拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜团队和西北工业大学副教授张彪团队在Advanced Materials合作发表论文，报道一种用于光固化4D打印的超高力学性能形状记忆高分子材料。这种新材料在橡胶态断裂应变超过1240%，在150%-250%的应变区间可以重复加载超10000次。此外，其优异的光聚合性能使其成为数字光处理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和软体机器人领域应用潜力非常大。该项研究被Advanced Materials后内封面重点报道。 4D打印是一种新兴的制造技术，它能够使打印出来的三维结构的形状在外界环境刺激下随时间变化。与用于4D打印的其他主动软材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形状记忆高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的刚度，并且能与各种3D打印技术兼容。其中，采用DLP 3D打印技术打印可光固化SMP，可以制造具有复杂几何形状和高分辨率的4D打印结构。然而，现有可光固化SMP在力学性能方面具有局限性（伸长率偏低、抗疲劳性能差等），这极大地限制了它们的应用范围。因此，亟需发展可承受大变形且具备抗疲劳能力的光固化SMP，以满足工程应用中对4D打印智能材料力学性能的高要求。 图 1. 超高力学性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技术的4D打印 联合研究团队合作开发出了一种超高力学性能可光固化SMP体系。该材料体系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）组成，故称为tBA-AUD SMP体系。如图1所示，该SMP体系极易光固化，与基于DLP的3D打印技术兼容，可以制造出高分辨率-高度复杂的3D结构。研究团队开展了大量实验，研究tBA-AUD SMP体系的大变形机理和探索其在高承载-大变形结构中的工程应用。 图 2. tBA-AUD SMP前驱体溶液的相关特性 如图2所示，通过流变测量、凝胶分数试验和固化时间测试表征了tBA-AUD SMP前驱体溶液的3D打印性能。交联剂AUD含量在50 wt%以下前驱体溶液具有较低的黏度，适用于DLP 3D打印。AUD含量越高, tBA-AUD SMP体系的平衡凝胶分数越高，固化相同厚度的前驱体溶液所需的时间越短。 图 3. tBA-AUD SMP体系的热力学性能 如图3所示，通过热力学性能测试标定了tBA-AUD SMP体系的大变形、形状记忆和耐疲劳性能。tBA-AUD SMP体系在编辑温度（80 °C）下具有较低的弹性模量和超高的断裂伸长率。tBA-AUD SMP 体系具有近乎100%的形状固定率和良好的形状恢复率（~90%）。此外，这种SMP材料可以承受超过10000次大变形循环加载（循环应变150%-250%）。 图 4. tBA-AUD SMP体系的大变形机理 如图4所示，通过红外光谱测试、应力松弛实验和单轴拉伸试验对比新鲜试样和10000次疲劳后试样，以阐释tBA-AUD-SMP体系的大变形和抗疲劳机理。AUD交联剂的高分子量和氢键的综合作用赋予了tBA-AUD SMP体系大变形性和抗疲劳性。 图 5. tBA-AUD SMP三维构件的高度变形能力及其在智能家具中的工程应用 图 6. tBA-AUD SMP在航空航天中的应用 如图5和图6所示，3D打印的 tBA-AUD SMP三维构件具有高度变形能力，在智能家居和航空航天等工程应用中潜力巨大。tBA-AUD SMP的断裂伸长率远高于先前报道的各种可3D打印SMP。使用tBA-AUD SMP打印的三维结构具有大变形能力和高承载能力，使其成为制造带有SMP铰链的智能家具的理想材料。利用tBA-AUD SMP的快速热响应能力，可以制作用于展开太阳能电池板的智能铰链。通过穿过铰链微孔的电阻丝的加热，折叠编辑的铰链可在1分钟之内恢复到笔直状态，完成太阳能电池板的快速部署。该项研究开发了适用于DLP打印的大变形-抗疲劳形状记忆聚合物光敏树脂，可以满足各类4D打印工程应用对先进智能材料的高断裂应变、高抗疲劳能力、高承载能力和适应于先进制造工艺等的综合要求。西北工业大学副教授张彪、南方科技大学博士后李红庚和博士生程健翔为论文共同第一作者。