在纯铜中添加镍、钼、钒和铬等金属，能够借助Hall-Petch和Orowan效应提高铜基体的强度。铜铬铌GRCop（GrCop-84和GRCop-42）系列是格伦研究中心专门为火箭发动机的主燃烧室衬里研发的铜合金，由于高导热性和导电性，在全球范围内广泛适用于众多应用。 此前的报道多集中于采用这两种合金制造燃烧室，对于GRCop系铜合金晶格的研究则是首次看到。晶格结构的高表面积、高强度重量比和导热特性使其在各种应用中具有吸引力。由GRCop系合金制成的晶格结构结合了该合金的高强度和导热性，同时通过使用晶格结构最大限度减轻了重量并增加了能量吸收，因此具有广阔的应用空间。而任何新兴材料的结构完整性和机械行为都是设计、制造和材料力学领域的重要研究课题。 3D打印技术参考注意到，美国亚利桑那大学和阿拉巴马大学航空航天与机械工程系的团队研究了3D打印的GRCop-84铜合金晶格结构的力学行为。该研究分析了微观结构、拓扑结构之间的相互作用及其对增材制造的铜铬铌合金(GRCop-84)晶格结构的准静态和动态行为的综合影响。测试的四种拓扑结构是相对密度为30%的八角体桁架、相对密度为20%的菱形十二面体和菱形以及相对密度为15%的十二面体，单元晶胞的尺寸分2mm和4mm两种，使用X射线计算机断层扫描和光学显微镜表征了孔隙率和晶粒结构，对打印态样品进行了准静态和动态应变率测试。 晶格孔隙率量化 对晶格结构打印态和热等静压态（HIP）分别进行X 射线断层扫描，并提出了晶格体积分数、空隙率和孔隙率的概念。晶格体积是指晶格内材料的体积，空隙体积是扫描晶格内空隙的体积。空隙体积比是由总晶格体积归一化的空隙总体积。计算空隙体积比，以量化孔隙率占总晶格体积的百分比。可以观察到，热等静压在降低晶格结构的孔隙率方面是有效的，4mm晶胞尺寸对HIP的响应更大，空隙体积比降低了40%，而2mm晶胞尺寸样品的空隙体积比仅降低了22%。还观察到基于样品的晶胞尺寸的孔隙率变化。具有4mm晶胞的HIP样品的孔隙率降低了57%，2mm晶胞尺寸的样品的孔隙率减少了44%。 本研究中使用的拓扑单元及其尺寸 ct检测孔隙度图 热等静压前后的孔隙率变化 这意味着，孔隙率受晶胞尺寸和热处理的影响，2mm晶胞尺寸的样品不易形成孔隙。对比经过热等静压处理的样品，发现热处理可降低孔隙率，而且4mm单元晶格比2mm单元晶格对热等静压热处理更敏感。 变形机制 剪切带已被认为是结晶金属适应塑性的局部变形机制之一。位错的集体运动或机械孪生经常导致显微剪切带发生。剪切带也可以在结构层面表现出来。据报道，结构剪切带出现在金属泡沫和晶格结构中。晶格结构中结构剪切带的出现是通常与负载下降同时发生，从而导致能量吸收能力的损失。更好地了解触发结构剪切带形成的潜在微观和宏观机制，可能会获得控制它们的必要知识。 3D打印GRCop-84铜合金晶格结构的变形和坍塌机制取决于热处理和晶格的晶胞尺寸。在GRCop-84铜合金晶格结构的压缩测试中观察到两种主要的变形机制。第一种机制是剪切带形成，导致结构中的晶胞以45度角塌陷；第二种机制是逐层塌陷直至致密化。在未接受热等静压的4mm晶胞样品中，剪切带形成导致的失效成为主要变形机制。 准静态加载方向和相机位置 剪切带形成引起的变形 变形的三个阶段，从节点处的应变局部化开始，到致密化结束 不同晶胞尺寸的晶格结构崩溃比较 准静态和动态压缩测试结果表明，变形趋势与相对密度无关。无论拓扑结构和晶胞大小如何，打印态样品在屈服后突然负载下降与结构剪切带形成或局部不稳定导致层突然坍塌一致。具有4mm晶胞的GRCop-84结构在经热等静压后可以在屈服开始时去除剪切带。由2mm晶胞制成的热等静压态结构增加了流动应力，并消除了准静态测试期间的突然负载下降。在动态加载过程中，热等静压带来的微观结构变化并未显著改善相同拓扑结构样品之间的流动应力。 热等静压过程所带来的孔隙率降低是将主要坍塌机制从剪切带变为逐层坍塌的主要因素。准静态和动态测试结果表明热等静压能够改变晶格结构的机械响应，其通过降低孔隙率和释放样品内的残余应力来改变微观结构。由于残余应力的存在，打印态样品表现出更高的屈服点，在10%应变下强度急剧下降，一直持续到晶格结构完全致密化。 END 具有晶格结构的GRCop-84可制造具有更高换热效率的器件，这是由于GRCop-84的高导热性和表面积增加所致，晶格结构的可控固有空间和表面积使它们非常适合热交换器等热应用。除此之外，在如今结构、功能一体化设计的趋势下，研究高功能下的结构性能是不可忽视的重要组成部分。总的来说，这项研究首次看到了采用3D打印制造的GRCop铜合金晶格结构。 论文参考：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102928 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.西工大黄卫东、林鑫教授团队：3D打印Al-Si合金工艺–组织–性能量化关系研究 2.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 3.视频：F357、TC4、IN718，众多先进材料3D打印组件集中布置到太空运输工具 4.新技术使3D打印零件无损检测速度提高6倍，结果更精确

Al-Mg合金因具有比强度高、耐腐蚀性好、可焊性好等特点，能广泛应用于海水设施（船体）、装甲、轨道汽车、储罐等的制造。通过添加Mn和Cr等元素可以改善Al-Mg合金的机械性能。而增材制造技术是以设计数据、建立模型为基础，将不同的材料（粉末、液体、线材或块材）以点-线-面的方式层层累加而成型实体构件的制造方法，根据成型过程中热源的不同又分为电弧增材制造、激光增材制造和电子束增材制造。相较于激光增材制造技术和电子束增材制造技术，电弧增材制造技术具有沉积速率高、生产周期短、熔覆率高、设备成本和生产成本较低、灵活性高、普及性好等优点。不过，在焊接过程中，材料由于受到持续的高热量输入，可能会导致出现飞溅和焊穿等现象。 在此，来自昆明理工大学李璐课题组开发了一种低功率冷金属过渡技术，成功制备了AA 5183合金板材，该方法在很大程度上提高了AA 5183合金的强度和延展性。相关论文以题目为 “Metallurgical and Mechanical Characteristics of an AA5183 Alloy Plate Performed by a Cold Metal Low-Power Additive Manufacturing Technology” 发表在Crystals上，通讯作者杨斌教授。 论文链接. https://doi.org/10.3390/cryst13030422 【研究背景】 增材制造是一种比传统加工方法更有效、更便宜的成型技术。它的创新性为现代制造业提供了新的发展方向。根据能源的不同，金属增材制造技术可分为激光增材制造、电子束增材制造和丝弧增材制造（WAAM）。WAAM可以用于以逐层方式生产金属部件。由于电弧的高热量输入和快速成形速度，电弧被用作制造高度复杂、低成本部件的热源。然而，成形精度差和由大的热输入引起的变形劣化了机械性能，限制了WAAM的工业应用。 