高性能航空航天飞行器正朝着速度更快、寿命更长、稳定性更高的方向发展要求其发动机推重比和效率不断提升，热防护系统耐热性和服役可靠性增加。随着航空发动机推重比和热效率的提高，发动机的涡轮进口温度需不断提高。开发具有优异高温力学性能和更高耐热极限的新型轻质超高温结构材料已成为发展更高推重比航空发动机的迫切需求。 基于熔体生长技术制备的氧化物共晶陶瓷具有高熔点（>1700℃）、低密度（<6g/cm3）、天然的抗氧化性和极为突出的高温力学性能，具有可应用于航空航天领域的巨大潜力。熔体生长的Al2O3/GAP共晶陶瓷弯曲强度可由室温保持到1700ºC，在该温度下热暴露500h后，强度基本保持不变，表现出优异的性能稳定性。1700ºC的大气氛围中热暴露500h后，氧化物共晶陶瓷的尺寸、重量、表面粗糙度基本不变，体现出杰出的抗氧化性和抗热腐蚀性。氧化物共晶陶瓷在1700ºC下水蒸气环境中保持10h后，质量没有损失，强度没有下降，表现出优异的抗水氧腐蚀性能，ZrO2的添加能够在共晶陶瓷中发挥相变增韧作用。  图1 激光粉末床熔融技术结合有限元数值模拟制备Al2O3/GdAlO3/ZrO2氧化物共晶陶瓷及其试样和组织形貌  激光粉末层熔融技术以高能激光束作为热源，按照设定的三维模型，经逐层加工/层层堆积制备三维实体样件。同传统制备方法相比，该技术摆脱了坩埚、夹具等装置的限制，具有柔性制造、近净成形、生产周期短、成本低等特点，被誉为是制造领域的一场“绿色工业革命”。该技术在制备复杂结构零件方面具有无与伦比的优势。将激光粉末层熔融技术可加工复杂构件的突出优势应用到氧化物共晶陶瓷的制备中，有望突破氧化物共晶陶瓷的一步近净成形，对于推动我国航空航天用新型轻质、高强、耐高温、抗氧化、长寿命超高温结构材料的发展具有重要战略意义。 1. 成果介绍 近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了一种通过激光粉末床熔融技术制备复杂结构氧化物共晶陶瓷的新方法。利用热力耦合数值模拟方法分析研究激光逐层打印氧化物共晶陶瓷过程中的温度场和应力场，进一步分析氧化物共晶陶瓷中裂纹的形成及扩展机理。结合数值模拟结果及实验优化，制备获得了尺寸约为30mm×30mm×1mm，表面光滑且具有典型复杂结构特征(圆形、三角形、正方形、六边形)的Al2O3/GdAlO3/ZrO2氧化物共晶陶瓷试样，如图1所示。直接快速凝固获得的三元共晶陶瓷材料具有超细层片状组织特征，共晶间距可细化至88nm。相关工作以题为“Large-size complex-structure ternary eutectic ceramic fabricated using laser powder bed fusion assisted with finite element analysis”的研究论文发表在Additive Manufacturing，2023, 75: 103627。  https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103627 2. 研究解析 激光粉末床熔融技术，利用高能激光束按照设定路径逐层快速熔化、凝固粉末材料。粉末材料经历急热、急冷、层层熔凝的加工方式，成形过程涉及温度场、应力场、流场等多场耦合，熔池经历复杂的非平衡态快速凝固过程，温度变化剧烈，冷却速率快，影响因素众多，因此成形极易产生开裂、翘曲、熔化不良等多种宏微观缺陷。严重降低试样性能，且极易导致成形失败。氧化物共晶陶瓷材料脆性大，硬度高，熔点高，裂纹缺陷抑制难度大，激光增材制造工艺窗口小。因此，探明合适的打印窗口并抑制缺陷的产生以提高打印成功率并改善试样性能是激光增材制造的关键难点。 随着计算机技术的飞速发展，借助有限元数值模拟技术能够辅助获得优化工艺窗口，并且对于深入了解加工过程，获得激光熔覆过程中的温度场及应力场分布特征，进一步揭示缺陷及组织形成及演变机理具有重要的指导意义。 为获得熔体生长的氧化物共晶陶瓷，薄层的具有共晶配比的陶瓷粉末材料经过高能激光器扫描下，快速并完全熔化，自生复合，层层熔覆成形共晶氧化物陶瓷。制备实验采用自主设计研发的氧化物陶瓷LPBF装备。粉末材料为喷雾造粒法制备的具有三元共晶配比的陶瓷粉末。粉末材料呈球形或近球形，粉末粒度D50=28.3μm。激光扫描策略为“之”字形，层间旋转90°的扫描方式。激光功率200-300W, 扫描速率100-450mm/s。高能激光器快速扫描下，陶瓷粉末材料能够完全熔化，自生复合，层层堆积成形三元共晶氧化物陶瓷。 利用ABAQUS软件建立单道、单层、多道、多层加工过程中的热力耦合模型。利用单道扫描实验获得的共晶陶瓷熔池形貌，验证温度场结果的有效性。通过顺序耦合数值模拟获得应力场分布，利用XRD德拜环应力测试验证应力模拟结果。  图2 热力耦合数值模拟及其验证工作：(a) 温度场模型, (b) 利用熔池形貌验证不同激光功率及扫描速率(c)下的温度场模拟结果, (d) 利用XRD德拜环应力测试验证热应力模拟的有效性   图3 多道LPBF应力场分布特征(a),多道试样表面裂纹分布(b),不同加工道次下试样边缘应力及温度分布特征(c-d)，不同节点处的应力及温度分布(e-f)  综合比较不同位置处的最大主应力特征发现裂纹敏感性较高的区域为熔覆层边缘沿扫描熔覆道方向的中心位置。随熔覆层数的增加，最大主应力逐渐从拉应力转变为压应力，Y轴向（垂直于扫描方向）拉应力较大。因此，多道堆积过程中沿扫描方向的纵向裂纹敏感性较大。沉积方向的应力表现为压应力，随层数的增加应力值逐渐增大。加工过程存在一定幅值的切应力，该切应力是导致裂纹偏转的主要原因。 随扫描道数的增加，平行于扫描方向的Y轴主应力逐渐增加，且最大主应力位置与最大温度值所在位置有半个熔池距离的偏移量，垂直于扫描方向的X轴向主应力随扫描道增加逐渐增大，扫描起始位置处则为压应力。随扫描道数量增加，应力幅值逐渐增大，因此，为限定最大应力幅值，可以适当减小单道扫描长度，扫描长度过小则由于激光初始阶段不稳定及激光高温热震作用极易产生缺陷。对脆性材料，实验过程中重点控制拉应力幅值，抑制裂纹缺陷是保证熔覆过程稳定持续的关键。 图4 LPBF制备的三元共晶陶瓷试样, (a-b)不同参数下制备的块状薄板试样, (c-d)相同参数下退火前(c)后(d)具有不同形状特征的陶瓷试样  实验过程优化后，创新性地制备出不同形状、具有表面光泽的三元共晶陶瓷试样。LPBF方法制备获得高精度复杂形状陶瓷的可行性得到验证，试样表面光滑，加工参数控制不当易形成裂纹、翘曲，影响加工的持续进行。模拟结果与实验结果吻合，裂纹极易发生于试样边缘区域。 3. 结论与展望 该研究综合分析了激光粉末床熔融增材制造氧化物共晶陶瓷过程中单道、多道、多层熔覆的温度场及应力场分布规律。综合分析了裂纹的形成及扩展机理。将模拟与实验相结合是突破大尺寸复杂结构氧化物共晶陶瓷一步快速制备的关键新技术。该研究为获得具有高质量复杂陶瓷试样制备提供了理论和技术基础。 作者简介   苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师，材料学院副院长。国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”，陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷、生物陶瓷、钙钛矿太阳能电池、结构功能一体化复合材料以及定向凝固与增材制造技术等。主持包括国家自然基金重点、优青等6项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，发表SCI论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及2项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。 注：本文内容由作者团队供稿，转载请获取授权。 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.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 2.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 3.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 4.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

