在评估和选择增材制造工艺类型时，设计要求将大大减少可选择的种类。工艺选择最常见的依据是组件的复杂性和尺寸。近些年来，许多火箭发动机的设计尺寸都是考虑了L-PBF设备的打印尺寸限制。除了尺寸限制之外，其他要素还包括所需的材料特性、某些特征属性或合金的工艺成熟度。高级属性包括设计要求、工艺特定考虑因素以及微观结构特征和性能。NASA工程师企图对这些属性进行单独分类，但这些因素通常相互依存无法分割，同时给出了航空航天部件的一般工艺选择原则，其中考虑了选择标准的类别。虽然一些要素与迭代生命周期中的主要工艺步骤相似，但有许多细节方面对最终工艺选择很重要，但在更高级别的工艺步骤中没有体现出来。 工艺选择的主要原则来自设计阶段——包括材料选择、整体零件尺寸、特征分辨率、复杂性、构建速率（与工艺经济性和特征分辨率相关）、内部特征以及单合金或多合金构建。增材制造有一系列设计解决方案，包括单件或多组件，工艺选择可能会相应改变，这些方面之间是相互关联和迭代的。 材料和工艺 材料选择通常被认为是工艺选择最先被考虑的因素，缩小了潜在材料范围便可以分析工艺可用性。除材料外，工艺参数也是至关重要的考虑因素，它将影响装备认证以及能否实现一致和可重复的制造，从而决定了能否成功制造出合格的航空航天部件。因此，工艺参数也涉及到具体工艺的成熟度和经济性。 激光粉末床熔融、电子书粉末床熔融、激光粉末能量沉积、激光线材能量沉积、电弧线材能量沉积、电子书线材能量沉积、冷喷涂、搅拌摩擦焊、超声波焊接 整体零件尺寸 整体零件尺寸是工艺选择标准的重要方面，但仅为构建体积选择的工艺可能不能保证满足最终零件得性能、特征分辨率或材料特性的要求。这些考虑应该发生在设计阶段，行业状况也需要持续评估。 NASA工程师在考虑因尺寸造成的工艺选择时，引入了具体工艺所能打印的高度和直径的比值概念，对于粉末床技术，这一比值接近1，而能量沉积和冷喷涂则处于两种极端，它们也提供了最大尺寸的增材制造能力。 根据整体构建量选择增材制造工艺。(a) 每种工艺的最大构建直径和构建高度 (b) 每种工艺市售和定制增材制造装备的最大打印直径激光粉末床熔融技术在近些年来呈现出往大尺寸方向发展的趋势，国外的SLM Solutions、Velo3D、3D Systems、Additive Industries均已推出多激光、超过500mm成形尺寸的装备，并在往米级方向发展；国内方面，铂力特、华曙高科、易加三维、汉邦科技以及镭明激光等则均已推出米级装备。 零件复杂性、特征分辨率和构建速率 航空航天增材制造零件可以是需要最终加工的近净形状部件，或只有增材制造工艺才能生产的高复杂性结构。零件复杂性与特征分辨率和沉积速率直接相关。虽然倾向于使用高度复杂结构实现减重或更好的功能特性，但航空航天部件需要经过严格检查确保飞行安全，随着复杂性的增加，零件检测会变得困难。无损评估或无损检测技术在充分检查零件方面的使用受到限制，设计复杂性也会在后处理阶段带来挑战，如粉末去除、加工或表面处理。在选择金属增材制造工艺时，必须着重考虑零件复杂性（对于内部和外部特征），因为它与特征分辨率、沉积速率和可检测性直接相关。 由于固有的工艺特性，每种增材制造工艺都有一个可制造的最小尺寸，它可以针对特定的设计特征（孔、壁厚、内部通道、晶格结构）进行一致的打印。换句话说，并非所有的增材制造工艺都是为最高特征分辨率而设计的，有些工艺根本无法为特定设计提供可接受的解决方案。例如，L-PBF工艺通常可以重复构建低至0.2毫米的壁、孔、槽等，但可能导致更高的尺寸公差。调整L-PBF的参数可能允许打印低至0.1毫米的特征。LP-DED（基于粉末的激光能量沉积）工艺无法构建达到该分辨率的特征，其特征尺寸通常为1毫米。AW-DED（电弧线材能量沉积）等其他工艺的最小特征构建尺寸约为2毫米，AFS-D（搅拌摩擦增材制造）为10毫米。L-PBF和EB-PBF重复创建高复杂度、超精细特征（如内部通道、细孔或复杂表面）的能力是其他工艺无法超越的的，除非进行中间加工或最终加工步骤。然而，PBF工艺与DED工艺在每单位时间建造的材料量却相差巨大。 一些金属增材制造系统允许混合制造，结合了增材制造和减材制造技术。混合系统可使用沉积头或其他方法进行增材生产，在制造期间配备进行临时加工的减材加工头。在完成沉积过程后可以进行加工来获得更高分辨率的特征，但可能会受到限制。UAM（超声波增材制造）过程需要使用减材加工来提供精细的特征分辨率。混合系统对于LP-DED过程非常常见，LW-DED和AW-DED则非常少见。由于真空环境，整体加工对于EBW-DED工艺是不可行的。L-PBF工艺已有集成混合加工的设备，但应用也非常有限。 构建速率与打印特征分辨率对比每种打印工艺的特征分辨率都有范围，并且高度依赖于材料、装备配置和工艺参数。LP-DED和LW-DED等能量沉积工艺可以使用不同的光斑尺寸，而AW-DED（电弧线材能量沉积）可以增加线材直径，并在不利于特征分辨率的情况下增加沉积速率。 构建速率和特征分辨率之间显然存在关系。构建速率还与熔池尺寸有关，熔池尺寸会改变微观结构，材料特性可能会受到高热量输入的影响。打印速度（每单位时间沉积的材料）是缩短制造周期的关键，也是增材制造工艺的关键变量，但如果忽视了沉积质量，可能会产生意想不到的后果。 每种金属3D打印工艺对应的航空航天组件，根据特征分辨率、构建速率和多合金构建选择工艺，黑色字体代表熔化过程，蓝色字体代表固态过程 对于锻造或铸造替代品，假设可以满足所有其他属性，则构建速率优先于特征分辨率。制造速度是不发生熔化的固态工艺的最大优势之一，这些工艺（冷喷涂、搅拌摩擦焊、超声波焊接）提供高构建速率，同时保持精细的晶粒结构，这对于航空航天零件是理想的。 END 航天工业一直热衷于采用各种增材制造工艺，减少复杂零件的原型和生产交货时间。当前也已经使用每种增材制造工艺开发了各种航空航天应用，增材制造为高复杂度的部件提供了大批量的航空航天零件生产机会，这是传统制造技术所无法实现的。虽然当前有众多的工艺类型，但L-PBF仍然是使用的主要工艺，其次是DED工艺。 本文是NASA航空航天应用经验总结系列文章总结的第三篇，后续将继续呈现更多精彩内容。 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.瞄准大·生产时代 | 铂力特发布六激光BLT-A450，为制造业赋能 2.NASA：航空航天领域常用的金属3D打印材料及特点 3.NASA工程师总结：航空航天金属增材制造部件的生命周期 4.NASA将复合材料3D打印纳入未来技术储备和创新研究计划

不断推进大·生产时代工业生产进程、赋能制造业高质量发展，铂力特于9月2日推出工业领域适用的BLT-A450。 该设备成形尺寸为450mm×450mm×500mm，配置永久过滤器与取件舱，设备占地面积仅14.5m2，高度仅2.7米，无需行吊，使用叉车即可完成设备操作，对安装场地的要求更加自由。设备配置六激光，贴合批量化工业生产需求，为客户提供高效高质的打印服务 高效生产，为制造业持续赋能 聚焦制造业对生产效率的高要求，BLT-A450设备配置六激光，与市面上同体量设备所配置的四激光相比，整机设备的单光投入降低约30%，打印效率提升约30%。以满版分水器为例，整版可一次性成形40个零件，成形时间由72小时缩短至了50小时。   BLT-A450配置的450mm×450mm幅面使得单版可以批量产出更多的零件，且单个零件的产出效率和产出成本也会更低；同时更大的成形幅面可以适配更多工业大尺寸零件，例如大尺寸的注塑模，鞋模等。 图为满版高温合金分水器 图为满版铝合金水冷机壳体 除了多光扫描成形效率的提升，双向动态铺粉功能还可以针对零件截面，自适应性调整变速铺粉区域，让铺粉动作和零件成形更加高效。 铂力特自主研发的设备控制软件BLT-MCS拥有故障分级、一键式操作、过程实时监测、质量全面追溯等功能，为智能制造加码，全面为BLT-A450高效生产护航。 