而冷金属过渡（CMT）焊接技术具有优异的焊接性能和特性，例如较低的输入热能和高度稳定的电弧。近年来，许多研究探索了WAAM的特性，如成形性，精度，制造合金部件的微观结构和机械性能。CMT技术与普通熔化极惰性气体保护焊和熔化极活性气体保护焊（MIG/MAG）有一定的区别;这些包括焊丝进给运动和熔滴过渡过程的数字协调、低热输入和无飞溅过渡，这些都是CMT的特征。因此，CMT技术是一种先进的气体保护焊接技术，其关键优点是无飞溅过渡。 Al-Mg合金因具有比强度高、耐腐蚀性好、可焊性好等特点，可广泛应用于海水设施（船体）、装甲、轨道汽车、储罐等的制造。在Al-Mg合金中加入Mn、Cr等元素可以提高合金的力学性能。在此背景下，本课题组研究了CMT沉积高强度高延伸率Al-Mg-Mn合金板材，研究了Al-Mg-Mn沉积板材的晶粒分布、元素分布、第二相粒子和第二相以及力学性能。 【研究方法】 该方法的示意图如图1所示。使用TransPlus Synergic 5000冷金属转移焊接机（Fronius Intelligent Equipment Co.Ltd.威尔斯，Austria）和六轴机器人和机器人控制柜（YASKAWA Electric Corporation;日本福冈北九州）。通过CMT构建尺寸为250 mm × 300mm × 110 mm的样品。  图1实验设备和过程的示意图 通过控制焊机的焊接电流来确定所需的熔敷参数。进行了探索性实验，以确定基于铝合金的形成的WAAM的最佳工艺参数。包括3.5m/min的进料速率、110 cm/min的扫描速度、99.99%的氩气保护气体在20 L/min的流速下以及层之间的15 s间隔。在沉积工艺期间，沉积温度控制在120 °C。沉积后，通过使用线切割器从沉积板的上部、中部和下部区域切割样品。然后对样品进行研磨和抛光，然后用0.5%HF溶液蚀刻15秒以揭示微观结构。 【研究内容（1）——微观组织分析及物相分析】 在图2中可以清楚地看到分层结构。图2a、b显示了上部区域中的一系列孔和一些次生相。如图2c、d所示，孔的数量和第二相的尺寸在中间区域中较低。在沉积的Al合金板的底部中存在很少的孔，并且在该区域中第二相呈现颗粒状（图2e、f）。此外，α-Al基体在沉积的Al板的截面上显示出强的树枝状结构（图2e、）  图2沉积5083合金板纵截面的光学显微镜图象。（a、b）上部光学显微镜图像；（c、d）中部光学显微镜图像；（e、f）下部光学显微镜图像。  图3示出了沉积态5183合金板在平行于构建方向的方向上的XRD图谱。根据图谱，确定的物相主要为α-Al。对应于64.5°≤ 2 ≤ 65.5°的衍射光谱的细节证实了这些沉积态样品中存在Al3Mg2相。而且，由于部分Mg元素在Al基体中固溶，Al的晶格常数增大，衍射峰左移。    图3沉积的5183合金板的不同区域的XRD图谱 图4呈现上部（图4a-c）和下部（图4 d-f）区域中次级相的明场TEM图像和SAED图案。基于TEM分析结果，发现颗粒相的组成主要是具有正交结构的Al6Mn，其对应于Cmcm空间群。Al6(Mn、Fe)或Al6(Mn、Fe、Si)的四方和五边形形貌中的Fe和Si原子取代部分Mn原子形成沉淀。  图4第二相的TEM明场像和选区电子衍射( SAED )花样：( a ~ c )上部区域第二相和第二相边界界面的明场像和对应的SAED花样；( d-f )在较低区域。 【研究内容（2）——宏观缺陷及气孔】 由图5可知，层积板上部孔隙的平均面积（MA）最高，达到1005.5 ± 17.2 µm2。中部孔隙的MA为599.8 ± 20.1 µm2，下部最低：25.7 ± 1.5…

6月初，我国科学技术部发布了《科技部关于发布国家重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”等6个重点专项2023年度项目申报指南的通知》，其中“增材制造与激光制造”重点专项围绕“基础理论和前沿技术、核心功能部件、关键技术与装备、典型应用示范”等4个技术方向，按照基础研究、共性关键技术、应用示范三个层面，拟启动41项指南任务，拟国拨经费概算4.31亿元。 无独有偶，3D打印技术参考注意到，美国在2023年的增材制造重点研发计划方面也有重大部署，America Makes参与的就有1810万美元。 一. 使用增材制造保障供应链安全 5月，America Makes（美国国家增材制造创新研究所）和NCDMM（美国国防制造及加工中心）宣布了一个由副国防部长办公室、研究和工程制造技术办公室(OSD)和空军研究实验室(AFRL)出资额达1170万美元的新项目，重点资助使用增材制造技术保障其供应链安全。资助项目如下： 利用增材制造技术展示对铸造和锻造制造业务交付周期、生产率和产量的改进 专题领域1：开发/推广领先（先进）应用，并加快采用3D打印的砂铸造模具/芯。 专题领域2：采用成熟的陶瓷3D打印技术，促进国防应用熔模铸件的快速、低批量生产。 专题领域3：开发和推广相关工具/方案，提高3D打印冷却通道的模具（压铸）寿命。 专题领域4：完善和推广在锻造中添加高磨损层和复杂几何特征的方法。 专题领域5：试验3D打印预成型件的工业化，加快低体积锻造部件的锻造工艺。 专题领域6：发展和推广领先的冷喷喷涂和DED工艺，促进锻造应用中模具修复的采用。 专题领域7：与国防部采办或维持计划相关的铸造和锻造创新3D打印技术。 在关键铸造和锻造生产中，推广弥补零件采购缺口的价值主张 专题领域8：技术-经济分析和制造准备状态评估，弥补关键铸造和锻造生产中的零件供应缺口。 确定和传播战略研发对扩大粉床AM技术的影响 专题领域9：粉末分析技术经济学。 连续纤维增强复合材料的改进 专题领域10：机器人增材制造工艺规划的创新。 NCDMM 和 America Makes 将该项目命名为“通过增材能力和技术经济分析 提高制造生产力”。其目标是展示增材制造技术在铸造和锻造方面的优势，对金属粉末增材制造进行技术经济分析，并解决增材制造零件的采购缺口。该项目还强调机器人增材制造工艺规划的新颖解决方案，同时重点关注连续纤维增强复合材料结构。 二. 关注可持续和质量保证 7月，America Makes又公布了另一项价值640万美元的增材制造技术资助计划，该计划重点关注可持续和质量保证，其中1-6的资助金额为120万美元，第7和第8项共资助520万美元。具体包括： 主题1-通过现场过程监测对内部特征进行尺寸检查的设计 主题2-工艺改进的热操作 主题3-打印过程中传感器校准、表征方法和产生可靠过程数据的操作极限 专题4-将过程监控与资格鉴定现场检查结合使用的框架 专题5-3D打印工艺资格预审 专题6-与该工艺相关的培训 专题7-3D打印可持续性和环境效益分析 专题8-证明操作资格的方法 America Makes 技术总监 Brandon Ribic 表示：“从根本上说，这个机会将有助于加快我们再次召集业内最聪明的人才，从而加快增材制造材料、实践和流程的合格化进程。通过展示可持续实践和质量控制措施的示范和证据，我们可以进一步增强制造业和国内供应链利益相关者的能力，充分发挥增材技术的潜力。” 美国致力于加速开发和部署创新的、成本效益高、节能的3D打印技术，以满足国防及商业需求。这两项资助计划的总金额高达1810万美元，约合1.29亿人民币，而这还只是美国每年资助增材制造技术的其中一部分。从资助的主题可以看出，其主要关注于完善应用环节，与当前中国资助的项目有所区别，有兴趣的读者可以自行查找国内具体的资助项目名单。 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： 1.41个方向！“增材制造与激光制造”2023年度国家重点研发计划专项 2.听专家说 | 核动力、航空、航天3D打印技术应用到哪一步了 3.8月，传统工艺&增材制造：现场碰撞！ 4.调查研究：增材制造，打开批量生产的新阶段