商业纯钛（CP-Ti）由于强度不足导致在实际工程中的应用被广泛限制。一般强度增强通常是以牺牲延展性为代价，因为这两种重要的机械性能通常是相互排斥的。最近浙江大学的科家们通过增材制造（AM）将316L不锈钢形式的多元素Fe-Cr-Ni-Mo系合金添加到CP-Ti中，实现强度和延展性的同步增强。CP-Ti和316L合金熔体在激光熔化沉积过程中局部均质化产生了ɑ板条组织、不连续ɑ晶界, 和β相的微观组织，Ti-1.35Fe-0.36Cr-0.24Ni-0.05Mo合金具有更高的极限抗拉强度（635MPa）和更大的延展性（12%）。从元素粉末到增材制造，这种方法可以为设计高性能金属材料提供指导。相关研究成果以：“Additive manufacturing of titanium alloys with enhanced strength and uniform ductility via multi-element alloying”为题，发表于中科院材料科学一区TOP期刊《Journal of Materials Research and Technology》。   www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423009341 钛合金，特别是商业纯钛（CP-Ti），由于其优异的耐腐蚀性，可加工性和生物相容性，在海洋，航空航天和生物医学行业中变得越来越有吸引力。然而其强度不足和均匀延展性差，是结构应用的重要安全因素，长期以来限制了该材料的广泛应用。合金化是改善纯金属机械性能的常用方法。结合新兴的增材制造技术，从金属粉末混合物开始的原位合金化对新型钛合金的设计和验证产生了浓厚的兴趣。目前已经有研究人员使用元素粉末Fe和Ti制备了具有高强度和良好延展性的Ti-Fe合金。也有研究者通过增材制造开发了具有精细等轴初级β晶粒和超细共析层状结构的Ti-Cu合金，有助于提高机械性能。简而言之原位合金化钛基合金与铜或铁等单一元素已被用于开发具有良好机械性能的新型合金。然而过度掺入将不可避免地导致脆性二次颗粒（即Ti2Fe，Ti2Cu, Ti2Co ）的形成，进一步降低延展性。针对单元素添加的有限固溶度问题，浙江大学的研究人员重点介绍了多元素合金化，以充分利用溶解度极限内的不同合金元素，同时抑制脆性相的形成。主要制备了两种成分的钛合金，即CP-Ti合金化2wt%316L（S2），CP-Ti合金化5wt%316L（S3），同时制备了CP-Ti（S1）作为对比样品。研究通过激光熔化CP-Ti和316L粉末的混合物，成功制备Ti-Fe-Cr-Ni-Mo新型钛合金。这项工作为通过增材制造原位多元素合金化制备具有改善机械性能的新材料开辟了一条途径。 研究结果表明多元素Fe-Cr-Ni–Mo作为β相稳元素明显降低了固态相变温度。具有密排立方（hcp）晶格的ɑ相是沉积态样品的主相。并且具有少量的体心立方（bcc）β相。通过EBSD对相含量进行统计表明S2样品由97.2%的ɑ相和2.72%的β组成，样品S3由91.4%的ɑ相和8.51%的β相组成。通过对微观组织的分析表明CP-Ti以尺寸为10–100μm的等轴ɑ晶粒为主，而Ti–Fe–Cr–Ni–Mo合金则以篮状组织板条、晶界层（αGB）和β相为特征。EDS结果表明Fe-Cr-Ni-Mo元素在β相中产生富集。   图 1.Ti-Fe-Cr-Ni-Mo合金制造工艺示意图。   表1 样品合金元素成分表。 图2 打印样品的相组成和微观结构表征：（a）DSC曲线；（b） XRD相组成；（c-e）背散射电子 （BSE） 图像，S1（c）的等轴ɑ晶粒，S2（d）的初级β晶粒内的针状ɑ板条；S3（e）的细针状ɑ板条组织；（f–g）扫描透射电子显微照片（STEM）。 图3 S2样品的EBSD和TEM分析：（a）显示ɑ板条晶粒取向的EBSD图像；（b）ɑ和β相的极点图；（c）ɑ和β板条的TEM明场图像，插入显示其所选区域电子衍射图；（d）STEM图像；（e）EDS图结果显示β相中铁、铬、镍、钼元素的富集情况。 基于微观结构特征和差异，拉伸性能和维氏硬度列于图4（a-b）和表2中。样品S1在∼350MPa的应力下开始屈服，极限拉伸强度达到∼430MPa，均匀伸长率为9%。CP-Ti在最终失效之前表现出较大的缩颈应变，然而，缩颈应变显著依赖于拉伸样品的标距长度，而与均匀伸长率无关。与S1样品相比，S2表现出约495MPa和635MPa的屈服强度和抗拉强度，延展性约12%。S3样品的抗拉强度最高（屈服强度720MPa， 抗拉极限920MPa），但延展性最低，为3.37%。三个样品的显微硬度值变化也呈渐进式增加。抗拉强度和显微硬度的提高可归因于以下三个方面：（1）晶粒细化强化。具有较大生长限制因子Q的FeCrNiMo元素可以促进Ti合金的成分过冷，从而导致精制等轴β晶粒和细α晶粒；（2） 固溶强化。FeCrNiMo元素作为β相稳定元素主要固溶于β相，引起明显的晶格畸变，进一步阻碍位错的移动；（3） α/β相界强化。精细的α/β微观结构有助于更大的相边界，可以与位错发生相互作用。这些高度分散的相边界将有助于增强位错存储能力和抗位错运动能力，这解释了S2中更高强度和更大延展性的协同作用。三个样品的延展性与其断裂形态一致（图4c-h）。S1和S2的断裂面呈凹陷，与断裂前的大拉伸塑性变形一致。S2中较小的凹坑（图4d）通过精细的α/β微观结构证明了增量变形阻力。在S3中观察到浅凹坑混合的解理断面。 表2 这项研究中开发的Ti材料机械性能，包括Ti-Fe-Cr-Ni-Mo样品。 图 4 三个样品的力学性能：（a）工程应力-应变曲线；（b）应变硬化速率曲线和真实应力-应变曲线；（c）S1的断裂面显示大韧窝；（d）S2的断裂面显示小韧窝；（e）S3的断裂面显示小凹陷和光滑解理面的混合物；（f-h）分别为S1、S2和S3的拉伸断裂样品的截面图。 为突出多元素合金化的贡献，研究者团队另外制备了Ti-2%Fe，并进行拉伸试验。与S2（Ti-1.35Fe-0.36Cr-0.24Ni-0.05Mo）相比，Ti–2Fe样品的强度略有提高，但延展性明显下降，表明多元合金化优于单元素合金化。 总之这项工作采用新型多元素合金化方法对CP-Ti的组织和力学性能进行了研究。通过激光熔融沉积制备了两种添加不同合金元素的Ti-Fe-Cr-Ni–Mo样品，主要结论如下：   1. Fe-Cr-Ni–Mo的加入可以细化α板条的尺寸并稳定β相，从而有助于细化α/β微观结构。同时，多元素添加成功地抑制了不良金属间化合物的形成。   2. 合金元素较多，显微硬度值和拉伸性能均得到改善。实现了更好的强度组合（约635 MPa）和均匀延展性（∼12%）。 3. 多元素合金化对于CP-Ti性能的提升明显优于单元素合金化。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.报名 | Formnext深圳增材制造展，超300企业+1.5万名观众+80场论坛 2.NASA投入新资金启动25项太空探索3D打印项目 3.日本高校：借助SLA光固化4D打印高强度凝胶 4.日产北美-以汽车雷达安装支架为例的金属零件增材制造