工业生产高质量打印，BLT-A450全方面保证零件质量 对于满光配置的BLT-A450设备，优秀的拼接方案尤为重要。铂力特基于多年多光路的开发经验，通过软硬件共同保障拼接效果，满版95%的校正点偏差均在0.05mm以内。 BLT-A450设备配置刚性刮刀，与柔性刮刀相比，可以很好地定住层厚，并且可以避免橡胶刮刀的磨损物污染粉末的风险。 BLT-A450设备还可实时记录每个转动轴的实际位置与实时扭矩数据，并实时分析与反馈，及时提醒客户零件翘曲，零件高度不足等风险，确保一次性打印成功率。 BLT-A450满幅面风速均匀，可及时将烧结产生的大颗粒带走，提高零件表面质量。同时针对打印时间长的问题，BLT-A450设计有风速闭环反馈控制功能，保证打印全程风速均匀如一。 智造升级，铂力特设备、软件生态链助力大·生产时代 针对粉末循环系统，铂力特已推出一套适配于批量规模化生产的“辅机全家桶”，在设备准备与打印过程中，可使用BLT-GF300供粉机在不影响打印进程的情况下随时进行粉末添加；在打印结束取件过程中，双工位的清粉设计配合BLT-WL400物料机可实现快捷地粉末回收；粉末被回收进铂力特标准200L模块化粉桶后，可转移至BLT-SF800设备中进行高效粉末筛分；筛分后的粉末继续通过铂力特标准模块化粉桶转移至供粉机中进行下一轮打印所需或其他同种材料设备打印所需的粉末添加工序中；铂力特还推出了BLT-QF600清粉机，用于复杂零件的粉末清理，多重旋转振动叠加，很大地提高了清粉效率。 BLT-MES面向大·生产时代，可实现厂房能源监控及设备集中管控，通过异常信息告警与异常数据分析及时发现问题。设备集中监控可以远程集中监管设备运行状态、打印状态、打印进度等，及时获取异常信息，减少人员现场巡检，降低无效工时。 批量智造，创见未来。BLT-A450应运而生，携铂力特设备生态链、软件生态链为客户提供增产提效解决方案。铂力特持续为各个领域的大·生产时代提供解决方案，让制造更简单，世界更美好！ 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.重要通知 | Formnext + PM South China2022将延期举办 2.实现工业零件的批量化制造，铂力特发布全新设备BLT-A400 3.铂力特发布12激光SLM设备BLT-S1000，可实现超大尺寸零件一体成形 4.中国航天日 | 细数铂力特航天领域专用3D打印装备

8月2日，国家工业和信息化部公布了首批36个增材制造典型应用场景名单，上海航天精密机械研究所申报的“基于增材工艺的航天关键零部件整体轻量化设计”成功入选。8月31日，3D打印技术参考注意到，上海航天对该项目进行了相关描述。   上海航天基于增材制造技术开发的轻量化点阵+蒙皮整体结构舵翼产品目前已在多个型号上应用，其较传统实心结构和骨架蒙皮结构舵翼可减重10%~60%，可自由调节优化舵翼的质心，提升产品综合性能，且制造工序简化，综合成本降低，是未来舵翼类产品轻量化重要方向之一。 3D打印的轻量化产品，来自上海航天 基于增材制造技术开发的拓扑轻量化支架产品，上海航天目前已在多个宇航型号上实现应用，已配套10余种型号。其较传统铸造和机加工制造支架可减重20%~50%，且制造工序简化，周期短，满足了型号短周期研制的快速响应制造需求，是航天支架类产品发展的必然趋势。 中国空间站上的蒙皮点阵技术应用 在航空航天领域，面向增材制造的结构拓扑优化方案不断被提出，并在航空器上的非主承力结构上得到应用。 北京空间飞行器总体设计部在有关论文中指出，采用自支撑三维点阵结构设计方法，发展了基于蒙皮点阵一体化结构形式的移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法，完成了面向增材制造的中国空间站某相机支撑结构的优化设计，该结构采用激光选区熔化成形（SLM）工艺制造，通过了力学试验考核，实现结构减重50%，基频提高35%，完成了基于MMC方法的蒙皮点阵一体化结构在我国载人航天领域的首次型号应用与在轨验证。 在最近的应用案例中，问天实验舱热控分系统使用了3D打印技术。航天五院研究团队指出，结构轻量化设计是空间站结构研制过程中始终坚持的设计思想，设计团队从结构参数优化、拓扑优化、轻型材料应用、3D打印工艺、多功能结构等多个方面开展减重工作。从直径4米的框体、壁板蒙皮、各类尺寸的支架，到蜂窝板里的一个金属埋件，对每一个零件进行减重设计，并提出了结构加工过程中的重量控制方法，将舱体结构成功瘦身，为其它设备和载荷提供了更多的搭载机会。 一体化支撑结构优化图（来源见文末） 除了问天实验舱，3D打印技术参考从中国空间技术研究院（航天五院）了解到，梦天舱的重要结构件导轨支架在研制过程中也采用了3D打印的薄壁蒙皮点阵结构。 3D打印技术参考还于北京空间飞行器总体设计部在《机械工程学报》发表的一篇论文了解到，航天五院设计的一种封闭蒙皮包裹三维点阵层级结构的设备支撑结构，比采用传统设计及制造方法的结构减重46.4%，实物已应用于某型号卫星载荷支撑任务。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 增材制造支撑结构及其在空间站核心舱上的装配状态（来源见文末）   2019年，研制了国际首个增材制造全三维点阵整星结构，并随千乘一号卫星成功发射；2019年，将拓扑优化方法与细观点阵填充相结合，完成了中巴地球资源04A卫星、资源三号03卫星等航天器的关键设备支撑结构的优化设计与研制，实现了在多个型号航天器中的在轨应用；2020年，研制了基于增材制造三维点阵的相变储能装置结构，随天问一号火星探测器成功发射。 同年，我国新一代载人飞船实验船成功验证，试验船搭载了星驰恒动公司研制的60余件金属3D打印产品，涉及三维点阵类轻质材料结构产品。除此之外，月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架也由薄壁和晶格填充结构组成。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率，在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景。 超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 本文内容参考：1. 上海航天；2. 张啸雨，刘畅，施丽铭，蒋旭东，曾惠忠，周浩，郭旭．蒙皮点阵一体化支撑结构的移动可变形组件优化设计及空间站应用[J/OL]．固体力学学报.https://doi.org/10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2022.010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.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 3.中科院研究：晶格结构的性能差异，材料、3D打印与传统加工工艺 4.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构