墨尔本理工大学增材制造中心马前教授团队在此前的5月31日于Nature杂志发表了借助3D打印研制出新型钛合金的研究，3D打印技术参考注意到，马前教授团队还于日前在Scripta Materialia上发表了题为“Node-reinforced hollow-strut metal lattice materials for higher strength”的文章。该研究报告了一种设计策略，通过采用节点加固策略可显著提高空心支柱金属点阵的强度。 空心支柱金属晶格材料 空心支柱金属晶格材料是一类新兴的晶格材料，与以往晶格结构不同之处在于其支柱和节点皆为空心，它们共同在晶格结构中形成相互连接的通道网络。在相似的相对密度下，空心支柱金属晶格比实心支柱晶格结构具有更高的结构效率。尽管结构效率高，但这些新型晶格材料的空心节点被发现是薄弱点，通常会导致过早失效。这阻碍了相互连接的空心支柱的固有优势的充分利用。例如，对Ni空心支柱晶格压缩的原位研究表明，变形局限于空心节点，而空心支柱应变最小。 https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115547 显然，这种具有内部通道的晶格结构与其他实心支柱晶格结构在失效模式和机械性能方面有所不同。通常认为加厚节点壁可以用作节点加固策略，但墨尔本理工大学的研究人员认为引入专门设计的亚毫米节点加固方法可能从根本上提高它们的强度和刚度，同时需要考虑采用粉末床激光金属3D打印对空心支柱的可制造性，及如何避免粉末堵塞空心支柱。 为了展示设计理念，研究人员选择了空心支柱简单立方格子来进行节点加固和评估。这是因为简单立方格子拓扑结构的垂直支柱（承重较大）与水平支柱（承重较小）的数量比很高，因此是结构效率最高的晶格结构设计之一。此外，它的节点数量很少，因此通过应用节点加固来增加密度很容易管理。 空心支柱金属晶格节点加固方法 研究人员提出了三种节点加固策略，3D打印技术参考细致观察了其结构特点，其分别为在支柱节点内部垂直交叉加强、节点处管壁内外设置非接触加强筋、节点处沿管壁外侧设置加强筋。加强筋的厚度分为0.89mm和0.36mm两种，为确保节点加固后粉末自由流出，每个中空支柱的内径设计为1.78mm，外径为2.5mm（可见壁厚为0.36mm）。 三种节点加固策略 研究人员设计了未加固空心支柱晶格、采用以上加固策略的晶格以及未加固的实心支柱晶格，采用金属3D打印制造了上述钛合金晶格结构，并使用微焦点计算机断层扫描（µCT）检查。发现，在所有空心支柱晶格中都没有观察到粉末留存，包括那些带有内部节点增强的格子。支柱的内外轮廓均匀对称，目视检查每个格子支柱的外部轮廓也证实了其沿支柱轴线的均匀横截面。每个结构的的设计值与测量值之间的差异小于2.5%，确认设计与制造的一致性。 µCT对晶格结构的检查 对三组晶格的压缩应力-应变测试发现，每个晶格在峰值应力后强度急剧下降，这是因为该类晶格的屈服强度和弹性模量的解析解遵循相关模型。与未加固的晶格相比，所提出的节点加固设计，尤其是第一种，屈服强度和杨氏模量大幅增加。平均而言，该加固方式的晶格结构屈服强度增加了122%，密度增加了24%；第二种加固方式的晶格结构屈服强度增加了114%，密度增加了17%；；第三种加固方式的晶格结构屈服强度增加了101%，密度增加了18%。 不同情况下，Ti6Al4V简单立方晶格的压缩应力-应变曲线 实际的测试表明，所设计的三种节点加固空心支柱晶格结构的峰值应力分别超过现有实心支柱格子的峰值应力42%、31%和35%，表明他们卓越的结构效率。这一观察表明，这些加固的空心节点在单轴压缩下的行为类似于实心节点，因此可以利用空心支柱的固有结构效率。它突出了使用节点增强的空心支柱晶格代替实心支柱晶格的潜力。 基于Gibson-Ashby模型的相对屈服强度与相对密度和相对弹性模量与相对密度的双对数图 对比Ti6Al4V、SS316L、CoCr、Inconel 625和AlSi10Mg发现，节点增强的空心支柱晶格都位于经验上限之上，表明金属晶格具有以前无法实现的不寻常的结构效率。并且，无论晶胞如何拓扑，节点增强的空心支柱晶格始终优于未增强的空心支柱晶格和等效相对密度的现有实心支柱晶格。  失效模式与增强效果 研究人员以7×7×7mm的晶格结构探究节点增强和未增强的空心支柱晶格结构的失效模式，该尺寸的结构满足代表连续体机械响应的要求。当节点区域达到屈服阶段时，未增强的空心支柱晶格最初观察到节点椭圆化，然后随着施加的载荷的进一步增加而局部坍塌。 随着结构开始屈服，内部节点加固策略观察到节点椭圆化显著减少。达到峰值应力后，两个格子都观察到在支柱和节点之间的交叉点处发生塑性铰接，导致单层宽剪切。这种失效模式对于实心支柱晶格很常见，因为缺少倾斜支柱来抵抗横向应变。这一观察进一步证实，这些加固的空心节点的行为类似于实心节点。 外部节点加固设计表现出明显的失效模式，到达屈服阶段后，节点以类似于未加固节点的方式椭圆化。然后，剪切诱导的节点断裂沿着整个晶格的45°对角线发生（不再局限于单层），这些节点处的塑性铰接可忽略不计。这是另一种常见的晶格失效模式，比单层失效模式更具灾难性。 压缩失效模拟 为了定性了解单轴压缩下节点增强的结构效率，使用晶格节点的实体连续体模型实施了各向同性线弹性FEM模拟，发现节点增强的局部屈服阻力比未增强时高约50%。没有节点加固，应力集中直接发生在薄节点壁的内外表面上。相比之下，对于内部和内- 外节点加固，应力集中在互连支撑区域中发生的程度要低得多，并且施加到节点壁上的应力要小得多，这种应力分布允许这些内部支撑的晶格中的节点区域抵抗整个晶格结构的过早椭圆化和断裂，以承受更大的整体变形。 在研究的三种节点加固策略中，在每个空心节点内放置两个连续的加强板相当于引入两个承重垂直支柱。这有效地增加了节点横截面积，从而降低了施加到节点的峰值应力。相比之下，虽然沿Z轴在每个空心节点外部放置四个连续的加强板也可以成功降低施加在节点上的峰值应力，内部空心节点空间保持完好，但每个外部加强筋与空心节点内壁之间的四个连接区域成为应力集中区域（如图所示的两个垂直相对的红色区域）。因此，内部节点加固策略是最理想的选择，但该策略需要使用足够宽的中空通道以避免粉末阻塞。考虑到所有这些因素，内-外部节点加固策略似乎是一种有吸引力的折衷方案，其同时具有均匀的应力分布。 END 总之，采用LPBF工艺打印了具有三种节点增强策略（内部、外部、内部-外部）的空心支柱Ti6Al4V立方晶格，其中没有粉末存留并进行了评估。与未增强的空心支柱格子相比，这些节点加固策略将屈服强度、弹性模量显著提高，密度也适度增加。无论晶胞结构如何拓扑，这些节点增强的空心支柱晶格的相对屈服强度始终位于经验模型上限之上。此外，它们的峰值应力比密度相似的实心支柱立方晶格的峰值应力高出42%，表明它们具有出色的结构效率。内部节点加固策略产生了最佳的机械性能，但为避免粉末堵塞，该策略需要使用足够宽的中空通道。在这方面，内部-外部节点加固策略提供了一个有吸引力的选择。 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.Nature最新：超越TC4，3D打印获得更高强韧性钛-氧-铁合金 2.新技术极大提高金属3D打印晶格「结构完整性」检测的准确性 3.尺寸达1.3米，铂力特BLT-S1000 3D打印铝合金蒙皮点阵结构 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