聚芳醚酮 (PAEK) 因其优异的机械性能、良好的生物相容性和高温稳定性而成为增材制造领域重要的高性能聚合物材料。3D打印技术能够制造复杂结构和定制功能的独特优势促进PAEK产品的快速开发，从而促进了其在各个领域的应用。然而长时间以来，此类材料几乎只能采用熔融挤出工艺进行3D打印。 当前国内外绝大多数商业化的激光烧结（SLS）3D打印设备腔体最高粉床预热温度通常为200℃左右，主要用于成形较低熔点的热塑性聚合物材料。PA12及其复合材料(熔点在180℃左右)目前仍是SLS技术用的最多、也是最成功的成形材料，占SLS商品化材料的90％以上。 EOS P810激光烧结碳纤维增强PEEK 超高温SLS 3D打印 而对于高性能聚芳醚酮、聚芳酰胺这类特种聚合物材料来说，熔点较高。以聚醚醚酮PEEK材料为例，其熔点约为340℃，为防止成形过程中的零件翘曲变形，要求SLS成形过程中预热温度设置在330-337℃的(激光烧结窗口)范围内。而老化的PEEK粉末熔点更高，烧结窗口更窄，预热温度设置更是接近400℃，对温度场稳定性和均匀性要求更加严格。 3D打印技术参考查询的华科团队的相关专利指出，现有技术中的SLS设备通常采用红外辐射加热管对成形台面进行加热，这种单纯红外辐射加热的方式难以达到400℃高温，因此亟待需要研发另外一种稳定可控的加热方式来实现诸如PEEK之类的高性能特种聚合物材料的高温激光选区烧结要求，尤其是满足严苛工艺条件下的均匀性预热需求。 史玉升教授团队开发出的能够打印PAEK聚合物的激光烧结3D打印机，可以有效实现400℃的高温预热，因而适用于高熔点聚合物如PEEK的激光烧结成形。 （a）第一代HT-LPBF装备HK PK125，（b）第二代HT-LPBF装备HK PK350，（c）PEEK粉末材料，（d）PEEK材料成形过程 针对现有技术的缺陷或改进需求，华中科技大学团队发明了用于高温激光选区烧结的框架结构、缸体预热方法、相应的光学热力防护及冷却系统。通过结合高温下的激光选区烧结工艺特征尤其是高精度预热的需求，对送粉缸体及成形缸体的内部组成构造重新进行了设计，同时还对具备独立空间的送粉系统和成形系统及其绝热功能组件等进行优化，不仅能有效实现送粉与成形两个关键操作的独立预热与控温，还能有效实现激光烧结温度场400℃的高温精准预热，由此顺利解决高性能聚合物材料在高温激光烧结成形时的翘曲问题，且不需预铺粉过程、降低激光烧结延迟时间，从而得到较高的加工效率和更高的加工精度。 此外，研究团队还制备了适用于激光烧结工艺的PEEK粉末材料，可同时满足粉末高温流动性、烧结窗口与堆积密度等关键指标的要求。制备的粉末整体形貌均一，堆积密度达0.37±0.01g/cm3，烧结窗口达27.26℃。 更为关键的是，史玉升教授团队与华中科技大学附属协和医院杨操教授团队合作，在国家重点研发计划项目的支持下，使用所开发的高温激光烧结设备开展了PEEK的临床应用研究，实现了椎间融合器临床应用。术后定期跟踪随访，进行功能评估，病人各项指标正常，术后恢复良好。 超高温SLS 3D打印商业化案例 在很长一段时间内，公开宣传可以进行PEEK激光烧结的商业化3D打印机只有EOS。其所推出的EOS P800系统内部操作温度为385摄氏度，在此温度下，PEEK材料所成型的部件与产品性能优良。由于不同的温度、新旧粉末混合比例以及冷却过程都会导致烧结部件与产品的性能不同。为了达到PEEK材料的优良性能，EOS在P800系统采用了OLPC（激光功率在线控制）模块，在升温降温过程中由OLPC模块通过实施检测对激光功率进行控制，保障所烧结的部件性能优势且品质稳定。   EOS P810打印的碳纤维增强PEEK零件（来自EOS） 除EOS之外，3D打印技术参考注意到华曙高科的一则消息：成功开发出全新超高温高分子材料3D打印解决方案，并已成功烧结某知名PEEK等高温特种材料。该公司指出，全新的超高温高分子材料3D打印解决方案，采用滚筒铺粉方式，对材料的适用性非常强，打印成功率高，同时用户体验非常人性化，活塞清洁位置设计科学合理，粉末清理十分便捷。 华曙高科超高温高分子材料3D打印的相关医疗产品（来自华曙高科） END 高温激光选区烧结是粉末床增材制造技术的重要分支，其与通常情况下的激光选区烧结技术最大的不同在于其可以加工高性能特种工程塑料，例如聚芳醚酮、聚酰亚胺等。对于这些高性能特种工程塑料而言，其通常具有非常高的熔点，通常高于300℃。为了避免成形过程中制件翘曲，同时保证制件精度，需将成形腔预热到非常高的温度(接近材料熔点)，这对设备和粉末材料提出了非常高的要求。 史玉升教授团队此前还发表了综述文章，从材料性质、成形工艺、力学性能和产品应用等方面阐述了增材制造高性能PAEK材料的最新研究进展，系统介绍了它们在生物医学、航空航天、电子等领域的代表性应用。最后，讨论了高性能增材制造聚合物未来发展的当前挑战和可能的解决方案。相关论文可通过下方链接下载。https://doi.org/10.1002/adma.202200750 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.激光烧结“面曝光”3D打印迎来重要发展，大幅提高速度、降低成本，适应更多材料 2.华科史玉升教授团队开发出能3D打印PEEK的激光烧结SLS设备并成功实现临床应用 3.3D打印PEEK植入物迎来重要发展：国家药监局发布注册审查指导原则 4.材料专场：PEEK 3D打印为何如此困难？成功打印，需要哪些技巧

近日，3D打印技术参考注意到，全球标准组织ASTM International发布了新的战略指南：增材制造现场技术准备报告（QQ群下载）。这份报告是对ASTM AM CoE组织第二次专业研讨会的成果，该研讨会与美国国家航空航天局 (NASA)马歇尔太空飞行中心 (MSFC) 和America Makes 合作举办，旨在探索最先进的监测技术，加速增材制造 (AM) 零件快速且具有成本效益的各环节认证。 该研讨会汇集了来自政府机构、研究组织、工业界和学术界的代表， 讨论了在增材制造资格和认证中应用高成熟度现场监测技术的挑战、技术进步、潜在解决方案和前景，包括使用原位方法的增材制造质量保证方法，在增材制造生产中集成现场监测系统，以及现场监测数据与增材制造材料特性和传统的非原位检测技术的相关性。    美国国家航空航天局(NASA)马歇尔太空飞行中心(MSFC)是先进制造领域的领导者。NASA  MSFC增材制造实验室拥有包括激光粉末床熔融和送粉定向能沉积在内的最先进的制造技术。该实验室研究的重点是支持太空飞行组件的认证，其凭借设计、后处理、无损评估、损伤容限、金相学、机械测试和计量学等专业知识支持增材制造技术的应用。 