葛锜为论文的通讯作者，南方科技大学为唯一通讯单位。该项研究得到国家自然科学基金、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室和陕西自然科学基础研究计划等项目资助。注：本文内容来自南方科技大学。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大在液晶弹性体3D打印研究方面取得新进展 2.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域 3.结构易仿、制造不易、科学更难 | 史玉升教授团队的4D打印研究进展 4.南科大：一种新型抛光技术，可获得纳米级超光滑表面

TIWARI Scientific Instruments（TSI）是一家以设备为导向的德国初创企业，专注于材料热测量和测试系统以及金属和陶瓷增材制造技术，并为欧洲航天局（ESA）提供服务。其开发的熔丝FFF 3D打印工艺，可以在丝材中加入金属或陶瓷颗粒，并最终得到金属或陶瓷部件，从而为空间应用提供制造能力。 使用该工艺制造的不锈钢、钛、氧化铝以及碳化硅零件已经在ESA材料和电气元件实验室进行了全面的无损和破坏性测试，以评估其附加值和空间使用性。出人意料的是，这些3D打印的零件与传统制造的同类产品相比，具有更高的机械性能，其中不锈钢可以在不断裂的情况下延长到以前无法实现的100%。 3D 打印的碳化硅过滤器 作为欧空局的孵化企业，TSI注重材料的热和机械性能。基于高的导热性，纯铜的3D打印一直备受关注，TSI希望能够推出低成本的3D打印解决方案。近日，该公司成功采用FFF技术实现了高密度、结构复杂、无氧纯铜散热器打印。 将纯铜加工成粉末或细丝均极具挑战。纯铜的3D打印工艺目前虽有很多，但多为孤例，每一种工艺从事的企业都极少。采用绿激光打印是当前粉末床技术的重要发展，而适用于3D打印的绿光激光器却极少，通快推出的产品目前也不单独出售。对于要求苛刻的应用，采用SLM打印的零件可能仍需要额外的机加工和后处理，这个过程可能会影响到零件的成分和性能。 使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器 TCT展会上通快的纯铜质量评估样件 使用FFF技术，部件打印的层厚设置为50μm，由于层厚导致的粗糙度会在烧结过程中因为收缩而降低。零件在生坯条件下可以手动抛光或机械加工，从而降低了进一步后处理的成本，然后再进行脱脂和烧结。采用TSI的技术，金属和陶瓷部件的致密度可超过 99%。 采用挤出技术3D打印金属部件，目前比较知名的国外企业有Desktop Metal和Markforged，国内有升华三维、上海复志以及纵维立方。DM的设备推出多年，但似乎在升级和应用方面并没有太多新闻，国内厂家的技术多比较类似。在材料方面，国外企业多可自主生产材料，国内则多采用第三方材料。 使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器 热交换器散热效果模拟 通常，金属丝材的粘结剂含量较高，体积比占40%左右。在TCT 3D打印展会期间，上海复志展示了其公司基于挤出的金属3D打印机，在打印机旁放置的脱脂炉非常显眼；升华三维也在其官网展示了其脱脂炉；而Exone等公司的粘结剂喷射技术，则是将脱脂和烧结一步完成，没有单独的脱脂环节。 升华三维的脱脂炉 Markforged金属3D打印零件国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 在DLP纯铜3D打印工艺方面，国外Holo公司利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，同样是结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。Holo还对树脂基体的成分进行了优化，它不同于金属注射成型中使用的蜡基材料，后者中的某些化学物质会影响烧结零件的机械或化学性质。Holo公司称其浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 对于纯铜3D打印工艺的开发，主要围绕导热性和导电性展开。铜的导电性与其纯度直接相关，任何污染物，特别是铁，都会影响最终性能。实际上除了激光和电子束能够直接熔化成型纯铜，DLP、FFF、3DP等工艺都无法摆脱脱脂烧结工艺。作为近些年流行起来的新金属3D打印类型，人们更应该关注3D打印之后的环节。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 2.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度 3.迄今最高：立体光刻3D打印强度超1GPa的氧化铝陶瓷 4.最新：ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印