陶瓷增材制造技术具有材料利用率高、生产周期短、成型精度高、表面质量好等优点，可实现形状复杂的单件、小批量陶瓷零件的定制化生产。然而，由于陶瓷的固有特性和增材制造工艺的特点，成型件存在气孔、裂纹等典型成型缺陷。 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。根据是否需要进行后处理，陶瓷增材制造技术可分为间接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。 对于间接成形方法，裂纹缺陷主要是在后续的高温脱脂和烧结过程中产生的。在高温脱脂过程中，生坯发生剧烈的体积收缩，进而在烧结件表面或内部产生裂纹缺陷。对于直接成形方法，在陶瓷粉末与高能量密度激光束的强相互作用下，陶瓷粉末在极短时间内经历高温熔化和冷却凝固过程，由此产生的高温梯度和冷却速率导致复杂的相变和微观结构变化。此外，这个过程不可避免的会产生热应力、收缩应力和内应力。在这些应力的耦合作用下形成不均匀的应力场，容易在样品表面或内部产生不同的微观和宏观裂纹缺陷。 1. 间接陶瓷增材制造裂纹的形态特征 根据裂纹形成阶段，间接陶瓷增材制造中的裂纹缺陷分为成型裂纹和烧结裂纹。成型裂纹主要是由于生坯成型阶段收缩应力超过聚合物结合强度造成的，形貌表现为水平和十字形裂纹，尺寸为纳米到微米量级。烧结裂纹出现在高温热处理阶段，裂缝开口大，方向性不明显，横向、纵向和斜向裂纹在烧结件表面交联分布，严重影响陶瓷件的力学性能。 间接陶瓷增材制造中的裂纹：(a) 形成裂纹；(b) 烧结裂纹 间接陶瓷增材制造烧结前后对比 根据裂纹的形态特征，间接陶瓷增材制造裂纹缺陷可分为微裂纹和宏观裂纹。微裂纹主要分布在晶界或孔隙周围，形貌表现为晶界和孔隙裂纹，晶界裂纹以沿晶开裂为主。另外，在裂纹扩展的作用下，裂纹扩展过程中可能发生能量、一定角度的偏转、分叉或与其他微裂纹桥接。在过大的裂纹扩展能作用下，晶粒被部分微裂纹直接穿透，形成穿晶裂纹。孔隙裂纹起源于孔隙周围较大的应力集中，在孔隙周围无序分布。 2. 直接陶瓷增材制造裂纹的形态特征 根据裂纹扩展方向，宏观裂纹可分为横向裂纹和纵向裂纹。粉末床式直接陶瓷增材制造中的裂纹主要起源于沉积层与未熔化粉末的交汇处，并延伸至沉积层的中心区域，形态以横向和纵向裂纹为主，局部有少量斜向裂纹。横向裂纹垂直于激光扫描方向，纵向裂纹平行于激光扫描方向，横向和纵向裂纹交联并继续扩展形成斜向裂纹。 直接陶瓷增材制造中的裂纹：(a-c)微裂纹；(d-e) 宏观裂缝 采用激光直接制造的三元共晶陶瓷 在多通道单层沉积实验中，相邻扫描线相交处容易出现纵向长裂纹。送粉式直接陶瓷增材制造的宏观裂纹主要集中在熔覆部位的两侧和中间区域。纵向裂纹主要起源于沉积层与基体的交界处，并沿沉积方向扩展。横向裂纹起源于沉积物两侧区域的边缘，并沿激光扫描方向传播，集中在沉积物高度中部以下的区域。中间裂隙短而密，集中在沉积部位的中部区域，呈以主裂隙为主的纵向裂隙。熔覆部位两侧裂纹数量较少，裂纹扩展深度大，主要包括纵裂纹和横裂纹。 3. 陶瓷增材制造工业化应用面临的挑战 目前的陶瓷技术已经取得了一些突破和进步。然而，大尺寸无裂纹陶瓷零件的制备和工业化应用仍面临诸多挑战，主要集中在以下几个方面： (1)目前建立的开裂判据主要是基于残余应力的经验模型，可以在一定程度上反映热物理参数、激光功率密度、最大成型尺寸对裂纹萌生的影响，但仍存在一定的局限性。从能量的角度为多组分材料和不同的技术建立一个通用的开裂准则是一个巨大的挑战。需要综合考虑微观晶界界面能、晶内原子键合能和孔隙表面自由能，建立统一的开裂判据。 (2)陶瓷增材制造过程中裂纹的时空演化过程难以通过实验和理论方法获得和确定，如何利用多尺度数值模拟方法（如晶体塑性模型有限元法、相场法、边界元法等）准确模拟多物理场耦合下陶瓷增材制造工艺的裂纹萌生位置和扩展路径面临挑战。 光固化3D打印制造的陶瓷 (3)在直接陶瓷增材制造工艺中无法避免因温度梯度过大而导致的热应力。以往的研究多采用高温预热或超声振动等单场辅助方法来降低成形热应力，抑制裂纹的萌生和扩展，具有一定的局限性。多能场耦合辅助沉积技术的发展，如辅助预热场、超声振动、压力场等能量场的耦合，可为大尺寸陶瓷件制备提供更好的裂纹抑制效果。 (4)过程监控与人工智能的结合，利用X射线CT扫描、激光红外热成像等缺陷监测技术，可以原位、无损、直观地动态跟踪陶瓷增材制造沉积过程中裂纹缺陷的特征和演化过程，并进行定量统计分析。此外，利用机器学习和数字孪生等人工智能技术，对陶瓷增材制造中监测到的成形缺陷进行特征提取，建立裂纹缺陷预测的多维特征数据库。此外，利用多传感器和多信号融合技术，执行裂纹缺陷的主动反馈机制，动态优化工艺参数或材料成分，从而实现裂纹的动态抑制。 END 陶瓷增材制造技术已成为制造先进陶瓷的主要途径，但裂纹缺陷已成为限制其应用的主要障碍，也成为该技术最重要的研究方向和需要解决的关键问题。本文内容主要阐述了陶瓷增材制造裂纹的主要形态特征，但陶瓷的间接与直接增材制造裂纹的形成机制存在显著差异，探究裂纹形成机理有助于揭示裂纹的起源和扩展规律，是制备无裂纹陶瓷结构件的关键。  推荐文献：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，转载请联系授权。 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.工艺总结：直接与间接陶瓷3D打印工艺种类及特点 2.瑞士高校开发出复杂陶瓷混合增材制造工艺 3.江南大学重磅研究：3D打印无支撑、多尺度、大跨度复杂结构陶瓷 4.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持