报告指出，随着增材制造领域的快速发展，增材制造加工的复杂性和零件的临界性在增加，现场监测成为评估质量的重要组成部分，现场监测的作用变得越来越重要，它有可能为跨各种相互作用的过程变量提供增材制造过程健康状况的整体视图。验证增材制造过程中的控制状态和表征过程偏差的能力对于促进生产环境中增材制造零件的快速、低成本鉴定和认证至关重要。  实现实时自动化缺陷检测的最大挑战  使用现场监测技术进行缺陷检测的水平   虽然现场监测的一些功能已经被用于商业软件和系统，但目前大多数物理和数据驱动的建模方法仍然处于较低的TRL水平。为了使技术整体成熟，行业需要结合不同高TRL领域的努力，以减少重复工作，并为不同的模型类型(即多物理场和数据驱动、有限元、回归分析、机器学习等)创建重点工作。在潜在的重点工作中，由于涉及大量决策树，机器学习可能具有开发低成熟度项目的最大潜力。这也可以用来帮助多种传感器模式的连接，以告知和弥合物理的差距。 此外，增加对基准测试的关注将普遍有利于提高成熟度并加速采用现场监测进行增材制造资格认证。总的来说，目前用于鉴定的原位监测技术的TRL受到数据流程中成熟度最低组件的TRL的限制。目前，解释和分析数据是最需要工作的具体组成部分。   截至2020年的传感器技术就绪水平(深蓝色)和2025年展望(浅蓝色)  目前，许多缺陷难以检测到，并且大多数难以证明传感器数据与最终部分缺陷之间的因果关系。在努力建立已证实的因果关系的同时，需要为不同类型的缺陷定义关键缺陷大小。这将在检测到缺陷后为决策树设置阈值，并将有助于确定所需的计算能力，定义数据处理和保留负担，进而采取纠正行动和控制操作。或者，即使可以稳定的确定任何尺寸的缺陷可以在机器和材料中可靠的检测到大小，也可能是一种增长途径，并将降低解决这个非常具有挑战性的问题的障碍。 研发战略路线图 数据显示，人工智能(AI)、机器学习(ML)、传感器技术等领域的高关键应用和跨技术创新相结合，推动了现场监控技术的快速发展。这项工作的结果突出了行业专家之间对有效使用现场监控技术进行增材制造资格和认证的进一步讨论的必要性。 研发路线图向增材制造社区传达了增材制造CoE研发计划的当前进展和目标。该路线图概述了增材制造标准化研发的未来，以及使这些努力与标准制定保持一致的框架。 战略指南文件可在QQ群（867355738）下载。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： 1.250页成果下载 | 由增材过渡到减材，完成零件复合加工 2.3D打印研究成果下载：花费5年、1720万欧元，提交5500个样本，专注于缺陷和工艺分析 3.面向增材制造控形与控性的多尺度力学设计 4.NASA喷气推进实验室公布2022年三项3D打印应用成果

4D打印是MIT副教授Skylar Tibbits在2013年提出的新概念，它是在3D打印的基础上，物体可以根据周围的环境“实时”改变形状、功能、属性和位置。4D打印定义的主要组成部分包括3D打印技术、智能材料、外部刺激、变形机制和变形可控结构，是软机器人等智能结构和材料的重要研究方向。    1. 采用SLA技术实现凝胶材料4D打印 3D打印技术是4D打印的重要组成部分，它对材料的选择和结构的可用性有重大影响。以往对3D打印技术的研究包括直接墨水书写技术和立体光刻 (SLA) 技术，其中凝胶是经常使用的重要材料。在直写技术中，凝胶状材料在提取后通过紫外线实现逐层固化，3D打印的精度取决于材料的触变性。SLA技术通过激光固化凝胶溶液的方法，当紫外线激光从一个方向扫描凝胶溶液时，暴露在紫外线下的一侧首先聚合，随后通过激光传输在凝胶溶液下形成凝胶。因此，暴露于紫外线一侧的交联密度会高于另一侧，从而形成梯度。在这种情况下，由于暴露在紫外线下的一侧和另一侧之间的膨胀率不匹配，打印的建模对象在放入水中时会发生变形。 然而，最近日本山形大学Masanari Kameoka研究团队在上述SLA方法中发现了一种情况，梯度凝胶向内卷曲到另一侧而不是暴露在紫外线下的一侧，它不同于常规的变形方向，是该类研究的首次发现。该团队一直致力于交联网络高强度凝胶 (ICN) 的单一材料4D打印，近期，该团队在期刊《Machines》上发表了题为“4D Printing of Hydrogels Controlled by Hinge Structure and Spatially Gradient Swelling for Soft Robots”的文章，提出了一种通过简单增加引发剂的量，来制造梯度凝胶的方法，其测试了不同材料浓度和不同结构下的力学性能(膨胀比和杨氏模量)，并分析和模拟了各自对变形的影响。  https://doi.org/10.3390/machines11010103 2. 研究内容 研究团队使用自主研发3D打印凝胶打印机以及ICN凝胶材料通过简单增加引发剂浓度，可以获得广泛的梯度材料组合。研究团队自主研发3D凝胶打印机，如图1a所示，将一个装满可紫外光固化的水凝胶单体溶液的容器放置在3D凝胶打印机的平台上，通过从顶部照射激光进行扫描，形成所需的形状。随着扫描次数的增加，顶部的聚合程度增加，固化面积变大、变厚，聚合度高的层和聚合度低的层也会形成。通过该聚合原理制备了铰链结构，如图1b所示，因为扫描激光的强度(扫描次数)不同而导致凝胶的交联密度不同，进一步产生的膨胀比的差异驱动铰链变形。当水凝胶片放入水中时，暴露在紫外线下的一面的膨胀率高于另一面，使暴露在紫外线下的一面覆盖另一面。  图1 具有铰链结构的ICN凝胶的3D打印过程   2.1 引发剂浓度 探究了引发剂浓度和紫外光扫描次数对对凝胶膨胀率、杨氏模量和变形量的影响。其中变形量是通过测量膨胀变形的水凝胶片与玻璃基板之间的弯曲角度获得的（图3）。引发剂浓度和扫描次数对提高溶胀率有一定的作用，但杨氏模量与引发剂浓度没有相关性，杨氏模量随着激光扫描时间的增加而增加。同时，引发剂浓度的增加导致弯曲角的增加，在0.02 (mol/L)引发剂浓度下，引发剂变形量是引发剂浓度的两倍以上，说明引发剂浓度对引发剂变形有显著影响。  图2 梯度ICN凝胶的制备过程示意图 2.2 交联剂浓度 本实验探究了交联剂浓度和紫外光扫描次数对对凝胶膨胀率、杨氏模量和变形量的影响。随着交联剂浓度的增加，溶胀率降低，杨氏模量增加，弯曲角增大。同一交联浓度下，三次扫描的膨胀率和杨氏模量都高于一次扫描。从这些结果可以认为，三次扫描中，交联剂浓度为0.1 (mol/L)时，暴露在紫外线下的一侧与另一侧的差异最大。  图3 无铰链结构/有铰链结构的水凝胶片在膨胀过程中的3D打印双层凝胶 2.3 扫描次数（凝胶厚度）和铰链结构 本实验探究了紫外光扫描次数（凝胶厚度）对凝胶膨胀率、杨氏模量和变形量的影响。测试结果表明随着扫描次数的增加，膨胀率逐渐降低，杨氏模量增加，弯曲角变小，但是5次扫描的膨胀率高于3次扫描，这是由于白层的增加，膨胀率会更高。 在变形测量结果的基础上，对铰链结构进行了变形测量。经过两次扫描，铰链结构比水凝胶片变形更小，这是由于铰链结构的凹部在凸部之前进行了圆角变形，使得固定的凸部与未被固定的凸部发生碰撞，无法再进一步变形。研究还发现，在三次或五次扫描的情况下，当水凝胶片弯曲角度未达90°时，铰链结构能使弯曲角度增加，这是由于凹部先于凸部变形，从而将凸部变形与凹部变形叠加。以上结果表明铰链结构也会影响弯曲角度。  图4 3D打印单层凝胶在不同引发剂浓度和不同扫描次数（1次或3次）下的成形情况 通过实验总结出影响4D打印物理参数的因素，包括引发剂浓度、交联剂浓度、凝胶片的厚度以及铰链结构。其中引发剂浓度是引起变形的最重要因素，低引发剂浓度可显著降低变形。