亚洲3D打印、增材制造展览会（TCT Asia 2022）将于2022年8月31日-9月2日在深圳国际会展中心（宝安）7号馆开幕。有研增材技术有限公司受邀参展，在展会上发布最新研发的增材制造用高端球形金属粉末产品。 有研增材展位号：Q69 有研增材公司厂区 有研科技集团作为我国有色金属行业综合实力雄厚的研究开发和高新技术产业培育机构，国资委直管中央企业，于2021年底整合旗下北京康普锡威、粉末研究院、有研合肥、英国Makin公司等涉及金属增材制造及特种粉体材料板块资源，引入战略投资者-中国钢研集团，设立有研增材并实现独立运营。 有研增材粉末产品 有研增材建有年产5000吨球形金属粉末生产线，包括真空惰性气体雾化（VIGA）、电极感应熔炼气体雾化（EIGA）、高压气-水雾化、高速雾化等制粉生产装备50余台套，增材制造铝合金粉末专用生产线5条，并配有扫描电镜、激光粒度仪、直读光谱等检测仪器与设备。主要产品包括铝合金粉末、高强高导铜合金粉末、高温合金粉末、钛合金粉末等二十余种，广泛应用于航空、航天、兵器、电工电子、船舶、汽车、通讯、核工业等多种领域。 1.高流动性铝合金粉末 目前，铝合金粉末材料还存在如流动性较差、空心粉率高、松装密度低、粉末表面卫星球较多等问题，并且随着增材制造装备向大型化、多激光方向发展，对铝基合金粉末材料提出了更高的要求。为此，有研增材推出了高流动性铝合金粉末材料，粉末球形度高（＞95%）、流动性好（60s/50g），松装/振实密度分别达到1.45和1.70 g/cm3，同时，空心粉率控制在0.3%以内。目前该高流动性铝合金粉末产品已在航空航天、汽车等领域获批量应用。 高流动性铝合金粉（来源：有研增材） 2. 高导电率纯铜粉末 高导电性和导热性使铜合金成为制备具有高传热能力的零部件的最佳材料。针对火箭发动机、散热器、汽车制造等领域对高强、高导铜合金的需求，开展基于高强高导铜合金的成分设计、粉末材料制备等研制，开发出增材制造用高纯度、高球形度的铜及铜合金粉末材料（Cu、CuSn、CuCrZr、CuNiSiCr），具有氧含量低，流动性好，松装密度高等显著特点。 3. AlCu系高强耐热铝合金粉末 高强铝合金是目前增材制造铝合金材料的迫切需求。随着增材制造转向实际产品，AlSi系合金性能已不能满足要求，但由于传统高强度铝合金牌号不完全适用于激光成型，由此才有了增材制造高强铝合金的成分设计与改进问题。目前增材制造高强铝已有几类改进成分，如空客专利产品Scalmalloy，澳大利亚莫纳什大学的AlMnScZr，美国HRL的7A77.60L等，但相对于广泛的铝合金产品需求来讲，现有增材制造高强铝材料仍显单一。在传统工业制造中，铝合金是应用最广的有色金属材料，各类不同强度、刚度、硬度、耐热、耐腐蚀性能的铝合金牌号众多。未来，增材制造铝合金材料也将依据综合性能要求形成不同体系，而不仅限于强度一个维度。有研增材团队在高强铝方面持续关注高强、耐热、耐腐蚀材料开发，2021年与集团内部单位有色金属材料制备加工国家重点实验室合作开发了适用于增材制造的AlCu系高强耐热铝合金产品，200℃条件下抗拉强度大于400MPa，有望成为增材制造高强铝合金中一类重要新产品。有研集团有色金属材料制备加工国家重点实验室是国内铝合金材料的重点研究单位，在有色金属结构材料强韧化理论，航空航天飞行器制造用高强高韧铝合金，汽车轻量化制造用新型铝合金材料开发方面具有雄厚实力。增材制造高强铝材料相关研究（来源：相关文献） 4. 适用于模具行业的高强高导铜合金粉末 在模具行业，铜合金也是一类广泛应用的材料。当前模具钢材料的随形水路打印已经取得广泛应用，未来更高导热属性的铜合金随形水路模具同样具备应用潜力。SLM Solutions公司于2019年推出适用于模具制造的CuNi2SiCr产品，该材料是一种可热处理的硬化合金，具备高强度以及导热导电性能的平衡组合，同时合金中包括镍和硅，具有很高的耐腐蚀和耐磨性。CuNi2SiCr本身不是一个新成分，该材料对应美标C18000合金。有研增材团队在2020年开展了CuNi2SiCr产品的开发工作，对于粉体特性和热处理工艺对该材料强度、硬度、热导率的影响规律做了细致研究，形成了该材料的制备工艺标准、打印参数包和热处理工艺制度。值得一提的是，相比于其他材料，成分和热处理工艺对打印性能产生的影响属铜合金波动最大。有研集团在上世纪90年代初就对CuNiSiCr系合金开展了研究开发工作，对此类材料的成分设计与应用有深入研究。有研增材以此为基础对CuNi2SiCr产品做了成分改进并开发了相应热处理制度才将屈服强度稳定在550Mpa以上同时保持相应硬度和热导率指标以满足模具制造要求。 END 在当前金属增材制造产业链中，材料端正在受到越来越高的关注，一方面是由于金属增材制造逐渐铺开带来了量的明显增长，更重要的是应用端正在牵引材料端进行更新换代，其中既包括粉体特性改进，也包括新成分的设计与应用。对于未来增材制造粉末产品开发而言，粉体制备技术与材料研究缺一不可。 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.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.增材制造用钛合金的种类、应用、粉末制备技术，及市场用量情况 3.深度好文：讲透3D打印高强铝合金究竟是什么材料 4.NASA：航空航天领域常用的金属3D打印材料及特点

Conflux Technology是少数几家专注于3D打印热交换器增材制造应用的公司，该领域具有巨大的利润空间。近日，3D打印技术参考注意到，该公司已经获得航空航天AS9100D第一阶段认证，整个认证过程预计在2023年初完成。这意味着，该公司的3D打印热交换器正在渗透进航空航天领域。 Conflux于2015年推出了用于F1赛车的热交换器，并将其视为增材制造技术的关键应用领域。到2017年，该公司获得了一些重要的行业支持，其中包括来自获得了AM Ventures的 600万美元A轮融资，它还与GKN Additive合作，扩大产品的可用性。 来自ConfluxTechnology的水增压空气冷却器热交换器 AM Ventures的合伙人标识，热交换器是3D打印技术最大的应用之一，高度复杂的几何形状能够实现更有效的热管理，减少能源消耗和材料浪费。同时，热交换器的设计需要能够掌握最佳的制造技术和软件工具，这正是Conflux团队在这个世界上独一无二的原因。 在寻求将其技术商业化时，Conflux将目标指向航空航天领域，该领域的公司一直在寻找优化效率的方法，提高喷气燃料的使用效率。作为航空航天和国防的国际质量管理体系标准，AS9100D认证甚至比ISO9001:2015更为重要。 Conflux换热器 审核过程历时六个月，执行Conflux的分析师和质量保证专家之前曾为多家航空航天/国防公司进行过认证。目前，Conflux已完成了第一阶段认证，整个过程预计在2023年初完成。 与此同时，其他多家公司也在关注3D打印的特定应用。例如，Holo专门3D打印铜散热器；AM Ventures的另一家投资组合公司Additive Drives的目标行业是电动机。这些公司通常树立一个典型的案例，然后在整个行业铺展开来，进而形成一波应用浪潮。在这种情况下，可能伴随着一系列的收购，这种情况已经屡见不鲜。 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.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.金属3D打印以智能化方式驱动新一代热交换器设计 3.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术 4.传热专家Conflux推出首款产品——3D打印的汽车用环形空气冷却器