航空航天高性能构件多服役于极端严苛环境中，要求材料具有超强承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等特性，对合金材料、结构、工艺和性能等提出了严峻挑战。铸造、定向凝固等传统凝固技术具有较低的温度梯度和冷却速率，制备的合金组织较为粗大且偏析严重，严重制约强度的提升。此外，制备复杂构件时，工艺复杂、成本较高，对模壳的依赖度大。面向航空航天构件的复杂性和高性能，迫切需要发展新的工艺技术途径实现最终性能调控及复杂结构一体化净成形。 与传统制造方法相比，激光增材制造突破了复杂异形构件的技术瓶颈，能够实现微观组织与宏观结构的控形控性，为高性能金属构件的低成本、短周期、净成形制造提供了一体化解决方案。选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是制备高性能金属材料的主流激光增材制造技术之一，利用高能激光熔化粉末薄层，基于粉床逐层精细铺粉、激光逐层熔凝堆积的方式，快速实现任意复杂形状的高致密度金属构件成形。 共晶高熵合金作为一种新型金属结构材料，以其独特的多主元特性、自生复合结构和优良的力学性能吸引了人们的广泛关注，并取得迅猛发展。近年来，高熵合金设计理论的创新发展及微量元素增强颗粒的添加为性能调控提供了更多可能。研究发现，在高熵合金或共晶高熵合金中掺杂增强颗粒，基体晶粒得到一定程度的细化，并且增强颗粒弥散分布能够阻碍位错运动，其强度通常得到大幅度的提升。但是对于选区激光熔化成形共晶高熵合金复合材料的激光成形性、缺陷控制机理等尚不清楚，需要进一步研究。 图 1 选区激光熔化制备SiC颗粒掺杂AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金晶粒特征，室温性能及裂纹机制   近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了一种激光粉末床熔融制备新型SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料新方法。室温拉伸测试结果表明，该复合材料的极限抗拉强度约为1.5GPa，延伸率为9%，处于目前采用激光增材制造工艺制备先进金属材料性能的领先水平。但是，在较大尺寸的复合材料构件中会出现严重的宏观横向和纵向裂纹，以及少量微裂纹。分析表明，凝固微裂纹的形成与碳和氧化物颗粒的聚集有关；由于长柱状晶的补液能力有限以及凝固收缩的作用，微裂纹在凝固最后阶段形成。宏观裂纹的形成是由试样边缘的拉应力积累引起的，微裂纹和孔隙所在的应力集中区是主要的扩展位置。相关工作以题为“Cracking behavior of newly-developed high strength eutectic high entropy alloy matrix composites manufactured by laser powder bed fusion”的研究论文发表在Journal of Materials Science & Technology。 将气雾化制备的球形AlCoCrFeNi2.1 EHEA粉末与喷雾造粒制备的球形SiC陶瓷粉末通过行星球磨机混合均匀，放置烘箱中干燥，得到选区激光熔化粉末原料。确定铺粉层厚和扫描间距，对激光功率和扫描速率参数进行工艺优化，最终确定最佳工艺参数窗口为激光功率300W，扫描速率700mm/s, 铺粉层厚50µm和扫描间距75µm。 在最优工艺参数下对复合材料样品的微观组织和晶粒特征进行观察，并进一步成形了大尺寸样件(50mm×9mm×10mm)，但在打印成形后在样件表面观察到了明显的裂纹缺陷，因此利用SEM和EBSD测试对开裂现象进行了深入分析。  图2 粉末原料的形貌及粒径分布图: (a-a1) AlCoCrFeNi2.1EHEA粉末; (b-b1) SiC粉末; (c-c1) 球磨混合获得的复合粉末  图3 选区激光熔化新型EHEA复合材料的XRD结果(a-a1)及微观组织形貌(c1-c4)。  图4 自沉积复合样品的OM图像显示宏观纵向裂纹  图5 工程应力-应变曲线：复合试样的真实塑性应变图;(b)本研究复合试样(红色)的室温力学性能,以及此前由Lpbf工艺打印的复合试样的室温力学性能 观察到沉积态样品的宏观裂纹呈现两种扩展特征，从顶部中心区域开裂的纵向裂纹和从试样侧面底部区域开裂的横向裂纹。裂纹穿过熔池边界，其两侧表面形状几乎一一对应，呈现典型的冷裂纹特征。此外，SEM-EDX结果表明，裂纹扩展局部区域存在不规则形状的C颗粒和球形预合金粉末。颗粒的尖角和粉末凹凸不平的外表面容易产生应力积累，引起裂纹的扩展。通过进一步的组织观察，试样中还存在少量微裂纹，且微裂纹的存在与不规则氧化物和C颗粒的聚集有关。 根据EBSD结果，裂纹倾向于沿取向偏差值大的长柱状晶发展，裂纹扩展方向的变化通常发生在熔池边界处；在细等轴晶区域，裂纹呈锯齿状扩展；与裂纹愈合有关的晶粒彼此之间呈小的取向偏差值。裂纹附近的KAM分布图表示，裂纹主要在应力集中区域传播。 图6 开裂机制示意图: (a) 凝固裂纹形成倾向; (b) 冷裂纹形成倾向 分析结果表明，严重的宏观横向和纵向裂纹是凝固裂纹和冷裂纹共同作用的结果。凝固过程中，氧化物及碳颗粒优先形核，而后基体形核；凝固后期，大柱状晶呈现一个狭长的补缩通道，熔体中不规则颗粒的存在增加了熔体的粘度，不利于熔体补缩，微裂纹形成。在试样成形过程中，由于激光成形快冷快热的特性，试样承受较大反复循环热应力，成形结束后，试样顶端中心区域及底部边缘区域承受显著的拉应力；由于大量孔隙在试样边缘区域堆积，降低边缘强度，当边缘变形量过大，宏观裂纹产生；裂纹从试样边缘开始，沿微裂纹、大角晶界等应力集中区域扩展。 总的来说，本文探究了利用选区激光熔化制备SiC陶瓷颗粒增强共晶高熵合金复合材料的可行性，重点分析了大尺寸样品的开裂机制，通过室温拉伸性能测试验证了其作为高性能结构材料的潜力。这些发现将为高熵合金复合材料的设计提供理论及技术基础，使得具有高性能优异成形性的新型高熵合金材料得到快速发展，从而加速推动高熵合金的工程化应用。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.003注：本文内容由研究团队供稿，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.西工大：SLM激光直接3D打印陶瓷裂纹形成机制研究 2.西工大黄卫东教授团队：3D打印稀土金属氧化物增强镍基高温合金 3.工艺总结：直接与间接陶瓷3D打印工艺种类及特点 4.项目征集 | 第二届3D打印风投大会启幕在即，欢迎投递BP！

陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的化学稳定性，在机械、化工、电子、航空航天、生物医学等工业领域得到广泛应用。传统的陶瓷加工技术，包括注射成型、干压成型、凝胶注射成型等，对模具的依赖性很强，无法满足集成化、复杂化、精密化陶瓷产品快速制造的要求。增材制造技术基于离散堆叠原理，根据预先设计的三维实体模型，将一系列离散材料按预定轨迹逐层堆叠，从而制造出物理零件。与传统的陶瓷加工技术相比，陶瓷增材制造技术打破了传统陶瓷加工过度依赖模具的局限，无需模具即可快速生产出完全个性化的陶瓷产品，结构设计自由度高，并被认为是构成工业4.0的众多颠覆性技术之一。 根据是否需要进行后处理，陶瓷增材制造技术可分为间接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。本文内容，3D打印技术参考重点介绍这些技术的成形特点。 一. 陶瓷间接增材制造技术 陶瓷间接增材制造也称为“多步”成型方法。第一道工序是通过光固化、激光烧结、粘结剂喷射、材料喷射和挤出制备无模具的陶瓷生坯，主要的工艺类型包括SLA、DLP、TPP、SLS、Binder Jetting、NPJ、FDM/PEP等；第二道工序是对陶瓷生坯进行高温脱脂和烧结，从而实现陶瓷部件的高致密化。该方法按原料形态大体可分为浆料、粉末、粒料以及丝材。 1. 激光烧结 激光烧结与光固化在成型机理上存在巨大差异，SLS技术需要利用低熔点的高分子粉末作为粘结剂将粉末连接在一起，导致脱脂后生坯致密化程度低。因此，在后处理过程中，压力渗透、温等静压和冷等静压通常用于实现SLS陶瓷部件的高致密化。此外，在脱脂和烧结过程中，SLS工艺制备的陶瓷坯体容易因高温热收缩而产生开裂缺陷。   激光烧结3D打印的SiC（薄壁结构的厚度为 1 mm） 2.光固化 光固化技术的优点是能够制备出均匀性高、内应力低、精度高的陶瓷生坯件。但对于光固化工艺，浆料由陶瓷颗粒、光敏树脂和光活性组分组成，光活性组分包括光引发剂、惰性染料和抑制剂，光引发剂吸收特定波长的光子后，会发生浆料中感光材料的聚合。对于该工艺，浆料中粉末的反射率会限制可加工的陶瓷种类。另外，陶瓷浆料是一种悬浮物，可能会造成打印层间的颗粒偏析，严重影响烧结件的致密度和机械性能。在SLS技术中，可以避免制备浆料的繁琐过程，提高了陶瓷坯体的成型效率。然而，SLS技术的低分辨率导致成型零件的精度差和密度低。 3. 粘结剂喷射 粘结剂喷射是一种基于喷墨技术的增材制造技术，也是基于粉末床的3D打印技术。该技术首先在打印平台床上铺设0.05～0.2mm层厚的粉末，然后选择性的在特定区域喷射粘结剂实现模型截面图案的固化。在通过层层叠加得到陶瓷坯体后，需要取出打印模型进行脱脂和烧结最终得到致密化的陶瓷零件。该工艺可以高效且批量打印具有复杂形状的陶瓷产品。国内的知名品牌有广东峰华卓立等，国外则有Exone（Desktop Metal），这些公司经过多年的探索与研究，均成功开发了基于粘结剂喷射技术的陶瓷3D打印装备、粘结剂以及脱脂烧结等后处理技术。然而，该技术但仍存在一些技术和工业应用方面的挑战，如粘结剂的种类（有机或无机）、粘度、喷射量、表面张力、干燥时间等参数会对陶瓷零件的形成质量、强度和后续烧结过程均会造成影响。   粘结剂喷射3D打印的 SiC 组件 4. 材料喷射 材料喷射技术是将包裹有纳米陶瓷粉（金属粉）或支撑粒子的液体装入打印机并喷射在建造平台上，通过高温使液体蒸发留下实体部分，最后通过低温烧结完成成型的技术。该工艺具有极高的技术难度，根据3D打印技术参考的观察，发展多年当前仍只有以色列XJET公司实现了该工艺的商业化。这种直接喷射陶瓷或金属纳米颗粒的方法，能够实现极高的细节和精度表现力，而其关键在于纳米颗粒在油墨中的分散以及喷射工艺。与其他工艺相比，它的高成本缺点也非常显著。 5. 挤出制造挤出工艺实际上也可以分的更为细致，如采用陶瓷线材的挤出、基于混合粒料的挤出以及陶瓷粉料的沉积。 陶瓷线材挤出工艺较为容易理解，它是将由陶瓷和高分子聚合物制造的线材通过FDM/FFF设备挤出制造生坯，3D打印技术参考注意到，国内Raise3D Pro2 3D打印机已经可以实现陶瓷线材的稳定打印。 基于混合粒料，国内升华三维开发了相应的解决方案。根据陶瓷粉体的物性（粒径分布、形貌、比表面积等）和产品的性能要求，选择合适的粘结剂配方体系（水基、塑基、蜡基等）进行适配，通过密炼机充分混合密炼高分子粘结剂与陶瓷粉末，最后通过造粒机制备得到粒径可控的颗粒料材料。然后借助3D打印机系统将颗粒料加热成熔融膏状，再挤压并逐层堆积成形，可得到高精度并具有一定密度和强度的生坯。 基于粉末沉积，国外一家名为Grid Logic的公司开发了一种独特的基于粉末的3D打印，其没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。打印机可配备多种粉末，其中一种充当支撑，打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。 根据该过程的特点可以理解，相比光固化和激光烧结，挤出技术在制造效率上可能存在不足。 二. 陶瓷直接增材制造技术 陶瓷直接增材制造技术通过高能量密度激光束直接熔化陶瓷粉末，可实现陶瓷零件成型与烧结一体化，按送粉形式可分为铺粉式（SLM）和送粉式（LENS/DED）。该方法可用于制造氧化物共晶陶瓷，3D打印技术参考查询到，西北工业大学苏海军教授团队在长期开展超高温氧化物共晶陶瓷定向凝固成形研究的基础上，针对共晶陶瓷领域发展面临的瓶颈并结合金属激光增材制造技术原理，率先提出将激光增材制造技术应用到超高温氧化物共晶陶瓷制备上的设想，并初步证实了该设想的可行性。 评判特定成形技术是否适用于加工某类材料的关键标准是该技术能否按照预设的方案顺利、高质量地完成对目标材料样件的制备。目前，激光增材制造技术难以制备大尺寸、复杂形状的氧化物共晶陶瓷样件，难点主要集中在两方面:  原材料粉末特性及凝固缺陷控制。 佳能使用选择性激光熔化3D打印的氧化铝陶瓷 激光增材制造技术以粉末作为原材料，粉末特性直接影响加工过程的稳定性及沉积试样的成形质量。为保证原材料供给及熔凝过程的均匀稳定，粉末颗粒要具有良好的流动性以及高的致密性。为此, 金属增材制造领域开发了气雾化等技术来制备高质量球形金属粉末，目前已实现了产业化应用。雾化技术的原理是利用高压气流等外力将连续金属熔体破碎成细小的液滴，经快速冷凝后获得球形粉末。球形形貌保证了粉末的流动性，液固相变保证了所得粉末的致密性。  与金属增材制造相比，陶瓷材料激光增材制造研究起步相对较晚，目前尚未有成熟的满足激光增材制造的高质量球形陶瓷粉末制备工艺。此外，陶瓷材料熔点高、熔体粘度大的特点为开发基于液固相变的陶瓷形貌改性工艺带来了极大的挑战。 独立控制各陶瓷组元输送的LDED成形工艺 需要指出的是，激光增材制造是一个局部急热骤冷且逐点快速循环往复扫描的过程，在基板及已沉积层内形成复杂分布的温度场，进而产生大的热应力。高的热应力是激光增材制造技术的一个显著特征，如何调控热应力是提升激光增材制造陶瓷材料成形质量和降低缺陷的关键。对于脆性陶瓷材料而言，试样中存在的应力极易诱发裂纹甚至造成试样开裂，导致成形失败。此外，原材料粉末中包含的空气极易在快速熔凝过程中诱发气孔缺陷。气孔不仅会影响逐层制备过程中熔池的稳定性，而且易导致成形试样的性能恶化。因此，控制裂纹、气孔等凝固缺陷是影响激光增材制造氧化物共晶陶瓷成形及成性的关键所在，是本领域当前研究的重点和难点。 END 陶瓷材料增材制造已成为先进陶瓷制造领域最具发展潜力的重要方向。本文，3D打印技术参考主要介绍了当前的陶瓷增材制造工艺类型及其制造特点。与其他材料增材制造应用相比，陶瓷发展相对缓慢。但研究公司IDTechEx发布的一份关于陶瓷增材制造市场的新报告，其市场规模将显著增长，这得益于越来越多的参与者寄希望于这项技术。 注：本文内容由3D打印技术参考整理，未经单独授权，谢绝转载。 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.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 2.报名 | Formnext深圳增材制造展，超300企业+1.5万名观众+80场论坛 3.江南大学重磅研究：3D打印无支撑、多尺度、大跨度复杂结构陶瓷 4.金属+陶瓷 | 一种基于烧结，可实现多材料3D打印一体成形的方法