交联剂能增加材料的硬度，有助于材料在离开水时保持其形状。在不改变材料成分的情况下，4D打印可以通过凝胶片的厚度（扫描次数）来控制弯曲角度。此外，由于变形不规则性可以将变形限制在90°以内，因此铰链结构可以应用于纸盒等折纸结构。 3. 打印实例 应用上述带/不带铰链结构的水凝胶片可以创造出各种形状。研究团队创建了水母模型，这种建模仅根据顶层和底层之间的重叠梯度程度而变形。以凹陷部分为变形轴创建铰链结构，铰链结构作为立方体展开时的关节，通过改变铰链结构的角度来调整变形模式。通过这样改变铰链结构的角度和形状，也可以增加变形的种类。此外，研究团队还创建了立体折纸模型、蝎子模型和蜗杆模型等。   图7 具有铰链结构和梯度膨胀的水凝胶在0min和30min下的4D打印照片（a）水母模型（无铰链结构）（b）立方折纸（c）两种不同铰链结构的蜗杆模型（d）蝎子模型  图8 两种不同铰链结构蜗杆模型的4D打印  图9 蝎子模型的4D打印步骤总的来说，这项工作使用SLA技术开发了类似双层结构的自折叠3D打印ICN凝胶。可以通过控制ICN凝胶的组成、紫外线辐照度和形状(铰链结构)，对弯曲角度进行编程，有望应用于软机器人方面。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.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 2.4D生物打印是噱头吗？看4D Biomaterials创新材料4Degra的应用 3.Science最新：低温免烧结，3D打印SiO2微光学玻璃 4.黑格科技重磅新品：专业级光固化桌面3D打印机，面向消费端

增材制造或三维（3D）打印为汽车行业提供了巨大的机会，通过整合零件、定制材料属性、实现多功能组件和简化制造工艺来减轻车辆重量并提高车辆性能。然而目前用于直接制造汽车零部件的增材制造研究有限，部分原因是汽车产量庞大。近日，日产北美技术中心、Altair公司、ExOne公司、德克萨斯大学的研究人员探讨了使用增材制造结合创成式设计方法直接制造金属汽车部件的潜力。以雷达安装支架为例，表明通过减轻42%的重量并简化制造和装配过程，可以实现所需的零件强度和安全性能。还基于两种主流增材制造系统进行了生产成本分析。结果表明，金属粉末的成本是汽车行业更广泛采用增材制造的限制因素。 图1 智能巡航控制雷达传感器安装支架的基线设计和加载条件 汽车行业正在广泛采用增材制造（AM）技术，如今已经发展到汽车制造商不仅可以将其用于快速原型制作，还可以用于生产最终用途组件，这些组件对于满足严格的要求至关重要，包括不断增加的燃油经济性法规、定制需求以及大流行后世界的供应链挑战。增材制造为汽车制造的新时代缩短了周转时间，最大限度地减少了材料浪费，提高了能源效率并简化了供应链。增材制造大致可分为以下几类：材料挤出，粉末床熔融，粘合剂喷射，片材层压，材料喷射，还原光聚合和定向能量沉积，这些技术中的每一种都有自己的优势和局限性，例如材料成本，制造速度，零件机械性能和可靠性。 在金属增材制造中，最广泛使用的材料原料是粉末，但也使用线材，箔带和液体形式。激光、电子束、超声波、等离子弧等高能量密度热源用于将材料直接粘合在一起。粘结剂喷射是另一种技术，它依赖于构建后的加热和烧结来巩固金属粉末并实现所需的机械性能。增材制造可以为汽车行业带来新的改进，允许在短时间内实现更轻、更复杂的构建。轻量化是内燃机汽车燃油经济性和纯混合动力电动汽车能源效率的重中之重。已经有许多例子探索了增材制造以减轻车辆零件/组件的重量或生产复杂的零件和备件。使用增材制造本田展示了重量减轻50%的曲轴；通用汽车将八个组件合并为一个座椅支架部件；宝马将Roadster车型车顶支架的重量减轻了44%；福特使用AM进行了原型设计，这是传统制造无法实现的歧管；保时捷制造了3D打印活塞，以提高功率和效率；奥迪利用3D打印为一系列车辆生产多个零件。图2 拓扑优化工作流程 图3 设计决策及性能表 这项研究探讨了使用增材制造直接制造的车辆金属部件的潜力，特别是粘结剂喷射方法。粘结剂喷射已成为激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）的有前途的替代工艺，因为它具有更高的打印分辨率，更好的表面质量，更少的支撑结构需求，更少的材料浪费，更高的产量和更低的整体生产成本。以雷达安装支架为例，通过增材制造和创成式设计，通过显着减轻重量（约42%）和简化制造和装配过程来提高零件强度和安全性能。还进行了基于两种主流增材制造系统的生产成本分析，揭示了金属粉末的成本是汽车行业更广泛采用增材制造的主要限制因素之一。图4 冯米塞斯应力、位移和固有频率的比较图5 通过粘结剂喷射的增材制造的ICC雷达安装支架的顶视图和底视图 图6 频率响应函数测量3D打印部件在2个位置的2个不同部件，最大频率为 440 Hz、最小 356 Hz、平均389 Hz 图7 两个系统的相关零件嵌套布局 图8 两种3D打印系统相关的相对成本分配 总结这项研究探索了使用增材制造直接制造金属汽车部件的潜力，特别是粘结剂喷射方法与汽车应用的创成式设计相结合。以雷达安装支架为例，证明重新设计和增材制造的部件满足并超过了所有要求的性能规格和安全要求，重量减轻了42%，工艺简化了50%。目前，金属粉末的高成本仍然是在大批量汽车制造应用中更广泛采用金属增材制造的限制因素。未来的研究将包括降低粉末成本的方法和其他D打印工艺的评估，包括选择性激光熔化和直接能量沉积，以实现具有成本效益的金属增材制造，用于最终用途车辆部件的中等批量生产。 参考：www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612523000729 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.粘结剂喷射金属3D打印│知名汽车品牌均在挖掘其应用潜力 2.GE Additive或在探索下一代金属3D打印技术 3.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 4.最新突破：粘结剂喷射完成攻克钛、铜、铝3D打印制造

2023年未过半，《自然》和《科学》杂志正刊分别发表了4篇关于3D打印技术的研究，这些成果代表了3D打印技术当前发展的最前沿水平。本期，3D打印技术参考带大家回顾这些突破性进展。1. Science：实时检测3D打印缺陷，预测率100% 2023年Science正刊首篇关于3D打印技术的研究已经于1月5日发表。弗吉尼亚大学材料科学与工程专业孙涛副教授领导的研究团队取得了新发现，极大提高了金属3D打印技术的质量保证能力，对扩大航空航天和其他领域该技术的应用带来新的契机。 该研究以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”为题发表，研究人员通过同步高速加速器X射线成像和热成像，结合多物理场仿真，在Ti6Al4V激光粉末床熔融过程中发现了两种类型的锁孔振荡；通过机器学习进一步加深了这种理解，并开发出一种以亚毫秒级时间分辨率和近乎完美的预测率检测随机锁孔孔隙率生成的方法。总的来说，这是一种简单实用的方法，能够在商业3D打印系统中使用。 2. Science：3D打印有机硅弹性体，制造高性能生物结构 有机硅结构可以通过使用传统技术或先进技术如软光刻和3D打印制造。然而，由于液态有机硅预弹性体的界面行为带来的挑战， 3D打印的有机硅通常质量不佳。