6月2日，经中国工程院院士增选第一轮评审，产生进入第二轮评审候选人235位，中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所项目总设计师、3D打印专家王向明入选。此前入选第一轮的其他3D打印专家遗憾未能进入第二轮候选，但他们将继续引领行业进步。 在航空制造领域，王华明教授率先在钛合金大型复杂主承力件激光熔化沉积控形、控性、装备、标准等方面取得重大突破，并于2015年入选中国工程院院士，而王向明考虑更多的则是如何实现创新设计、确保使用安全，着重解决3D打印面临的“会用、敢用”的问题。 王向明，工学博士、研究员、博士生导师。主持或参与多个型号机体结构设计。现任航空工业集团沈阳飞机设计研究所项目总设计师、“鹘鹰”飞机常务副总设计师、航空工业集团增材制造首席专家、创新结构国防原“973”技术首席、飞行器新概念结构航空科技重点实验室主任、辽宁省增材制造共性技术创新中心主任。某部先进制造技术专业组增材制造责任专家。王向明是飞机机体平台结构设计领军人物，长期从事结构创新设计与制造一体化研究。先后承担原总装、装发部、军科委、科技部、工信部、科工局主管的有关飞机结构设计与制造研究项目20余项，在飞机新概念结构设计、增材制造应用技术、新机快速试制等方面做出重要贡献。先后获国家技术发明奖一等奖、二等奖，国防科技进步奖一等奖2项。授权发明专利32件，发表期刊论文53篇、出版专著5本、撰写重要研究报告40余篇，大型学术会议特邀报告15次。 王向明在西安增材制造高峰论坛 2014 年，美国将增材制造列为重大颠覆性国防技术。早在2003年，沈阳飞机设计研究所与北京航空航天大学深度合作，共同开拓了飞机增材制造应用技术。北京航空航天大学在控形、控性、装备等方面已取得重大突破。作为关键技术的另一方面，设计、评定和验证是使用安全的重要保障，也是美国联邦航空局（FAA）确认的增材制造 4 个难点之一。沈阳飞机设计研究所建立融合增材制造技术的结构设计、评价与验证方法。 王向明借助在原总装先进制造专业组担任增材制造责任专家的机遇，规划出基于增材制造的大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化和功能结构一体化等飞机新概念结构领域，主导系统级技术开发与工程化验证。 基于发明的增材熔合连接方法，王向明提出多种增材主承力结构设计方法，即通过增材熔化沉积填充，一边成形、一边连接，将两个构件合并为一个整体，使构件做得更大、更复杂。其中具体包括残余应力临界值仿真预测、离散分区成形、去除残余应力、增材熔合连接，涵盖创新设计、性能评定、工程验证等。与焊接的区别是，突破厚度限制，力学性能与母材相当，近似“无痕”连接。研制出框-梁等多种整体主承力结构，拓展法向复杂承载维度。 王向明提出基于增材制造的新概念机构 针对熔合连接区疲劳特性评定，王向明提出当量应力集中系数法。将熔合连接区内部细观缺陷打包，与母材宏观应力集中当量等效，利用名义应力法确定当量应力集中系数值和寿命算法，以此作为疲劳和工艺质量评价判据。针对疲劳寿命安全，王向明建立工程化验证专用模式，与传统积木式验证不同的是，力学性能考核与工艺过程循环迭代，这样可及时暴露性能缺陷，加快改进，使增材制造主承力结构件的寿命安全保障有了技术支撑，进而解决寿命安全风险控制难题。 拓扑结构是公认的轻量化结构，减重效率可近一半，具有极大应用潜力，受到工程界的普遍关注。王向明认为，拓扑结构属静定结构范畴，任一分支失效都将导致总体破坏。寿命安全如何保障？为此，他提出按寿命设计和稳定性设计所产生的强度裕度等效面积作为裂纹扩展容限区域，分不同情况建立拓扑结构局域损伤容限设计准则。针对拓扑结构机加难点，他还提出了增材快速成坯加表面熔凝精整的低成本工艺方法，机加量减少70%，制造成本也得到降低。 