双金属结构正在成为当前金属3D打印研究的热点方向，结合了两种甚至多种不同材料性能的结构，可以同时满足应用中对几种性能的需求，如高强度-高耐腐蚀性、高强度-高导热性。当前研究中常见到的双金属结构通常具有明显的材料区域划分，如通过上下区分或通过内外区分，材料界面规律且单一。本期3D打印技术参考要介绍的这种双金属结构借鉴了当前骨骼和木材的结构特征，其具有仿生多维界面，3D打印的材料整体强度因此大幅提高。 金属3D打印双金属互锁结构  通过观察自然结构以实现仿生设计已成为科学界进一步扩展材料性能的重要意识，这是因为自然结构的复杂性是许多现代工程设计的基础，科学思想和技术进步不断对自然机制有了更深入的了解。对自然设计原则的认识和识别必然会扩展产品性能和功能。自然界中普遍存在多材料结构，负责机械性能的材料变化的排列很少沿着单个平面，更常见的是轴向变化，内层被外层包围，材料的每个区域都为整体功能提供了独特的性能，研究人员在骨骼和木材中都发现了这种规律。在木材解剖中，这种关系很容易在横纹切割暴露的同心环中识别出来，从外部的活韧皮部到最内部的心材，每个区域都对树木的整体生存起着至关重要的作用，区域之间的相互作用部分负责灵活但坚固的结构。这种多材料排列带来的性能提升引起了科学界的关注，人们试图通过越来越具有挑战性的仿生设计来模仿这些提升。例如，在构建骨骼金属植入物时，对整体多孔结构的开发仍然有很多不足之处，从设计的角度来看，只有将这些方法与组合变化相结合，才能继续取得进展。 天然多材料结构（如骨骼）表现出成分结构的变化：这种变化不是沿着单个平面观察到的，而是体现在复杂的结构和材料布置中，这些特点在很大程度上决定了机械性能和独特的功能特性；木材解剖结构中存在环形结构变化，这些同心环通常具有交叉纹理，每个区域都发挥着对树的整体生存至关重要的功能，区域之间的相互作用在一定程度上负责结构的灵活运动和强度 华盛顿州立大学的研究人员以此为启发，开发了一种特殊的具有双喷嘴的电弧能量沉积系统，能够通过同时或顺序沉积创建径向双金属复合界面。他们以308 L不锈钢和低碳钢作为双金属对，样品结构设计为三种不同配置：实心308 L不锈钢、实心低碳钢和径向双金属，后者由低碳钢外壳包围的不锈钢中心芯组成。对打印的结构进行了准静态压缩测试，分析微观结构和相，并测量了硬度值；讨论了在单层上双重沉积不同金属的工艺复杂性，包括增加的沉积热输入、加剧的层高问题、界面力学以及沉积路径规划的作用。这些工艺输入对界面形成、微观结构和机械性能的影响是这项工作的关键，并形成了多维径向双金属电弧增材制造的基础理论。 具有径向变化的双金属DED电弧的工艺顺序流程图。使用软件执行沉积路径规划，首先沉积低碳钢外壳，在中空凹陷周围形成圆形珠。308L不锈钢沉积到该空心中，并且重复该过程，将每一层堆叠在前一层之上，直到达到完整的构建高度；最后对沉积样品进行加工获得所需的最终尺寸 a.沉积态径向双金属结构排列、后续铣削过程的材料去除边界以及用于提供微观结构分析的切割平面位置；b.抛光横截面图像显示了构建方向以及核心中不锈钢材料楔形突出进入低碳钢外壳的互锁之字形图案   硬度和XRD分析  试验前的低碳钢整体压缩：b.试验后的低碳钢整体压缩试样；c.低碳钢试样向外塑性变形的曲率半径；d.试验前308L不锈钢整体压缩试样；e测试后的308L不锈钢整体压缩试样；f .308L不锈钢试样向外塑性变形的曲率半径；g.试验前的径向双金属压缩试样；h.试验后径向双金属压缩试样；i.径向双金属试样向外塑性变形的曲率半径；j.具有径向双金属变化和穿过不锈钢芯中心的钻孔释放通道的样本；k.测试后对径向双金属样品进行钻孔   整体式和双金属试样的平均抗压测试结果比较 硬度测试的结果3D打印技术参考不做具体描述，具体可以从测试图中查看。压缩载荷引起的变形在不锈钢和低碳钢对照样本中最为显著，但在双金属样本中明显受到限制。所有样本都显示出核心和套管之间界面处的严重缺陷，即使在压缩后，这些缺陷仍然以空隙或裂纹的形式存在，尽管一些区域在材料的互锁楔形之间的界面处完全融合。低碳钢对照样品的平均抗压强度为370MPa，不锈钢对照样品的平均抗压强度为346MPa，径向双金属样品的平均抗压强度为493MPa。观察到的径向双金属样本的抗压强度比低碳钢对照增加了33%，比不锈钢对照增加了42%。 潜在应用  双金属增材制造的预紧概念对未来的增材设计策略具有重大影响，通过径向变化逐层创建强化关系的能力无疑将引起各种应用的关注。立即想到的是冷缩配合，其中依靠不同部件之间的高径向压力来减少相对运动或传递扭矩。同时制造曲轴、铁路车轮、带、涡轮盘和机床是其他潜在的应用。大型航天器可能包括增材制造的结构部件，能够跨越很长的距离，并带有压缩整个结构的中央预张紧材料芯。 双金属电弧沉积系统 考虑到此类应用，进一步的研究必须解决一些挑战。例如，两种不同材料的物理排列及其在最终构建中的相互作用表明沉积路径规划和排序的重要性。材料成分的急剧变化和互锁楔块尖端的应力集中也可能会促进高周疲劳使用情况下的失效，并且异种双金属偶被证明容易受到腐蚀。 END 这项工作的主要目标之一是探索多维双金属电弧增材制造多金属结构的潜在优势，并引入具有复杂界面的结构可能性。在Z轴构建方向上连续重复单个水平面内的径向双金属变化，以使界面在整个金属样本中永久存在。值得注意的是，双金属对的沉积和冷却几乎同时发生，当金属在环形布置中一起冷却时，所产生的金属之间的相互作用会促进环向应力，这与线性沉积完全不协调。这种物理安排，由此生产的双金属样品的特点是具有复杂的界面，该界面表现出冶金结合和机械互锁。机械测试和微观结构分析证实了生产径向变化双金属增材结构的可行性，这种新的结构设计理念或对更多应用产生启发。 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.In625-铝青铜│双金属火箭喷嘴3D打印制造及热火测试过程 2.3D打印铝和铜双金属一体结构，不需要高能热源 3.SLM-可进行多金属3D打印的材料体系，制造潜力、难点与要点 4.SLM-3D打印一体化多金属材料散热器，揭示未来应用潜力