碳化硅陶瓷具有优异的耐磨性、耐腐蚀、耐高温、抗氧化以及低热膨胀系数等性能，是航空航天、电子信息等领域中的关键材料，特别是大型复杂碳化硅陶瓷构件，如高分辨率空间遥感卫星反射镜镜坯、大规模集成电路光刻机用激光反射镜、高防护系数飞行器陶瓷装甲、高超声速飞行器热端部件及热防护系统等的整体成形技术，对航空航天等国家安全和前沿技术发展有着重要的战略意义。然而，由于碳化硅陶瓷材料具有高温烧结变形大、缺陷敏感性强等特点，烧结后难以加工，因此大型复杂碳化硅陶瓷构件的整体成形成为世界性难题。 为此，华中科技大学材料学院史玉升教授团队提出复杂碳化硅陶瓷构件的激光粉末床熔融、粘结剂喷射/光固化复合3D打印成套技术，在湖北武汉建立研究和产业化基地，在湖北黄石设立中试基地，从碳化硅陶瓷粉末床3D打印的材料、装备、工艺、产业化和应用等环节进行了深入系统地研究，主要技术指标国际领先，解决了高性能大型复杂碳化硅陶瓷复合材料构件的整体成形难题。基于此，2019年教育部批准成立“增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心”，相关研究成果获第二十三届中国专利优秀奖、第一届湖北专利金奖、2021年日内瓦国际发明展金奖等，具体进展如下： 在材料方面：发明了高增材适应性粉体制备方法（图1），实现了粘结剂均匀包覆粒料、纤维粉体的制备【中国发明专利ZL 200710051863.1，中国发明专利ZL 200810048011.1，中国发明专利ZL 202111044831.5】；提出了高效机械混合碳化硅颗粒、碳纤维、粘结剂复合粉体的制备方法，有效改善粉末床成形预制体的力学性能【J. Eur. Ceram. Soc. 40(2020): 5186-5195】；建立复合材料堆积体对激光能量吸收的物理模型，为激光粉末床熔融3D打印复合材料粉末设计及成形预制体质量调控提供理论支持。   图1 粘结剂包覆粉体制备方法：（a）蒸馏冷却均匀降温控制方法；（b）溶剂沉淀制备方法；（c）酚醛树脂包覆碳纤维复合粉体；（d）酚醛树脂包覆木纤维复合粉体在装备方面：研制出大台面复杂陶瓷构件粉末床3D打印方法与装备（图2），目前本团队商业化的陶瓷激光粉末床熔融3D打印装备最大成形尺寸达1700 mm×1700 mm×600 mm。该装备具有多激光、多振镜的扫描系统，配备海量数据处理软件，解决了多激光振镜协同工作、海量数据处理、形坯原位成形、清粉、后固化处理等难题，实现大型复杂陶瓷构件一体化成形【中国发明专利ZL201910447966.2，美国发明专利US11305456，欧洲发明专利EP3744506，日本发明专利JP6896817，俄罗斯发明专利RU2745247C1】。在激光粉末床熔融3D打印装备的基础上，研制出一种高强度大型复杂陶瓷素坯及其粘结剂喷射/光固化复合成形方法与装备（图3），解决3D打印陶瓷素坯强度低、效率低、成形尺寸小等问题，实现高强度大型复杂陶瓷素坯的高效3D打印成形【中国发明专利CN202210982246.8】。 图2 大型复杂陶瓷构件激光粉末床熔融3D打印装备原理图 ：11-激光器，12-振镜，13-保温层，14-加热装置，15-铺粉刮板，16-铺粉缸，17-成形缸，18-成形缸缸壁，19-成形形坯，110-成形台面，111-成形缸缸壁升降装置，112-SLS设备升降装置，113-导轨轮，6-导轨，115-地面 图3 大型复杂陶瓷粘结剂喷射/光固化复合成形装备原理图：10-壳体，11-紫外光激光器，12-紫外光振镜/反射镜，13红外光反射镜，14-红外光激光器，15-保温层，16-粉床预热单元，17-铺粉辊，18-送粉缸，19-集成喷嘴，20-隔离单元，110-成形缸，112-成形缸升降机构 在成形工艺方面：发明碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法（图4）【中国发明专利ZL201710238622.1，美国发明专利US 11021402，欧洲发明专利RU 2728429，日本发明专利JP 6859441】，建立工艺参数、预制体微观结构和复合材料构件性能之间的耦合关系，揭示预制体在反应烧结后的结构演变规律和相界面成形机制【J. Alloys Compd. 792 (2019) 1045-1053】，阐明碳纤维对碳化硅复合材料的强韧化机理【J. Eur. Ceram. Soc. 38 (2018) 4604-4613】；建立碳前驱体悬浮液浸渍预制体强化方法，研究酚醛树及添加纳米炭黑对碳化硅性能的影响规律，从动力学角度阐明了预制体浸渗碳源的物化特性与最终碳化硅陶瓷复合材料微观组织的关系【Ceram. Int. 46 (2020) 12102–12110.; Ceram. Int. (2022)】。整体成形出碳化硅陶瓷复合材料构件（图5），相对密度＞99%，抗弯强度＞250 MPa。 图4 碳纤维/碳化硅复合材料构件的激光粉末床熔融整体3D打印方法 图5 粉末床熔融整体成形碳化硅复合材料构件（a）米级航天反射镜镜坯；（b）光刻机方镜 在产业化方面：史玉升教授团队技术孵化的武汉华科三维科技有限公司，是华中地区资历雄厚的专业3D打印装备、工艺及材料的产业化平台，注册资本6000万元人民币，除了从事高分子和金属3D打印装备与工艺外，还开展陶瓷3D打印装备及工艺的研发，形成了工作台面250mm×250mm、1000mm×1000mm（图6）、1700mm×1700mm等系列碳化硅陶瓷3D打印成套装备，并实现商品化。成套装备及其工艺成功应用于中国航发北京航空材料研究院、哈尔滨东安动力、宁波伏尔肯、成都光电技术研究所、清华大学、西北工业大学等科研院所和公司等，用于复杂陶瓷构件的整体成形。 图6 武汉华科三维科技有限公司生产的激光粉末床熔融装备-HK C1000，（a）1 m装备整体图；（b）激光振镜扫描系统；（c）双向铺粉系统 在飞行器热端构件应用方面：采用3D打印制备了耐高温烧蚀和抗热冲击的SiC复合材料，通过在材料内引入一维陶瓷纤维，结合特殊孔道设计，实现结构减重的同时保持良好的耐烧蚀性能（1650℃×1h空气气氛条件下质量损失率≤0.05g/m2∙s）和抗热冲击性性能：其室温1300℃升温和1300℃10℃骤冷循环次数相较常规3D打印SiC材料提升超过300%，基于该工艺制备的小型3D打印SiC复合材料构件已通过初步考核试验（图7）。 图7 3D打印SiC构件抗热冲击性能测试和构件结构示意图：（a）抗热冲击测试（升温）；（b）抗热冲击测试（降温）；（c）高温多孔SiC构件；（d）热冲击测试温度曲线；（e）不同3D打印SiC样件1300℃~室温急冷急热循环后的宏观形貌 在碳化硅吸波器件应用方面：采用激光粉末床熔融结合碳热还原制备了一种新型的木材生物质废料衍生的多孔碳化硅纳米线/碳化硅复合材料吸波器（图8），用于结构-功能一体化电磁波吸收。建立了碳热还原温度对3D打印生物质碳材料反应生成多孔碳化硅的影响机制，阐明多孔碳化硅复合材料异质界面、孔结构与电磁波吸收之间的内在联系。最终得到的多孔碳化硅复合材料构件的最小反射损耗为-49.01 dB，有效吸收带宽为5.1 GHz，在空气中的热失重率仅为0.6%，在恶劣环境下具有广泛的应用前景。【Virtual Phys. Prototy. 17 (2022) 718-733】 图8 激光粉末床熔融制造的多孔碳化硅复合材料吸波器：（a）吸波机理和（b）吸波效能；（c~e）生物质复杂构件坯体；（f）多孔碳化硅复合材料蜂窝结构吸波器 在碳化硅极小曲面点阵结构应用方面：通过激光粉末床熔融技术结合液相渗硅反应烧结工艺成形出碳化硅极小曲面点阵结构，对碳化硅点阵结构的制造、力学性能等进行了系统研究（图9）。该碳化硅点阵结构具有较高的制造精度和较低的收缩率(小于6%)，建立的有限元模拟模型可以准确地验证和预测碳化硅极小曲面点阵结构的力学和断裂行为(大多数偏差小于20%)。此外，采用理论模型与有限元模拟结合的方式阐明了体积分数对碳化硅极小曲面点阵结构压缩断裂带的影响机制，为优化碳化硅极小曲面点阵结构的设计和3D打印提供了重要理论指导。【Addit. Manuf. 56 (2022) 102910】 图9 激光粉末床熔融制造的碳化硅极小曲面点阵结构、力学性能实验分析及相关有限元模拟验证 在碳化硅模具应用方面：由于碳化硅具有高强度、高硬度、高导热等特性，是最佳的模具材料，但存在难加工等问题。为此，通过材料和工艺联合研究，充分利用碳化硅材料的优势，哈尔滨某光电科技有限公司用武汉华科三维生产的3D打印打印装备成形出满足玻璃镜片要求的碳化硅模具。 相关的论文、专著和发明专利和获奖情况如下： 1)…