上述研究解决了增材主承力结构创新设计难题，成效显著，零件数量减少2/3、结构减重1/5、疲劳寿命增加1/3。“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖的殊荣，这一项目由沈阳飞机设计研究所负责设计验证，北京航空航天大学负责制造。 早在2003年，王向明就与王华明教授开展密切合作，共同为飞机结构件“量身定做” 王向明介绍，选区熔化增材制造技术可打印出内部形状复杂的轻质功能件，但常规点阵结构的节点承载能力大都不满足飞机功能结构要求。为此，王向明将点阵结构的节点半径作为设计变量，通过形状优化降低应力集中和重量，由此建立多种拉压承载型节点强拘束微桁架单胞。他提出节点剪切强度计算方法，发现敏感设计参数（微杆半径），并据此建立有效设计手段；打印出散热器、格栅等多种高效功能件，解决了增材高承载功能结构创新设计难题。功效实现质的飞越，功能效率提高一倍、减重近2/5、零件减少95%。另外，据王向明介绍，飞机战损/战伤比为1∶20，结构战伤占近90%，若无法及时抢修即相当于战损。对此，他提出了补强几何应力集中/填充复合应力集中最小的修理设计方法、浪涌偏差修正方法，建立“四快”修复流程与数据库——设计、评定、制造、修复。主持完成了3类材料、9类构件的地面静态、摇摆动态环境下的工程验证，为保持舰载机完好率提供技术途径。 上述成果应用于多个型号项目，单机用量达复合材料用量的1/7，含5种工艺、9种材料。开辟了增材构件在飞机上工程化应用先河，实现了质的飞越，应用进程保持领先，使我国成为唯一实现增材制造构件在飞机上规模化应用的国家。王向明领衔的“基于增材制造的飞机结构创新设计与工程应用”项目由此获得了国防科技进步奖一等奖。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.史玉升、王向明等4位增材技术专家确认2021中国工程院有效候选人 2.贯通材料、设计和速度，打开3D打印应用的大门 3.材料–结构–性能一体化增材制造 | 顾冬冬教授发表南航首篇《Science》论文 4.提前布局MES，迎接增材制造批量化生产的时代

3D打印技术的主要价值之一在于能够生产传统工艺几乎无法制造的特殊设计，而实现创新且复杂的3D设计，几乎所有的公司都很难做到，这不仅需要想象力，还需要软件工具来实现；材料，是影响3D打印应用的关键，它直接决定了终端用户能否使用，即便当前3D打印材料种类繁多，却依然难以通过很多领域的使用要求；速度，则是影响应用成本的关键，3D打印速度的突破将使其应用范围变得更加宽广。然而，很少有公司能够同时贯通材料、设计和速度，而走通了这条路，至少可以打开一个应用领域，例如Carbon公司。 功能强大，性能导向的晶格设计软件 Carbon不仅仅是一家3D打印设备制造商，还是一家材料商和软件公司，它在3D打印运动鞋制造市场中占有举足轻重的地位。其推出的高性能材料和设计工具不仅成就了Adidas的新型产品，更几乎“灭掉”了其他3D打印工艺在该领域的光彩，至少到目前为止，采用其他工艺的其他运动品牌已经许久未推出3D打印新品。 晶格，几乎是区分一款运动鞋是否采用了3D打印工艺的标志性特征，这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，可以达到结构的强度、韧性、耐久性、静力学和动力学性能的完美平衡。 Design Engine是Carbon推出的用来生产优化产品的设计软件，尤其专注于晶格结构的生成。传统设计工具在进行增材设计时难以完全兼容，尤其是对于以晶格为代表的复杂结构。Carbon公司指出，Design Engine是为简化晶格结构设计而生，基于云端的强大计算能力可以在几分钟内生成高级共形晶格，减少了对单机运算力的需求。 高度约10cm的零件生成晶格结构仅需117s 作为在晶格结构应用方面的领导者，Carbon注重晶格结构的性能特点。Design Engine支持用户在尝试不同设计时准确预测机械性能，从而帮助用户调整设计并缩短开发时间。同时，软件采用交互式界面，可同时制作五种不同的结构设计。即便对于最具挑战的外表设计，该软件也可以提供共形晶格结构设计，并减少生成设计后繁琐的修改步骤。值得注意的是，Carbon对于晶格结构性能的准确预测是基于本公司的材料。 在产品开发方面，Carbon已使用该软件成功设计了新冠肺炎检测取样拭子、高端自行车坐垫以及冰球运动行业从未有过的Super-Tacks X头盔。