来自佛罗里达大学的研究人员开发了一种可3D打印精确、复杂精细结构PDMS有机硅弹性体的方法，其利用了在与有机硅油墨接触时具有不明显界面张力的支撑材料。研究人员将该方法称为超低界面张力增材制造 (AMULIT)，支撑材料是一种填充的反相乳液，由硅油连续体中的液滴组成。相关研究成果于3月23日以“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”为题发表于Science杂志。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441（点击） 研究人员发现，支撑材料和墨水之间的超低界面张力能够打印直径小至 8μm的特征，通过调整这种支撑材料的弹性和流动特性实现了高性能打印，能够制造如脑动脉瘤模型和功能性三叶心脏瓣膜这样的复杂结构。3D打印技术参考注意到，该团队3D打印出的心脏瓣膜模型的功能表明这种结构可能具有足够的柔顺性和耐用性，可用于制造与生物材料设计和手术模拟器相关的复杂硅胶结构，并引入了扩展使用其他材料打印的可能性。 3. Science：3D打印纤维流体泵用于新型可穿戴设备以可穿戴和便携的方式产生有意义的流体动力是一个巨大的挑战，3D打印可以快速准确的构建多种复杂的结构，为各种器件提供定制化服务，极大程度上满足可穿戴储能器件在尺寸、结构、性能以及一体化集成的要求。来自洛桑联邦理工学院提出了一种纤维形式的流体泵，它是一种柔性且可拉伸的器件，直径为毫米量级，可以产生连续的流体流动，而不需要任何移动部件或振动。https://doi.org/10.1126/science.ade8654（点击）由于其高拉伸性和出色的回弹力，聚氨酯(polyurethane, PU)弹性体被用于该研究。由该技术所制造的流体泵能够编织成纺织品的外形尺寸，具有人体尺寸应用所需的可扩展性，为可穿戴设备的进一步开发奠定了基础。3D打印技术参考注意到，基于该关键器件的研发于3月30日以“Fiber pumps for wearable fluidic systems”为题被发表在Science上，制造设备采用的是中国品牌Raise3D（复志科技）。4. Science：低温免烧结，3D打印SiO2微光学玻璃二氧化硅玻璃的3D打印以颗粒烧结技术为主，然而其软化点为1100°C，使得其制造本身就具有挑战性。然而，凭借卓越的光学透明度以及热、化学和机械弹性使其成为现代工程应用中最重要的材料之一，在微光学、光子学、微机电系统以及微流体和生物医学领域均有大量应用。传统的二氧化硅玻璃3D打印技术在纳米尺度上也限制了它们在微系统技术中的采用，从而阻碍了技术突破。已建立的微系统合成路线通过精心设计的自上而下的工艺序列制造二氧化硅结构，其中涉及2D掩模光刻、热氧化、气相沉积和蚀刻等技术，但这些工艺很难转化为3D打印技术。用丙烯酸酯功能化 POSS 树脂制备高质量熔融石英纳米结构（点击）来自德国卡尔斯鲁厄理工学院、美国加利福尼亚大学尔湾分校和爱德华兹生命科学公司的研究人员，通过配置优化的树脂材料，结合双光子聚合3D打印，大大降低了二氧化硅3D打印的熔点。具体的说，其使用了一种多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 树脂，与粘结剂包覆颗粒相反，POSS树脂本身构成连续的硅氧分子网络，仅在650°C时即可形成透明的熔融石英。该温度比将二氧化硅颗粒熔化成连续熔体的烧结温度低500°C。相关研究以“A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass”为题于6月1日发表在Science上。 5. Nature：哈佛大学多材料螺旋3D打印新方法 在自然领域，具有独特功能的螺旋结构极为常见，如肌动蛋白和原肌球蛋白在骨骼肌中的螺旋组装引起收缩和其他功能；植物的运动源于植物细胞壁内螺旋排列的硬纤维素纤维。人为合成螺旋结构的努力在于制造人造肌肉以及超材料，哈佛大学刘易斯实验室是世界上最早开发毛细管结构多材料生物打印方法的实验室之一，过去几年一直在研究软机器人技术。 该实验室于1月18日在Nature发布了一篇名为“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”的文章，介绍了一种旋转多材料3D打印平台，可以实现多材料3D打印，并能够在局部方向进行亚体素控制。借助该方法，研究团队设计并制造了用于软机器人和结构应用的人造肌肉和弹性体结构，并为制造这些机构开辟了新途径。 6. Nature：NASA为极端环境设计了一种新型3D打印合金 4月19日，NASA技术团队以“A 3D printable alloy designed for extreme environments为题”在Nature发表了关于最新开发的GRX-810超级合金的相关研究，涉及其微观结构、机械性能以及与当前同类型增材制造合金的比较。 多主元素合金具有强大的机械和抗氧化性能，尤其适合于极端环境使用。NASA团队使用模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发出了这种新材料——氧化物弥散强化型NiCoCr合金。无需机械或原位合金化，借助粉末床激光熔融工艺就可以将纳米级的Y2O3颗粒分散到整个微观结构中，该材料展示了在1093°C下与广泛使用的增材制造传统多晶变形镍基合金增强两倍的强度和抗氧化性，以及提高了1000多倍的蠕变性能。这种合金的成功开发显示出与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计能够使用更少的资源实现更佳的材料组分组成，展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将加速革命性材料的出现。…

导读：来自大连理工、江苏大学等机构的研究人员，通过脉冲激光-电弧混合工艺成功制备了高强度的Al-Zn-Mg-Cu合金。通过多尺度表征，详细讨论了微观结构和热处理对机械性能的影响。同时，结合熔池凝固模拟揭示了显微组织的演化机制。这项工作有望提出一种利用多能场混合调节高强度铝合金微观结构和力学性能的新方法。   https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103526  Al-Zn-Mg-Cu (7xxx) 合金具有超高强度、良好的加工性能和最佳时效硬化能力等优点，满足了大部分航空航天结构材料应用，正广泛用于替代较重的镍基和钛合金。增材制造技术能够缩短加工周期、实现灵活加工，已成为一种很有前途的制造方法，可以生产传统技术无法制造的大尺寸、复杂结构。与铸造和焊接领域类似，激光粉末床熔融(LPBF) 工艺因容易产生过多缺陷（如裂纹、孔隙）而不适合制造7xxx合金。 铝合金的可打印性与凝固间隔宽、热膨胀系数高、开裂敏感性高、熔体流动性差和热导率高有关。有研究人员采用LPBF工艺打印了7075 铝合金，发现裂纹易发生在柱状晶附近界限，参数优化后沉积样品内部仍然存在热裂纹。最有希望的方法是改变7xxx铝合金的成分或添加晶粒成核剂以降低热撕裂敏感性。但这种方法增加了制造成本，近年来通过电弧增材制造铝合金已成为重要的研究方向。 线材+电弧增材制造可以用于以更低的成本和更高的效率生产复杂部件。同时，电弧的热输入较大，熔池的凝固速率较低，这似乎理想的解决了7xxx铝合金在快速熔化/凝固过程中的热裂纹问题。