表面4D打印 多功能超表面的负/正/近零热膨胀特性设计；NTE超表面在热变形前后对电磁波的调制功能示意图 该研究成果以《4D打印连续纤维热控超表面》（4D printed thermally tunable metasurface with continuous carbon fiber）为题发表在《虚拟与物理原型》（Virtual and Physical Prototyping）上，论文第一作者是西安交通大学博士生康友伟，田小永教授为唯一通讯作者，论文作者还有西安交通大学李涤尘教授、吴玲玲副教授，航天五院西安分院马小飞研究员等。 以上研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、西安交大青年拔尖人才支持计划，以及西安交大分析测试中心的大力支持。研究团队在连续纤维增强复合材料3D/4D打印开展深入研究与应用推广，2020年支撑了我国首次也是国际首次太空3D打印实验，通过创新创业、校企联合，开发连续纤维3D打印工艺装备，推动复合材料增材制造技术的产学研用深度融合发展。 注：本文内容来自西安交大新闻网。欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.西交大卢院士、方学伟团队：钛纤维增强铝基复合材料增材制造技术研究 2.日本高校：借助SLA光固化4D打印高强度凝胶 3.浙大团队利用Raise3D E2为吹塑工件设计低成本4D打印充气结构 4.增材制造与设计迈向智能化过程中的关键挑战