今年3月，Carbon宣布其所有会员用户均可以使用Design Engine软件。5月，Adidas推出最新款基于Carbon 3D打印技术的4DFWD运动鞋，并广泛使用了Design Engine软件进行鞋底晶格结构设计，新的点阵中底包含多达五百万种晶格结构，经过特殊编码，可以在垂直撞击时向前压缩，这种功能的实现均是通过晶格结构设计实现。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 前所未有，先进的3D打印可编程树脂 在很多情况下，由材料商或设备商推出的3D打印材料即便声称达到了多高的性能，但有时候却是只能感动自己。汽车领域的用户多次反馈当前的3D打印材料无法满足他们的性能要求，尤其是缺口冲击强度，PA、PP都无法满足。实际上每一种3D打印材料在其性能范围内只适合去承担其“力所能及”的应用，一味苛求它达到传统材料的性能在目前可能仍不可行。但，这反映了应用端对材料的迫切需求。无论材料商还是设备商，把握住这个需求，至少是掌握了打开市场的钥匙。 高性能树脂材料的开发便是Carbon成功的另一个关键，尤其是与粉末床熔融技术相比，Clip技术可以生产完全致密的零件。Carbon推出了多款高性能树脂，这些材料必须满足特定行业的性能标准和质量要求才能获得使用。 在汽车领域，福特、兰博基尼、自动驾驶技术公司Aptiv以及知名汽车紧固件制造和销售公司Araymond，均采用使用Carbon EPX 82材料批量生产汽车部件。EPX 82是一种高强度工程材料，其热变形温度为115°C，具有良好的冲击强度，非常适合要求强度、韧性和热循环耐久性均衡的应用，如连接器、支架和汽车和工业部门的外壳部件等。其机械性能可与玻璃微珠填充的热塑性塑料（如20％GF-PBT，15％GF-尼龙）相媲美，并符合USCAR-2流体兼容性标准。 兰博基尼SIÁNFKP 37通风口、APTIV拖挂式连接器盖、福特野马GT 500 EPB支架及兰博基尼SUV Urus油箱盖 在消费品领域，最为知名的应用便是Adidas采用Carbon的3D打印工艺、高性能树脂以及设计软件来大批量制造运动鞋中底。EPU 41是Carbon为Adidas Futurecraft 4D中底开发额革命性的弹性材料，双方密切合作，对150多种不同的材料配方进行了迭代，以实现所需的机械性能。用于最终生产的树脂材料特别适合生产弹性体晶格几何形状，在安全性和舒适性方面超越传统泡沫。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 在牙科和医疗领域，Carbon有专门用来生产牙模、间接粘合托盘、牙周夹板及导板的不同种类的医用树脂，并连续于2019和2020年在Dental Labs客户满意度调查方面排名排名第一。在其他领域，Carbon的Cyanate Ester 221材料被用来生产NASA自由飞行器冷气推进系统的四个高性能离合器零件，精密冷却系统制造公司Ebullient也采用该材料3D打印芯片冷却模块。这款材料材料性能与玻璃填充的尼龙相当，高热变形温度为230℃，并且具有非常高的刚性，非常适合制造需要长期热稳定性的组件。 3D打印的芯片冷却模块 从这些不同领域的应用可以发现规律，Carbon开发的树脂材料面向了客户需求，甚至与客户一同开发材料。与应用端结合，解决客户的需求，是其致胜的关键因素之一。相比之下， PA、PEEK、PP及其复合材料，是目前较为流行的3D打印高性能材料，而材料开发商在多大程度上是因为材料已经流行了而去重复生产和开发，有多少是考虑了终端用户的真正需求呢？来自汽车制造商的数据显示，目前主流的3D打印材料多无法通过实验室测试，尤其是冲击强度。 提升百倍，革命性的3D打印速度 Carbon最引人瞩目的成就便是对3D打印速度的突破，这是其成功的最重要因素。该公司的研究人员于2015年在Science上发表论文首次展示了这种称之为连续液面生成（CLIP）的技术，凭借一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。而因为区别于其他DLP工艺的抬起和下降步骤，它比传统3D打印技术快了100倍。   Clip技术原理 Adidas 3D打印运动鞋底的成型过程 在速度方面的突破，证实了3D打印可以被用于制造业，因此也吸引了各方的持续关注和多轮融资。自此，Carbon与福特汽车、阿迪达斯和里德尔体育公司达成协议，分别为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头盔。