增材制造技术是具有广泛应用前景的变革型技术，是先进制造的重要发展方向和智能制造的主要组成部分。随着近十年的高速发展，该技术已逐步从产品样机快速成型技术转变为满足工业标准的生产手段。然而，当前增材制造及其设计中决策过程仍然面临少信息、不确定、多变量等挑战。 南方科技大学系统设计与智能制造学院助理教授熊异研究团队针对工业5.0背景下，增材制造与设计迈向智能化过程中的关键挑战进行了系统研究并取得系列进展，相关成果发表在Additive Manufacturing，Journal of Manufacturing Systems，Advanced Engineering Informatics等国际期刊。 针对相关概念的缺失，研究团队首先系统性地提出了以数据总线、物理信息和智能服务等多层级架构为参考模型，以人机融合智能为决策支撑，构造智能增材制造与设计系统研究的框架，以实现高效、稳定的制造过程，并推动产品与服务创新。重点阐述了智能增材制造与设计中的四类关键问题，即数字化设计方法与工具、先进测控技术、服务增材制造的人工智能算法和多学科协同优化算法。同时，还概述了增材制造及其设计研究在集成设计和制造、信息物理增材制造、增材制造高级人工智能、数字材料和产品以及增材制造工艺链设计等方向的未来前景。该研究成果以“Intelligent additive manufacturing and design: state of the art and future perspectives”为题发表在Additive Manufacturing上。  图 1 智能增材制造与设计研究框架 针对智能增材制造与设计中多样、复杂的人机协作关系，研究团队借助人-信息-物理系统（HCPS）框架探究了人机共融增材制造的概念并深入讨论了其典型场景与相关挑战。根据人和机器在协作过程中的角色，协作模式被分为主-被动式和双主动式。前者包含智能增材制造、人体增强，分别适用于大规模生产和样机制造；而后者包括人机共创，主要应用于大规模定制化和个性化产品开发。该研究成果以“Human-machine collaborative additive manufacturing”为题发表在Journal of Manufacturing Systems上。 图 2 人机共融增材制造的典型应用场景 针对智能增材制造与设计中产品大规模定制化需求，研究团队建立了数据驱动的创成式设计方法以提高设计效率和用户满意度，为大批量、定制化的产品设计提供了创新性解决方案。该方法可以将产品端、用户端、服务端沉淀的多类数据作为产品创成式设计中细节设计阶段的基础，并利用各类数据驱动方法挖掘数据价值，以弥补基于设计者驱动的创成式设计在细节设计阶段的局限，实现设计自动化程度和产品性能两方面的提升以满足用户的个性化需求。该研究成果以“Data-driven generative design for mass customization: A case study”为题发表在Advanced Engineering Informatics上。 图 3 采用数据驱动创成式设计的自行车座椅开发流程 以上研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、深圳市科技创新委员会的大力资助。 论文链接： 1. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103139 2. https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2022.12.004 3. https://doi.org/10.1016/j.aei.2022.101786 注：本文内容来自南科大新闻网。 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.极速响应！国产3D打印数据处理软件功能大升级，满足更多工艺需求 2.一站式读懂如何为3D打印应用选择合适的聚合物材料 3.90万欧元3D打印热交换器订单！ 4.超高温SLS｜聚合物粉床3D打印技术的重要发展，以史玉升教授团队技术为例

换热器最为一种热量传递设备，广泛用于航空航天、汽车、电力等诸多领域。传统换热器在优化方面已经做了大量工作，但在设计过程中受到几何造型、材料和制造工艺的限制，通常整个组件是由管道或金属板构成，必须考虑焊接、钎焊或螺栓连接等连接技术。   增材制造（AM）作为一种先进的制造技术，基于计算机辅助设计（CAD）的三维模型，遵循逐层制造过程，能够制造非常复杂设计的换热器。增材制造突破了换热器的外形设计，由于不需要考虑传统换热器的进出口与换热组件的连接工艺，异型进出口和应用全新设计理念的换热组件随之出现。 燃气轮机-逆流热交换器   历经三十多年的发展，增材制技术造突破了传统工艺和造型的限制，让换热器设计重心回归自身功能本身，一些增材产品常用的设计技术同样适用于高性能换热器的设计。   仿生技术 仿生技术被认为适用于增材制造换热器的路径设计。自然界中存在许多换热和传质现象，比如呼吸系统和血管系统，它们历经亿万年的进化，同时具备了高传热效率和低压降损失。这些系统管路都存在分形结构，流道结构相互重复，是一种分配流量非常有效的方法。分形仿生技术常用来解决换热器进口流量分布均匀性和降低流阻，有着较好的效果。   分形散热器，m代表重复次数 空间曲线填充 内壁面增加曲线状波纹是一种有效提升换热器换热效率的设计方法。曲线波纹构造出全新的内部流动区域，使得换热面积增大的同时在一定程度扰动了内部工质的流动状态。FASS曲线使用一个简单的逻辑定义，对图形重复具有良好的，常用于内壁的曲线的波纹创建。FASS是一类通过网格的每个点而不相交的曲线，代表空间填充、自避免、简单、自相似，具有分形行为，且每条线段都与整个曲线相似。 FASS 曲线四次迭代空间结构拓扑优化 拓扑优化是用数学的方法对给定区域内的材料进行分布优，在约束条件下寻找材料最佳的分布方案。散热器已经用拓扑优化寻找具有高传热效率和低压降流路的几何形状。但是拓扑优的最终方案通常外形结构非常复杂，传统的加工手段要么难以实现，要么实现成本过高，现实中更多的是依靠设计人员对拓扑结果二次设计，牺牲掉一些性能解决加工问题。增材制造的优势之一就是在不增加成本的情况下生产复杂的几何外形，因此它非常适合与拓扑优化结合使用，拓扑优化设计性能最优的散热流道，增材制造完成最终方案的生产。 流道拓扑优化 TPMS胞元结构设计 三周期极小区域（TPMS）是一种平均曲率为零的隐式周期曲面，可以用数学函数精确地表示出来，表面非常光滑，没有尖锐的边缘或连接。相同的TPMS的胞元填充在换热区域，三维空间被TPMS分成两个分离的连续区域，每一个区域都可以被视为一种换热流体，形成纵横交错又相互隔绝的两个流体域。  TPMS胞元类型D型胞元和G型胞元区域   G型胞元填充换热空间  孔隙率，比体积能够通过调整功能参数直接控制，不同的的孔隙率意味着可以调整TPMS孔隙率适用冷热工质不同的流量，平衡两侧的压降。光滑的表面、较大比体积、结构的完整性和良好的混合潜力使得TPMS成为高性能换热器较为理想的内部热流道，如下图所示。   航空冷油器增材制造 本文内容来自安世亚太，作者刘强是动力工程及工程热物理专业工学硕士，安世亚太DfAM赋能业务部流体仿真工程师，擅长三维流体仿真和流道拓扑优化，从事DfAM换热器流体仿真工作。 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.极速响应！国产3D打印数据处理软件功能大升级，满足更多工艺需求 2.90万欧元3D打印热交换器订单！ 3.一站式读懂如何为3D打印应用选择合适的聚合物材料 4.报名 | Formnext深圳增材制造展，超300企业+1.5万名观众+80场论坛