6月28日，湖南华曙高科闯关科创板IPO获上交所受理，本次拟募资6.64亿元。该公司十余年来专注于工业级增材制造设备的研发、生产与销售，推出金属和高分子设备超20个系列，销售量超700台，居行业前列，单一客户销售量超过10台的产业化客户数量超10家。 华曙高科面向批量生产的金属开源增材制造系统 常州钢研极光列装华曙高科大型金属增材制造设备华曙高科从战略上重点布局金属增材制造技术，多年来持续面向高效益规模产业化增材制造及特定场景增材制造应用高端功能定制化需求，持续开展技术突破与产品创新，推出FS1211M、FS811M、FS721M、FS621M、FS1500M、FS531M、FS422M 等多系列多配置自主SLM设备。其中，FS621M自2020年上市以来，已在产业化客户处历经2年多的验证，累计列装超过40台，销售量还在持续增加。本期，3D打印技术参考授权介绍华曙高科基于激光粉末床熔融的核心技术。 增材制造设备光学能量系统技术 对于激光粉末床熔融技术来说，能够显著提高打印速度又能保证产品质量的有效手段是增加激光器的数量，但多激光同步打印带来的质量问题远比单激光要多、要复杂。大尺寸零件的打印需要多台激光器协同工作，此时便出现了因激光器数量增加产生的扫描场域对准问题（或称拼接的准确性问题）、激光分配问题以及多光束的互不影响问题等，这对航空航天部件和其他大型部件影响显著。华曙高科已成功开发含单激光、双激光、四激光、六激光、八激光配置的SLM设备，并实现规模产业化装机，系统的解决了可能出现的问题。 1. 多激光高精高效协同控制技术 自主开发的多激光高精高效协同系统及一套振镜智能校准系统，可实时获取多光路系统扫描位置数据，并智能分析计算各系统之间搭接位移程度，提高搭接调试工作的效率。通过算法及软件控制对不同光路的同一位置进行精准校正来实现多光路一致性，搭接校准精度可以稳定控制在±0.05mm以内。 2. 高精度高稳定性光路设计与控制技术 通过光学理论计算、元器件选型、光路结构及其稳定性设计实现高稳定性光路设计。通过光学检测工具对振镜加工位置进行标定，用算法对位置进行重新校准后，用高位数控制系统实现高精度光路控制。以此能够优化光学系统各部件的设计，提升整体光学系统的热透镜效应，提高加工区域的位置解析度和加工精度。 3. 高精度三轴扫描振镜与动态聚焦控制技术 采用动态聚焦技术，使用 Z 轴振镜替代场镜，通过在打印过程中切换预先配置的多个对应不同光斑尺寸的校准表，在整个打印幅面内获得不同的烧结光斑尺寸。该技术能够提升设备的加工精度和加工效率；实现超大工件长周期加工工况下光学系统的可靠性与稳定性。 4. 高精度激光功率校准技术 根据激光传输过程中的能量损失形成补偿机制，用功率计测量实际功率，并用算法校准到达加工平面的激光功率，可实现不同设备间的一致性，实现功率偏差小于1%。 5. 光斑聚焦及形态校准技术 开发的校准软件技术，对各个激光的聚焦状态以及精度等进行修正，同时控制各光学系统的协同动作，对幅面各点光斑形态进行修正优化。使激光能聚焦在同一个平面，整个幅面内聚焦平面差在±0.05mm内；同时，各激光之间的光斑误差控制在3%以内，实现整个幅面内加工使用的光斑尺寸差异最小化。 增材制造设备机械运动系统技术 运动控制对于金属3D打印来说同样重要，它直接关系到系统能否实现高精度、高稳定性以及高可重复性打印，同时影响到系统的制造效率、安全性以及零件的质量，华曙高科从三个方面入手解决了与之相关的问题。 1. 高精度运动控制技术 在选区激光熔融成形过程中不同功能的运动精度控制中，不仅采用传统的开环控制和半闭环控制方案，还设计实施了全闭环控制方案，实现了设备高精度运动控制，提升了设备性能。 2. 高质量高效率材料铺设技术 在材料铺设装置中配置了高精度伺服电机和减速机，结合传动装置带动执行元件，采用自主开发的PLC精准控制技术，达到动态响应迅速、平稳快速铺设的目标，同时还可实现中途变速、高低速切换、定点精确停置等功能。为工件的高质量成形提供了可靠的保证，使铺粉速度精确可调，铺粉过程无抖动，粉面平整，层厚均匀；同时，可实现中途变速、高低速切换、定点精确停置等功能。 3. 高密封性成形腔体设计与惰性气体气控技术 通过采用特殊的密封结构和密封元件，确保了各连结位置的高质量密封；采用自主气控技术，可调整惰性气体在不同阶段进入腔体内的流量、压力等数值，使成型腔体内部惰性气体压力始终保证一定的正压；同时配置相应的监控元件实时监测并反馈腔体内氧含量，全方位确保腔体内氧含量浓度满足标准要求。成形过程中腔体氧含量控制在100PPM以下，为高活性金属的建造成形提供重要的技术条件与保障。 高均匀性、高稳定性大幅面风场设计与控制技术 研发设计了可考虑设备-材料-工艺等多维度协调匹配的风场管路结构，形成了通用型风场设计体系，可实现达到米级以上幅面的高均匀稳定性风场。 增材制造设备高效智能与自动化技术 随着制造任务加速增多，零件的尺寸越来越大，用户对装备的操作效率、零件的质量保障以及人员安全要求越来越高，3D打印系统的智能与自动化成为金属3D打印发展的必然方向。近些年来，与之相关的技术不断发展，智能监控、封闭化管理、多模块融合等成为实现上述要素的重要手段。紧跟发展方向，华曙高科推出了一些列相关技术。 1. 铺粉质量智能识别监控技术 开发了用于铺粉质量检测的图像视觉处理算法技术，对获取的图像进行阵列式排列、二值化处理、中间图像处理、结果图像统计与分析等，从而智能识别质量问题，并进一步智能匹配不同的补救措施。能够智能准确识别出铺粉质量问题；可根据问题类别智能匹配不同的补救措施；可规避铺粉质量问题引起的成形过程不可控，提高产品制造成功率及设备与材料利用率。 2. 多模块智能化连续增材制造技术 设计集制造机构、冷却机构和传输机构于一体的多功能装置，为粉末预热、粉包冷却、粉末清理等过程设计独立运行的处理模块，实现多模块功能的并行运作及有效流转，实现高效率连续制造。使设备能够连续生产，提高使用效率，最大化利用设备产能，为组织大规模的增材制造提供解决方案。 3. 粉末自动循环技术 大型设备中的粉末通过动力系统和管路，按照打印的实际需求，实现从供粉系统-铺粉-余粉收集-余粉筛分-供粉系统的全过程惰性气体保护与全自动循环。全闭环控制，可以实现自动化控制，减少生产员工的工作量，有利于粉末管理、避免粉末交叉污染，提升安全、环保性能与生产质量。 增材制造工业软件系统技术 华曙高科建立了完整的专业化软件技术团队，始终坚持系统全套软件的完全自主研发。公司目前拥有完全自主知识产权的全套3D打印工业软件、操作系统，包括数据处理系统Buildstar和设备控制系统Makestar，是将增材制造多个模块功能集成一体的系统控制软件，也是具有开源性特征的 3D 打印软件系统。 其中数据处理系统Buildstar拥有图形分层切片、扫描路径规划生成、STL 文件修复、参数校准补偿、支撑一键生成、多种扫描策略等功能；设备控制系统Makestar 集合制造与故障诊断、温场控制、远程监测、数字化振镜扫描控制、数据反馈与集成控制等功能于一体，操作设计上人性化，兼容性强。此外，华曙高科软件与第三方建模软件完全兼容，使客户操作更灵活。 END 通过持续自主创新，华曙高科建立了涵盖选区激光熔融（SLM）和选区激光烧结（SLS）技术路线的“设备-软件-材料-工艺-应用”全链条一体化自主技术体系，形成了相关技术自主知识产权，构建了公司的主要核心竞争力。 目前，华曙高科金属3D打印设备全球销售量超过300台，单一客户金属设备销售量超过25台。在技术成熟度方面，这些3D打印设备拥有面向高效益产业化生产需求连续稳定运行的能力，能够为客户带来持续的生产力价值。 2022年8月31日—9月2日，亚洲最大的3D打印技术专业展览会——TCT亚洲展将在深圳国际会展中心（宝安）重新起航。工业级3D打印领航企业华曙高科将以全新形象，连续第8年盛装亮相2022 TCT亚洲展，为全球用户展示开源创新、更具产业化、更加成熟稳定的全新金属、高分子3D打印解决方案，欢迎各位新老朋友莅临华曙展台与技术专家交流。 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.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.深度揭秘华曙高科多激光金属增材制造成功之道 3.Raise3D将携大尺寸、专业级、高速FFF新品RMF500亮相TCT 3D打印展 4.被国外评测的中国3D打印机：纵维立方Kobra Max水平如何