但同时也由于高热输入导致了粗晶粒、气孔和元素偏析的产生，从而导致抗拉强度较弱。2022年，北理工的研究人员使用7050铝合金丝制备了无裂纹的薄壁样品，然而沉积的样品显示出机械性能较差的柱状晶粒；2020年，哈工大研究人员探讨了电弧增材制造的7055铝合金的微观结构演变，由于多次热循环，纳米级沉淀物分布不均匀。通过调整热输入可以控制7xxx铝合金的晶粒形态，在热输入减少的过程中，孔隙率降低，晶粒由柱状变为等轴状。 为了进一步提高7xxx铝合金的增材制造适用性，研究人员研究了多能量场混合来控制成形过程，发现层间轧制和超声能量的引入可以调节微观结构和力学性能，但结合激光和电弧两种热源来提升增材制造质量，比上述传统的能量场混合更具吸引力。3D打印技术参考此前已经介绍过，激光能够显著稳定熔池。利用连续激光-电弧混合工艺制备316L不锈钢，通过提高激光功率，可以细化重熔区晶粒尺寸，提高力学性能。将连续激光与圆弧同心定位，激光提高了液滴转移稳定性和沉积速率。与连续激光相比，脉冲激光的持续时间短、频率高，可以控制熔池流动和热输入可以在7xxx铝合金中产生独特的微观结构。尽管如此，脉冲激光-电弧混合增材制造仍然未能避免非平衡凝固。因此，为了获得具有优异机械性能的Al-Zn-Mg-Cu合金，通常需要进行后续热处理以产生纳米级析出物并析出强化。综上所述，有必要进一步研究微观结构的形成机制，以及它们与使用激光-电弧混合工艺和后续热处理制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的力学性能的关系。 研究团队使用自主研发的激光-电弧混合增材制造系统，包括数控机床（CNC）、脉冲激光器、电弧焊机、自动送丝机。引导激光束和电弧之间的角度为55°，焊丝和电弧枪采用前送丝方式固定，数控机床实现了激光透镜和安装在其上的电弧炬的精确移动。基板在数控工作台的控制下移动。使用该系统制造了120×7.6×60mm的薄壁试样。  本研究使用的打印装置   (a) 晶粒形态演化示意图。(b) 柱状和等轴晶的反极图 (IPF)  沉积态和热处理后的 Al-Zn-Mg-Cu 合金的机械性能   研究发现，沉积态样品显示为交替显微结构，电弧区为粗柱状晶粒，激光区为等轴晶粒。通过模拟热历史，确定微观结构的形成机制主要是由于在脉冲激光持续时间内急剧的温度梯度和凝固速率以及加速的流体流动造成的。稳定的富Zn和Mg相分散在激光区的晶粒内，而在电弧区则形成复杂的连续网状。两阶段固溶和时效处理促进了大量棒状η' 纳米沉淀物和较小的针状GP-II区的产生。此外，研究表明，热处理不仅有助于同时提高强度和延伸率，而且还显著降低了各向异性。 测试发现，材料的极限抗拉强度达到 602.3 ± 7.6MPa，断后伸长率为8.90 ± 0.10 %，优于传统的锻造7075铝合金。该研究采用激光电弧混合方法还将适用于其他合金，并将在航空航天工业中有广泛的应用。 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.西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展 2.弗劳恩霍夫新工艺丨电弧+激光混合金属3D打印技术 3.波音扩大电弧增材制造工艺测试，将3D打印大型铝合金构件 4.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

使用3D打印技术制造玻璃的应用并不常见，这种透明的结构具有无机非金属的材料属性，与激光作用也无法被轻易熔化。然而自2009年开始，玻璃的3D打印开始受到关注，从以色列Micron3DP到德国Fraunhofer和KIT，再到美国LLNL和MIT，世界各地涌现出不同的玻璃打印工艺，而且相关的研究已经在《科学》杂志发表过文章。3D打印技术参考注意到，《科学》杂志最新一期报道了一种采用低温热处理免烧结3D打印制造纳米光学玻璃的研究。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037 二氧化硅玻璃的3D打印以颗粒烧结技术为主，然而其软化点为1100°C，使得其制造本身就具有挑战性。然而，凭借卓越的光学透明度以及热、化学和机械弹性使其成为现代工程应用中最重要的材料之一，在微光学、光子学、微机电系统以及微流体和生物医学领域均有大量应用。传统的二氧化硅玻璃3D打印技术在纳米尺度上也限制了它们在微系统技术中的采用，从而阻碍了技术突破。已建立的微系统合成路线通过精心设计的自上而下的工艺序列制造二氧化硅结构，其中涉及2D掩模光刻、热氧化、气相沉积和蚀刻等技术，但这些工艺很难转化为3D打印技术。 来自德国卡尔斯鲁厄理工学院、美国加利福尼亚大学尔湾分校和爱德华兹生命科学公司的研究人员，通过配置优化的树脂材料，结合双光子聚合3D打印，大大降低了二氧化硅3D打印的熔点。具体的说，其使用了一种多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 树脂，与粘结剂包覆颗粒相反，POSS树脂本身构成连续的硅氧分子网络，仅在650°C时即可形成透明的熔融石英。该温度比将二氧化硅颗粒熔化成连续熔体的烧结温度低500°C。 基于本想研究3D打印制备出的SiO2玻璃桁架 双光子聚合也称双光子3D打印（TPP），基于“双光子吸收效应”， 可以将反应区域限制在焦点附近极小的位置，通过纳米级精密移动台，使得该焦点在物质内移动，焦点经过的位置，光敏物质发生变性、固化，因此可以打印任意形状的3D物体。双光子聚合激光直写技术摒弃了传统增材制造层层叠加的方法，使得层与层之间的精度大大提高，消除了“台阶效应”，可以制造低粗糙度、高精度的器件，如各种光学元件、维纳尺度的结构器件等。 树脂内部的反应成分吸收两个或多个光子需要非常高的光子密度，这个过程只能发生在激光束的焦点上，能够制备具有亚微米范围内非常精细特征的物体 使用TPP技术打印玻璃的研究已经有报道，但仍旧是基于颗粒负载来牺牲聚合物粘结剂的方法，仍旧需要高温烧结，因此对于微光学元件制造来说适用性有限。本研究的团队介绍了一种无颗粒有机-无机POSS玻璃树脂，设计用于使用丙烯酸酯功能化以不受约束、简便和可重复的方式打印高质量3D结构，并通过低温热处理将聚合物模板转化为高保真光学级SiO2纳米结构。打印后零件使用 异丙醇显影浴溶解剩余的未固化树脂，在空气气氛中650°C的适度热处理将打印后的聚合物零件转化为熔融石英结构。伴随约40%的各向同性线性收缩，高温使有机化合物分解和脱除，最终获得致密的玻璃结构。 用丙烯酸酯功能化 POSS 树脂制备高质量熔融石英纳米结构 POSS玻璃树脂是一种负性TPP光致抗蚀剂，由三部分组成：89wt%丙烯酸酯官能化POSS单体、9wt%三官能丙烯酸单体和2wt% α-氨基酮家族的光引发剂。POSS单体是主要成分，其POSS笼核构成了能够实现SiO2转化的硅氧纳米团簇。丙烯酸官能团对于实现高性能TPP打印至关重要。此前所报道的环氧树脂POSS TPP树脂的负载量限制在10-60wt%。但在该研究中，尽管POSS负载量高达89wt%，仍然实现了可重现的TPP打印，并提供了重要的抗开裂弹性。这是打印具有足够紧密堆积的硅氧纳米团簇结构的关键，该结构在低温下成功转化为致密的SiO2。 本研究的团队基于此，使打印分辨率提高了四倍，使可见光纳米光子学器件直接打印成为可能。该研究同时展示了出色的光学质量、机械弹性、易于加工和可覆盖的尺寸尺度，所开发的材料为无机固体的微米和纳米3D打印设定了基准。 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.最新：玻璃结构体积3D打印登上《Science》封面 2.瑞士高校开发出复杂陶瓷混合增材制造工艺 3.Nature最新：超越TC4，3D打印获得更高强韧性钛-氧-铁合金 4.视频：金属3D打印支撑机械自动化去除与化学去除