这同时成为Carbon取得3D打印批量制造和商业成功的关键。 Carbon为里德尔开发的3D打印橄榄球头盔 基于Clip工艺，Carbon推出了多种类型的3D打印机。Carbon M系列是功能原型的理想选择，在零件质量、准确性和一致性方面深得客户满意；Carbon L1打印机作为成熟装备，服务于需求量产的产品设计师、工程师和制造商，其成型尺寸为400 x 250 x 460mm，阿迪达斯Futurecraft 4D鞋中底和Riddell Diamond橄榄球头盔便是采用该机型打印，它提供了稳定的质量和可靠性，并能够按需生产。 Carbon-Adidas 3D打印生产车间 在商业模式方面，Carbon采取只租不卖的模式，按年收取费用。这一方面降低了终端用户尝试Carbon技术的初期投资压力，另一方面也使得终端用户在面临Carbon后期设备技术更新的时候，能更轻松的切换到更新版本的设备。 END 从Carbon的发展历程来看，其首先突破了3D打印技术的速度限制，其次开发出了多款高性能3D打印树脂，为其产品的工业应用打开了通道。设计软件的开发，则是基于3D打印工艺在复杂结构制造方面的优势，尤其立足于使用其公司的树脂材料在晶格点阵结构方面的优异性能，开发出了只有该公司产品才能实现的、可接受的成本先进应用。 而从业内众多成功案例以及增材制造发展的趋势可以看出，速度和材料成为了一家公司致胜的关键，没有哪家公司不是在基于更快打印速度的基础上同时推出先进材料，惠普、华曙概莫能外。而尚没有哪家公司可以像Carbon那样，只有利用它们的打印技术、材料才能实现创新设计的高性能和相对低成本应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展 2.Carbon首秀TCT Asia并官宣:3D打印实现量产不再是传说 3.GE公司的新尝试：采用金属3D打印代替铸造，发现成本更加经济 4.预见2021：《2021年中国3D打印材料产业全景图谱》

2021年5月28日，国际著名学术期刊《Science》发表了南航材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队的研究综述论文《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》（Dongdong Gu*, Xinyu Shi, Reinhart Poprawe, David L. Bourell, Rossitza Setchi, Jihong Zhu, Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 2021, 372, eabg1487）。标志着南航在基础研究和重大成果方面取得新突破。南航是本文第一署名单位，顾冬冬教授为本文第一作者和通讯作者。 同期Science主编以“跨尺度调控”为题，对论文做了亮点评述，认为激光增材制造有望变革零部件的设计方式。顾等人建议将串联式设计和成形构件的增材制造策略，变革至更为整体性的方法来优化金属构件。这种更为综合的方法将有助于减少制造所需的工序数量，并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。 高性能金属构件是航空、航天、交通、能源等现代工业的基石，且高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。高性能金属构件多服役于极端严苛环境，故对构件的选材、制造工艺、性能/功能均提出了严峻挑战。激光增材制造（3D打印）技术是当前世界科技强国竞相发展的一项战略性关键核心技术，可满足现代工业对难加工金属构件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。激光增材制造逐点逐域的局部成形特性，决定了工艺过程和成形性能涉及宏观–介观–微观至少6个数量级的大跨尺度形性协调，这是其核心科学挑战。传统增材制造遵循典型的“串联式路线”，即结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能；但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂，激光增材制造精确成形需反复试错，造成金属构件高性能目标实现困难。