近日，3D打印技术参考注意到，由拜登政府推出的AM Forward计划又有新的重量级参与者——波音和诺格。此前，通用航空、雷神、西门子能源、洛克希德·马丁和霍尼韦尔已同意参与该计划。 拜登政府推出的AM Forward计划，要求美国的一些最大的制造商承诺从规模较小的企业采购更多3D打印部件。这不仅仅是为了推动美国中小企业生产3D打印产品，更希望此举能够提高美国制造业的竞争力，该计划还要求大型企业承诺帮助培训相关中小企业的员工，并协助制定通用的研发和认证标准。 本期，3D打印技术参考介绍已同意参加该计划的公司对3D打印技术的使用情况。 1. 西门子能源：90台金属3D打印机、100种认证应用案例、400种零件进入批量生产 西门子能源是全球电力传输和发电领域的领导者，全球总发电量的约六分之一基于该公司的技术，并于2020年上市独立运营。能源业务的分拆，是西门子向更专注的工业技术公司转型的最新篇章，尤其在金属数字增材大规模生产服务方面，西门子能源已经成为领先的采用者与供应商，其燃气轮机机中的3D打印部件运行时间已超过150万小时。 西门子能源3D打印典型应用 如今，西门子能源已拥有约90台工业金属3D打印机，其中大部分用于连续制造燃气轮机零件，同时进行技术开发并提供服务。基于此，西门子能源可能是当前能源领域最大的增材技术应用方，公司致力于使能源领域成为增材制造技术最大的垂直行业之一。目前，西门子能源拥有400多种符合批量生产条件的材料，对于粉末床熔融技术，则已经实现100多个合格的能源行业应用。 2. 雷神公司：将3D打印用于导弹部件制造 雷神早在2016年就已尝试通过3D打印寻找新的导弹部件制造方法。 2019年7月，雷神宣布开发一款新型吸气式高超音速武器，其中源动力超燃冲压发动机的全部零件将采用3D打印制造，而该发动机由诺格提供，后者甚至打算完全通过3D打印的方式来制造超燃冲压发动机全部的零件。 雷神将3D打印用于导弹部件制造 2022年7月，美国雷神公司宣布完成第二次高超音速武器飞行试验并直言使用的超燃冲压发动机是完全3D打印的，该发动机由洛克达因提供。 该公司高级导弹系统部门副总裁表示，3D打印一体化制造减少了传统工艺中的焊接流程以及制造成本，同时也更利于寻找减轻重量的方法，以便可以携带更多的燃料和载荷。 以此看来，雷神工艺并不排除将3D打印作为其重要的供应链技术。 3. 洛克希德·马丁：关注多种3D打印工艺 2014年，电子束增材制造技术沉积工艺的领导者西亚基向洛克希德•马丁公司制造了空间系统的关键半球形罐组件。 2019年3月，洛克希德•马丁公司获得了全球复合材料领域顶级展会JEC组委会将2019年度增材制造（3D打印）创新大奖。 洛克希德·马丁采用3D打印技术制造的钛合金半球形罐 2022年3月中旬，美国成功测试一枚高超声速导弹。这枚由洛克希德·马丁公司生产的高超音速巡航导弹从B52轰炸机上发射，以大于5马赫的速度飞行，飞行高度超过19812米，飞行距离超过482.8千米。该超声速导弹由洛克达因超燃冲压发动机提供动力，而该发动机的制造采用了3D打印技术。洛克达因表示，通过使用创新的制造技术和材料，他们不仅提高了产品性能，同时大幅降低了成本和开发时间。而在此次测试中所使用的超燃冲压发动机因使用3D打印技术，使零件的数量相比此前X-51A Waverider（美国另一款高超声速武器）的发动机零件减少了95%。 3D打印技术参考了解到，洛克希德·马丁还购买了DesktopMetal的桌面挤出金属3D打印机，以及中国高性能聚合物3D打印机制造商远铸智能的装备。 4. 通用航空：将金属3D打印技术用于批量生产 通用航空集团于2010年成立增材制造部门，并在2012年成功用增材制造的方式生产了第一个燃油喷嘴。截止到2021年8月，3D打印技术参考注意到，3D打印的航空发动机燃油喷嘴已超过10万个，并实际应用于其最先进的LEAP和GE9X中，涉及的机型包括空客A320 NEO、波音737 MAX、波音777X和中国国产C919大型客机。 通用航空典型3D打印技术应用 通用航空集团旗下GE Additive具有强大的金属3D打印设计及批量制造能力，其将300个零件合并为一个，3D打印了发动机的中框结构，也将304个3D打印零件用于GE9X，还批量3D打印了燃油喷嘴和TiAl合金叶片。其拥有激光和电子束粉末床熔融3D打印技术，并正在开发粘结剂喷射金属3D打印技术。截止到2022年5月，3D打印技术参考了解到，GE Additive已经推出了第三代粘结剂喷射金属3D打印系统。相关资料指出，其成型尺寸达到390*390*267mm，已通过UL和CE认证，具有惰性和密封环境，无粉末暴露（闭环），完全能够处理反应性和易燃粉末。 5. 波音公司：寻求多种3D打印工艺 波音对3D打印技术的应用和探索可谓非常大胆，且重视力度十足。 波音公司与ORNL合作采用后者的反应增材制造（RAM）打印机——大幅面热固性复合材料3D打印机制造模具。 波音787梦幻客机机身中段和后段，采用Norsk Titanium公司的快速等离子体沉积工艺3D打印。 波音787上面有众多3D打印零件 波音研究与技术实验室与Thermwood公司合作，采用后者的LSAM1020设备和由碳纤维增强的PESU材料来进行零件打印，验证其作为低成本、快速制造方式替代传统工装制造方法的可行性。 2021年，澳大利亚公司AML3D收到了一件来自波音的订单，为这家航空航天制造商3D打印大型金属工具，这是该公司从波音获得的第一个订单，并有可能成为其进入利润丰厚的航空航天制造领域的切入点。AML3D采用基于线材的电弧增材制造工艺，通过将金属线材连接到工业机械臂的焊接系统中进行3D打印，并专门为国防、海事、汽车等领域的客户提供商业大型“金属增材”制造服务。 波音还拥有一个增材制造中心（BAM），它的成立是为了进一步推动公司开发可重复、稳定和可靠的增材制造工艺，并满足认证和质量要求，提高飞行部件和系统的增材制造技术用量。 此外，波音还购买过中国3D打印制造商上海复志的相关装备。 6. 霍尼韦尔：使用3D打印全面进军航空制造业 霍尼韦尔目前已经建立了四个3D打印技术中心，分别位于美国凤凰城、印度班加罗尔、中国上海以及捷克的布尔诺。 这家航空制造业巨头目前正在用3D打印技术制造小批量但价值高的零部件，在该公司看来，当客户所需的生产数量较低时，零部件制造的成本会迅速上涨，增材制造则是解决这一问题的好办法。使用3D打印技术生产小批量零件，可以节省客户的成本和时间。 霍尼韦尔典型3D打印技术应用该公司使用3D打印技术已经制造了包括镍基高温合金材料制成的飞行试验部件、旋转涡轮式发动机零件，并通过循环旋转测试验证了制造过程和材料属性。霍尼韦尔的合作品牌有EOS、Velo 3D以及此前的Digital Metal等。 END 3D打印等技术能够将零件交货时间和材料成本减少 90%，并将能源使用量减少一半。但很明显，白宫也已看到，目前仍没有足够多的公司使用3D打印或其他高性能先进制造技术。拜登政府的一位官员表示，该计划可能会扩展到汽车或半导体行业。 完全巧合的是，该计划于5月份提出，而在此前的三月份，中国工信部推出了增材制造典型应用场景的征集计划，并在本月完成征集，共36项应用场景入选。该计划旨在将3D打印技术在国内多个领域取得更进一步的应用与发展，其鼓励在相关领域运用安全可控的新材料、新装备和新方案，缩短研制周期、改善产品性能、降低制造成本、节约材料能耗、提升生产效率，形成可复制可推广的增材制造新业态新模式。相关参与单位也均在所属领域处于领头羊的地位，能够分享应用经验，无疑将实际促进技术的落地应用。 所以，两个计划均透露出两个国家对增材制造技术的重视程度，但侧重点也有不同，谁的效果更好，将在很长的时间内才能看到。 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.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.拜登打卡以采用SLM 3D打印大尺寸金属部件著称的Sintavia，及新政策启示 3.36项 | 工信部首批增材制造典型应用场景名单公示 4.面向工厂车间的「集成式」立体光固化增材制造解决方案