西南交大联合华中科技、中车工业研究院、中车青岛四方机车、北理工以及曼彻斯特大学发表了联合综述，总结了当前铁路行业利用增材制造技术的优势和挑战，对增材制造部件的疲劳评估进行了强调，详细讨论了应对挑战的潜在设计方法，包括公认的结构完整性和未来前景。研究结果不仅有利于铁路工程增材制造技术应用的发展，也有利于实现金属部件的轻量化设计，改进性能评估和安全检查策略。 上文总结了增材制造技术在铁路行业的应用及优势，涉及使用激光熔覆修复表面损坏、制造不再生产的零件、打印复杂零件以及开发超高强度材料等等，从而能够制造复杂零件、节省材料、缩短交货时间和快速设计迭代。本文将主要介绍增材制造技术在铁路行业应用的挑战与策略、铁路行业增材制造路线图。 (a) 最高设计时速600公里/小时的高速磁浮交通系统转向架；(b) SLM生产的磁悬浮臂；(c) HRAM生产的空气弹簧安装梁；(d) HRAM 生产的 ZL205A 合金的机械性能，以及验收指数 三. 增材制造技术在铁路行业应用的挑战与策略 与其他快速发展的技术一样，增材制造在铁路领域的实际应用面临着重大挑战。与成熟的传统制造方法相比，增材制造技术仍然需要提高生产力和质量控制。大多数科学文献来自大学和国家实验室，因此缺乏实际应用所需的经济和技术分析。相比之下，企业申请了大量专利，重要的产业创新并未公开。因此，增材制造技术的研究及其在铁路行业的技术应用还存在一定差距，仍存在关键的科学、技术和经济问题。 （1）增材制造零件结构完整性的关键 增材制造技术为复杂结构部件的设计和生产带来了前所未有的解决方案。然而，将这些优势扩展到大型承重铁路部件需要更深入了解这些材料的机械性能。增材制造工艺的异质微观结构、加工引起的缺陷、表面质量差和残余应力特征仍然知之甚少。探索这些因素的性质及其对铁路部件在其生命周期中的影响是一项关键挑战。 (a) 新开发的合金粉末，命名为CCRC-HP-1；(b)不同SLM铝合金的拉伸性能比较；(c) 使用CCRC-HP-1 合金粉末的 SLM 打印部件 SLM制造的高速磁悬浮交通转向架磁悬浮臂的剩余寿命评估 （2）资质认证 考虑到复杂的参数空间等因素，打印高密度、可预测性能、高可靠性和稳定性的零件是一项真正的挑战。增材制造铁路部件的迭代生命周期包括设计、打印机、原料、参数、后处理、性能测试方法、性能评估和工程应用。每个生命周期及其子步骤都会对随后的最终零件性能产生影响。还应注意的是，增材制造工艺选择是一个集成的迭代活动。例如，在设计过程中，构建因素包括零件尺寸、复杂性、特征分辨率、构建速率、原料、多合金、工艺经济性和成熟度。对于每种合金的使用，每种增材制造工艺都有其独特的优点和缺点，而且原料的可用性也各不相同。可以理解的是，考虑到安全影响，在铁路部门引入增材制造技术时，标准的制定至关重要。因此，资质成为增材制造零件生产和应用的关键环节。 影响增材制造铁路组件生命周期因素的详细流程图 目前，缺乏技术标准意味着无法保证给定增材制造产品的尺寸精度和性能。增材制造标准，包括原料、工艺、测试技术和质量控制，主要由ISO和ASTM承担。尽管已经发布了一系列增材制造标准，但疲劳性能和缺陷容限标准的缺乏使得增材制造认证变得困难，特别是对于特定行业。与铁路行业相比，增材制造标准在航空航天行业取得了进一步进展，这也是航空航天领域引领增材制造市场的主要原因之一。然而，与铁路领域相关的增材制造标准的制定仍处于起步阶段。 （3）经济可持续性 除了上面讨论的科学和认证问题外，铁路行业目前和未来对增材制造产品的应用障碍将是经济方面的考虑。对于铸造和冲压等传统工艺，零件通过模塑或加热或加压成型制成的，导致初始成本高昂。随着零件数量的增加，高昂的成本得到了分配，从而迅速降低了单位成本。由于避免了新零件的额外成本，因此单位成本不会随增材制造零件的数量而显著变化。因此，它比原型生产中的其他制造工艺便宜得多。 第一个增材制造的铁路部门安全关键部件（制动悬架连杆） 降低维护成本在铁路行业尤为重要，因为铁路行业的设计和制造迭代速度很慢，基于这些要求，减少实物库存中的零件库存并简化物流和整个供应链，将使增材制造技术在备件应用中更具吸引力 四. 铁路行业增材制造路线图 增材制造工艺技术的成熟、计算机和网络的快速发展以及竞争前的合作，是绘制铁路行业增材制造路线图的协同力量。在短期内，全球铁路运营商和制造商都可以采用增材制造进行翻新、维修和维护。修理传统制造的零件或制造备件，是减轻零件过时或交货时间长问题的机会。 增材制造高铁部件一体化设计-制造-评价框架流程图，主要包括四个主要步骤 从中期来看，增材制造可用于传统零件的重新设计、零件整合、拓扑优化或晶格结构的使用。在这里，驱动因素转向了对轻量化、减少材料浪费、降低生产成本和提高性能的需求。简化了冗长的开发时间尺度，以适应增材制造实现的更轻巧、更灵活的设计和结构。 增材制造路线图显示增材制造在铁路行业不同发展时期的可能应用 从长远来看，增材制造提供复杂的几何形状、结构重量减轻、定制设计、开发周期时间缩短、设计迭代快速和性能增强等优势。增材制造带来的复杂性不仅延伸到零件的几何形状，还延伸到零件内的微观结构，可能具有特定位置的属性。开发更快、更安全和更可靠的铁路系统是增材制造应用的主要驱动力。未来在铁路行业的应用可以充分利用增材制造的优势。多材料和多功能增材制造也引起了极大的兴趣，它有可能使设计人员能够定制组件。例如，增材制造工艺可以生产用于超高速轨道的部件，根据铁路轨道支架内部的应力分布改变孔隙率，可以生产具有梯度密度的定制轨道支架等。 结论 本文概述了增材制造在铁路行业的应用和研究，以及与增材制造铁路部件相关的挑战和前景。主要优势在于制造复杂零件、节省材料、缩短交货时间和快速设计迭代。综述了增材制造在铁路行业的近期研究和应用。目前，增材制造在铁路行业的应用还在很大程度上处于工程化的道路上。使用原始零件几何形状修复传统制造的零件或制造备件是目前的主要应用。由于传统零件不是为增材制造设计的，因此从材料特性的角度来看，增材制造替换零件将与原始零件不同。增材制造技术在铁路工程中缺乏认证标准、零件的结构完整性问题等可靠性差和其他限制是其广泛应用的主要挑战。然而，增材制造在复杂几何形状、结构减重、定制化方面具有极佳的设计潜力并支持快速设计迭代。未来，随着基于可靠结构完整性方法的增材制造材料、技术和标准的发展，增材制造将被用于建设更快、更安全、更可靠的轨道交通系统。 参考：Structural integrity issues of additively manufactured railway components: Progress and challenges 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，未经授权转载违规。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： 1.六机构联合综述：铁路部件3D打印的结构完整性问题、进展与挑战（一） 2.3D Systems要收购Stratasys！潜在对手竟然还有这么多！ 3.北理工院士团队：采用国产多激光金属3D打印装备制备出高铁刹车盘 4.Formnext2023增材制造展金属粉末品牌展商预览