为对应上述挑战，本文提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念，其概念性创新在于：变革传统的串联式增材制造路线，发展新的材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以主动实现构件的高性能和多功能。材料–结构–性能一体化增材制造的概念及内涵 为明晰“材料–结构–性能一体化增材制造”的科学内涵与技术途径，本文面向下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势，针对隔热/防热、减震抗冲击、空间抗辐射等多功能需求，创新发展鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝等仿生结构，并基于陶瓷/金属梯度复合材料、碳纳米管增强金属基复合材料等多材料设计与布局，实现仿生多材料整体构件的材料–结构–性能一体化增材制造及其高性能/多功能。 多功能整体构件的材料–结构–性能一体化激光增材制造：以下一代空间探测着陆器“大底”构件为例 本文定义了“材料–结构–性能一体化增材制造”的两大特征及其内涵。其一是“适宜材料打印至适宜位置”，从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局3个复杂度层级，揭示了多材料构件激光增材制造的科学内涵、成形机制与实现途径；其二是“独特结构打印创成独特功能”，揭示了拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构增材制造的本质是分别将优化设计的材料及孔隙、最少的材料、天然优化的结构打印至构件内最合适的位置，提出了基于上述三类典型结构创新设计及增材制造实现轻量化、承载、减震吸能、隔热防热等多功能化的原理、方法、挑战及对策。 材料–结构–性能一体化增材制造的特征之一：适宜材料打印至适宜位置材料–结构–性能一体化增材制造的特征之二：独特结构打印创成独特功能 本文建立了“材料–结构–性能一体化增材制造”的跨尺度实现原理及调控方法，包括微观尺度的材料组织与界面调控、介观尺度的粉末激光熔凝及致密化工艺控制、宏观尺度的构件结构与性能精确协调。本文进一步对“材料–结构–性能一体化增材制造”未来发展方向进行了总结与展望，包括更加数字化的材料创成和结构创新、更具自主决策功能的打印装备、更加智能化的打印过程、更加多元融合的打印工艺、更加绿色可持续的打印技术及应用等。 高性能/多功能金属构件材料–结构–性能一体化激光增材制造的跨尺度形性调控机制 “任何成绩都是苦出来的，成功没有捷径，唯在勤勉” 在着手进行论文写作时，顾冬冬和团队成员从2016年开始有意识地将研究发展目标定位在Science、Nature级别的论文上，一是因为增材制造技术日益成为国内外研究热点，Science、Nature每年都有增材制造论文发表，但多为欧美国家作者，形势催人奋进；二是因为团队长期聚焦金属激光增材制造基础研究，特别是2016-2017年获得国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目课题资助后，一直在潜心思考，如何在Science、Nature级别的期刊上取得高水平基础研究成果的突破。在前期有了充分的研究准备后，顾冬冬从2020年1月寒假期间开始构思写作这篇论文，2020年12月定稿并投稿，2021年2月收到评审意见并利用春节假期完成论文修改，2021年4月论文录用。面对论文最终成功发表的结果，顾冬冬说“任何成绩都是苦出来的，成功没有捷径，唯在勤勉”。 “论文写作的过程就是不断寻求突破的过程” Science论文注重概念性创新，因此在论文写作中，如何在金属激光增材制造研究领域发掘不同点、构筑创新点，是顾冬冬一直思索的问题。他在文中提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的整体性概念，将传统的串联式增材制造路线，发展变革为材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，“论文写作的过程就是不断寻求突破的过程”，顾冬冬教授在论文写作中精益求精，为了让阐释更为形象具体，采用“拼图”这一大家熟悉的形式，来诠释一体化增材制造的概念及内涵，这是在论文构思与写作过程中不断迭代、不断完善的概念性突破，以凸显研究思路的特色与创新。 