采用传统制造技术，可以对数千种合金进行加工。对于金属3D打印技术而言，可供使用的材料数量极其有限，且不像传统加工那样拥有数十年的加工和使用经验。此外，航空航天部件通常要求具有关键特性，其在恶劣环境（高压、腐蚀性流体或从低至−252°C的低温到超过1000°C的高温）下使用时所设计的阈值极小，并且此类部件需要安全可靠的在高频率循环状态下工作数千小时。因此，对最终用途部件所选择的合金提出了苛刻要求。 航空航天增材制造所需求的金属包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金以及难熔合金。NASA的工程师根据当前的研究和行业应用情况总结了53种适用于金属增材制造的合金材料，覆盖了从基于熔化和固态成型的当前几乎所有的工艺类型。其中一些合金源于传统加工材料，并继续用于制造航空航天部件。新材料和现有的合金都在不断地开发和优化中，所总结的材料种类仍有很大的扩充空间，很多合金目前仅达到了开发阶段，可能不完全符合使用特定增材制造工艺的航空航天应用要求。在所有金属增材制造工艺中，L-PBF、LP-DED和AW-DED（电弧线材能量沉积）是研究最多的领域，而对激光线材能量沉积工艺的研究则少得多。固态增材制造工艺在研究和工业应用中越来越受欢迎。 根据所使用的增材制造工艺，原料可分为预合金粉末（通常通过气雾化生产）、线材、片材或实心棒材等。虽然与锻造合金相比，可用材料的数量有限，但仍有许多常用和知名的高温和流行的航空航天合金可供使用，但成熟度水平各不相同。 采用不同金属3D打印的复杂航空零件：(a)L-PBF打印的Nb C103主动冷却推进器 (b)L-PBF打印的钨主动冷却控制面(c)L-PBF打印的GRCop-84燃烧室(d)质量-优化的AlSi10Mg低温推进剂喷射器，外部有晶格结构，内部包含流道(e) L-PBF的直径600mm In718集成热交换器(f)LP-DED制造的NASA HR-1核热推进室镍和铁基高温合金应用较多是因为它们在高温和高压下具有出色的机械性能，并且经常用于恶劣的环境（耐腐蚀和抗氧化）。镍基高温合金在3D打印领域广泛使用，并以In625和In718最为突出用于许多应用。A-286、JBK-75和NASA HR-1等铁基高温合金通常用于高压氢应用（如火箭发动机），可以降低与氢环境脆化相关的风险。此外，这些超合金具有高抗蠕变性，这些特性的组合有助于显著提高现代飞机发动机的效率。高温合金是制造高压燃气轮机燃烧室、涡轮机、外壳、圆盘和叶片等许多部件的关键材料。其他高温和低温应用包括用于液体火箭发动机的阀门、涡轮、喷射器、点火器以及歧管等。目前，超过50%的先进飞机发动机质量由镍基超合金组成。 强度重量比是另一个关键指标，钛合金因具有出色的耐腐蚀性和耐温特性以及出色的比强度在航空航天领域应用极广，并且一直在增材制造领域备受关注。具体来说，Ti6Al4V是起落架、轴承架、旋转部件、压缩机盘和叶片、低温推进剂罐和许多其他航空航天部件的常用合金。Ti6242可用于压缩机叶片和旋转机械零件，TiAl合金则可用于这种涡轮叶片。 虽然比钛合金强度低，但铝合金具有良好的强度重量比，是一种常见且和成熟的航空航天材料。用于增材制造零件生产的铝合金包括基于合金元素的1xxx、2xxx、4xxx、6xxx、7xxx系列，其中许多可采用搅拌摩擦焊和超声波焊接等固态增材制造工艺制造。铝合金目前采用粉末床和能量沉积工艺可以减少开裂，可打印的种类包括AlSi10Mg、F357、A205、7A77、6061-RAM2、Scalmalloy等。然而，铝合金也存在许多缺点，如高温性能差，存在焊接修复问题，而且高强度铝合金的抗应力腐蚀开裂能力较差也较为常见。 LPBF制造的AlSi10MgSentinel-1 天线支架(b)LPBF制造的Ti6Al4V高价值航空支架(c )激光增材制造的 In718法兰(d ) LPBF制造的Ti6Al4V飞机支架 与钛或超合金相比，不锈钢具有良好的强度重量比、耐高温能力以及较低的成本，因此广泛用于飞机和航天器部件制造。不锈钢在适当的环境下表现出高耐腐蚀性、抗氧化性和耐磨性，可用于制造发动机和排气系统、液压部件、热交换器、起落架系统和结构接头。在航空航天领域，可制造铰链、紧固件、起落架和飞机上的其他部件。可用于金属3D打印的不锈钢包括316L奥氏体钢和17-4PH沉淀硬化钢等。尽管有很多优点，但钢的密度相对较高，通过传统技术易于成型，采用金属增材制造技术制造不锈钢零件在航空航天领域应用有限。 对于不需要高导热性的高温应用，可以使用钴基合金（包括钴铬和钴铬钨硬质合金）。然而，当导热性成为优先选项时，铜合金会被有限选择。它的高导热性非常适合制造热交换器。对于火箭应用，需要最高效热交换的位置位于推力室，该区域承受高压，在这些环境中使用的铜合金需要具有高强度和高导热性（同时满足与所选推进剂兼容）。成熟的常见3D打印铜合金包括GRCop-42、GRCop-84、C18150(Cu-Cr-Zr)、C18200(Cu-Cr)和GlidCop（纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料）。3D打印技术参考此前介绍过多种铜合金材料及工艺和材料特性，可查询往期文章。 增材制造并不一定只能制造单一金属并不是，它可以创建定制的双金属和多金属结构。可以在设计中离散地添加材料来优化热或结构特性，如结构护套、法兰、凸台或其他特征的形式，从而优化整个子系统的重量。此外，还可以制造金属过渡或功能梯度材料。 可用于航空航天领域的其他金属合金包括难熔金属，如铌、钽、钼、铼和钨及其合金。铌基C-103在辐射冷却喷嘴、空间反应控制系统和高超音速机翼前缘等应用中很常见。其他铌基合金（WC3009、C129Y、Cb752、FS-85）可用于制造再入飞行器热保护系统以及空间反应堆堆芯结构；钽基合金（Ta10W、Ta111、Ta122）通常用于制造具有腐蚀性的高压和超高温环境；钼基难熔合金可用于超高温应用，如碱金属热管和核热推进燃料元件。稀土基合金在增材制造方面的开发要少得多，但在燃烧室和单晶涡轮叶片中具有潜在用途。 本文对航空航天领域各类材料的特点介绍较为全面，3D打印技术参考不再做最后总结。此外，本文是NASA航空航天应用经验总结系列文章总结的第二篇，后续将继续呈现更多精彩内容。   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;硕博千人交流群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.NASA工程师总结：航空航天金属增材制造部件的生命周期 3.NASA金属增材制造在火箭推进领域的应用进展——工艺和材料 4.NASA 2022年最新「航天增材制造技术」应用经验总结（中文）

近日，3D打印技术参考注意到，EOS已与美国能源部 (DOE) 签署了一项合作研究与开发协议，将在橡树岭国家实验室（ORNL）开展一项关于金属3D打印质量控制的合作研究项目。需要指出的是，EOS与ORNL均开发有基于粉末床增材制造逐层异常检测的工具。 EOS模块化的监测产品包括四个不同的监控模块：System and Laser、PowderBed、MeltPool 和 Exposure OT（光学断层扫描）。除了监控一般系统状态的多个传感器外，OT技术使用sCMOS工业相机监控整个制造环境，并以高分辨率测量熔化过程的热量排放，始终控制材料的扫描过程和熔化特性，确保最佳的铺送粉和成型质量。同时，可配置软件将记录每层打印质量的详细信息。光学层析成像可以再现监控过程，并提供整个制造过程的质量分析方法，从而能够逐层和逐个地对金属增材制造过程进行更全面的质量控制。以前在下游进行的质量控制过程的很大一部分（无损检测）现在可以在制造过程中进行，从而显著降低与质量保证相关的成本。这同时能够满足批量生产中客户的要求。 ORNL则开发了一款基于神经网络的程序，它可以对从设计、材料、打印到测试的整个过程的每个步骤收集和分析数据，实时评估零件质量。开发了一款基于神经网络的程序，它可以对从设计、材料选择、打印到测试的整个过程的每个步骤收集和分析数据，实时评估零件质量。ORNL的深度学习算法基于神经网络动态识别，在台式计算机上，结果反馈的速度足够快，可以实时分析所有已探查机器类型的现场数据。在每个成像系统的原始分辨率下，可以按像素提供异常分类，定位精度往前迈进了一大步。在2020年，该算法已成功在九种不同粉末床3D打印机上进行了演示，这些机器涵盖了三种不同的技术。此外，探索的成像系统包括可见光、中红外和近红外相机，有效分辨率范围为20μm至290μm。重要的是，所开发的深度学习算法允许在不同的粉末床机器之间无缝传输学习的知识，从而减少了与每个单独机器相关的数据收集和手动数据标记负担。 研究人员使用基于神经网络的程序监视和分析3D打印的组件 此外，研究人员发现新型的深度学习算法在异常类别的鉴别方面相比以前的算法实现了更低的误报率，七个类别中的四个类别的误报率下降了25%以上。此外，逐层分类的时间减少了12倍，而改进的定位能力和融合后图像的加入可以识别更多类型的缺陷。 作为协议的一部分，ORNL研究人员将使用EOS M290及EOSTATE MeltPool 监控软件进行操作和数据收集。 金属3D打印过程需要监测哪些数据 目前，过程监控技术主要针对粉末床激光和电子束熔融技术，其影响3D打印质量的参数达50多个，每个参数都会影响最终零件的质量。总体可分为三类： （1）设备状态和环境状态的监测 对于以激光为热源的3D打印技术来说，首先要监测的设备状态参数是激光功率、设备温度，更复杂的监控涉及到监控束斑的位置和聚焦，当偏差超过极限时系统将关闭。另外，激光3D打印设备都采用惰性气体保护来确保金属熔化时不发生氧化，因此也会对打印环境中氧含量进行在线监测。 电子束打印机需要监测的参数有真空度、电子枪的电压、束流、设备温度等。 （2）粉床铺粉的一致性监测 其原理是采用CCD摄像机，拍摄每一层铺粉后的粉床照片，通过对比标准的照片数据，检测粉床的平整度、有无凸起的高点、有无夹杂物等，如果发现问题可以通过一些技术措施纠正修补。 不同铺粉状态下的信号反馈 （3）工艺过程监控 工艺过程的的监测是最为复杂的。主要有熔池温度的监测、熔池形状参数的监测、扫描轨迹以及粉床温度的检测等。同时，工艺监控模块还需要测量熔化过程的热量排放，始终控制材料的扫描过程和熔化特性，识别出每种可能的缺陷类型，包括孔洞、孔隙、固体夹杂物或不完全熔合等。电子束选区熔化对粉床温度的监测尤为重要，这种工艺要对每一层粉末进行预热，预热的温度是决定成败的关键因素。 3D systems DMP Inspection自动执行数据分析 金属3D打印过程需要监测哪些信号 在SLM金属3D打印过程中，激光与材料作用会产生声、光、热及振动信号，这些信号中包含着丰富的信息，能够反映加工状态和构件内部缺陷，缺陷监测对识别失败构件、预测构件性能及反馈控制尤为重要，获得准确的监测数据是实现质量控制的前提。此前，华中科技大学联合上海交大、清华和南科大共同发表研究成果，曹龙超博士详述了当前SLM监测中用到的信号类型、监测技术和监测手段。 （1）声信号 SLM制造过程中，由于类型、尺寸、形态、位置等因素的差异，每一种缺陷都能够产生具有独特特征的声信号，采用合适的传感器采集并识别不同信号对应的缺陷类型是SLM过程监测的关键难题，也是质量控制的重要前提。声信号可以对SLM过程状态和缺陷进行监测，同时，提取声信号特征，可以建立信号特征和缺陷的对应关系。声信号传感器的相对位置、角度等对采集到的信号有较大的影响，在布置时需要重点考虑。目前，声信号的监测主要针对SLM单轨道扫描，需要进一步开发适用于多轨道多层甚至零件加工全过程的声信号监测方案。 （2）光信号 粉层、金属蒸汽、飞溅、熔池、小孔、凝固层等产生的光信号可以通过相应的光学传感器进行监测。目前，基于光信号对SLM过程进行监测是最常用的手段。研究者采用数码相机、高速摄像机、光谱仪/光电二极管和X射线等设备采集SLM过程中的光信号，进一步提取特征，对SLM构件的质量和缺陷进行监测。 基于光信号的SLM过程监测能够直观地反映粉层、熔池、飞溅和气孔等信息，是目前应用最多的SLM过程监测手段之一。近年来，光谱仪、激光超声等手段也逐渐应用于SLM过程光信号的监测。 （3）热信号 热传递是实现SLM过程的驱动力，熔池的形成与动态行为、液态金属的冷却与凝固、凝固层的热循环等都与热传递有关。SLM过程中复杂的温度历程对构件的微观组织、残余应力、变形等有直接影响，均匀的温度分布会形成质量良好的构件，不合理的温度分布会影响构件结构的完整性和质量。因此，研究热行为对保证SLM构件质量具有重要意义。 温度监测的难点在于材料的辐射率不易获得，辐射率与材料的形态、温度分布等关系密切，即便已知材料在常温下的辐射率，但在SLM过程中，材料的形态有粉末态、液态、固态及气态，而且不同位置的温度有差异。因此，粉层表面辐射率并不是常数，而是随材料状态、空间及温度变化，获取SLM过程中的辐射率是非常困难的。一个有效的解决办法是采用双色高温计和红外热成像仪相结合，因为双色高温计对辐射率的变化不敏感，可以用来校核红外热成像仪，这方面的有待进一步研究。 （4）振动信号 SLM过程中的振动信号也能很好地反映加工状态和构件质量。通过振动信号可以判断SLM过程中熔透深度、裂纹、铺粉质量等。SLM过程中铺粉辊的运动、小孔的形成、熔池的波动等均会产生振动信号，采用加速度传感器监测振动信号，也能为SLM过程监测提供一种有效手段。目前，基于振动信号对SLM过程进行监测的研究比较少，尚需在传感器的选择、布置、信号收集与处理方面进行深入研究。 （5）多信号融合 采用单一的传感信号仅能反映加工过程中的某一方面信息，不能全面地反映加工状态和缺陷信息，导致监测的信息不全，且监测的准确性不足，而采用多种传感器采集多方面信号能够比较全面的反映加工状态，使监测准确性大大提高。 END 为了提高金属粉末床增材制造技术的工业可接受度，很多厂家目前均推出了在线监测模块来检查制造过程中的异常情况，如刮刀碰撞、粉末铺设不均、飞溅以及孔隙等等。然而，这些实时监控手段能否具有足够的自动化水平，在分析生产过程中收集的数据方面，能否智能分析、判断并做出相应指令，还有待观察。 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.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.金属3D打印过程监控技术的监测数据和措施有哪些 3.西空智造推出国产金属3D打印在线监控系统 4.基于AI的粉末床增材制造逐层异常检测和分类