Science论文具有高度凝练的思想。工程科学领域的论文既要面向世界科技前沿，更要面向国家重大需求。当前航空航天装备服役条件严苛化、材料–结构一体化、装备功能多样化的发展趋势，要求增材制造的材料和结构更多元异构化、工艺技术更复合化、增材制造过程更智能化，顾冬冬凝练了材料–结构–性能一体化增材制造的两大特征及内涵：适宜材料打印至适宜位置（the right materials printed in the right positions）；独特结构打印创成独特功能（unique structures printed for unique functions），为高性能/多功能金属构件激光增材制造提供普适性原理与方法。 “以更高的标准要求自己，不放过每一个细节” Science期刊具有强烈的精品意识，Science期刊及其论文在概念、思想、内容、形式等方方面面完美融合了科学与艺术、传统与现代、经典与时效。“以更高的标准要求自己，不放过每一个细节”，这是顾冬冬在论文写作过程中对自己的高要求，论文中的每一句语言、每一个措辞、每一幅图片、每一帧线条，无不体现着国际学术出版的最高标准和要求。Science论文集成了科研的创造力、想象力、理解力、表现力，而这些能力都需要在平日进行积累和储备。Science论文的录用与发表是一个艰辛而美好的过程。论文的概念创新和思路凝练，不是一蹴而就的工作，而是一个反复迭代的过程，在完成这篇论文的过程中，顾冬冬经历了反复思考、自我否定、探索修正、自我完善，直到形成新观点、新方法。在修改这篇论文时，正值2021年春节假期，顾冬冬放弃春节与家人团聚，每天工作12小时以上，利用两周时间完成全部修改工作。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读：1.顾冬冬教授：航空航天领域增材制造四类典型结构及发展趋势 2.顾冬冬教授：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.结构易仿、制造不易、科学更难 | 史玉升教授团队的4D打印研究进展 4.2021 TCT 3D打印展精品展品（二）：性能高，结构复杂，功能强大

5月26日，目前亚洲最大的3D打印技术展览会2021 TCT Asia在上海国家会展中心隆重开幕。安世增材以“聚集行业应用，推动产业升级”为主题，携最新技术成果及行业赋能方案重磅亮相，展示了以增材思维为核心的先进设计与智能制造解决方案。2020年中国已连续11年成为全球最大制造业国家，企业加速数字化转型，创造新价值，增材制造技术成为数字化研制和产品再造新的突破口。安世增材作为一家专注研发的创新型驱动企业，长期以来持续关注为各大行业赋能，推动产业升级，为行业提供咨询服务、软件配套、打印服务、生产模块配置全流程DfAM增材制造设计服务。借2021TCT Asia召开契机，安世增材向业内外人士展示自身长期深耕的成果与未来的发展方向。点击下方链接，回看现场精彩直播！ 升级与重塑 五大行业赋能发展 此次盛会，安世增材集中展示了五大行业解决方案：亟待提升产品性能质量和生产效率、完成升级换代的工业行业、客制化需求强烈的医疗、消费品与建筑行业以及教育行业。大工业领域：安世增材融合工业仿真技术经验与增材制造技术优势，构建基于正向设计的数字化研制体系，形成面向不同行业的增材制造DfAM整体解决方案，针对不同的行业、客户、工业品进行原创设计或优化再设计，在企业可接受的成本范围内达到产品性能、质量、生产效率的提升，完成产品的升级换代，辅助中国制造企业选择增材技术作为下一代的制造手段。工作人员认真为观众讲解目前安世增材已经形成了面向汽车、航天、航空等16个行业或工业品的DfAM整体解决方案。在这一次的展会中，安世增材带来了涡喷、5G通讯小基站散热器、金属高通量制备样件等工业样件，让观众在现场感受增材技术在工业制造方面的先进性。观众认真观看展品内容医疗领域：安世增材专注于数字化齿科及骨科康复解决方案的设计与应用，推动国内高性能医疗器械的突破发展，减少复诊流程，缓解医工交互困扰，另一方面能通过提高适配度，大大改善患者的治疗效果。安世增材在本次TCT展会中重点展示的限位套筒以及睿智手术导板，能实现种植牙角度深度的精准完美控制，达到安全、精准有效、经济等目的。工作人员引导观众观看医疗领域展品消费品领域：安世增材客制化制鞋解决方案，通过扫描脚的原型，将数据录入云端，生成完整的鞋数据，定制生产，即可线上销售适合于个人的定制化的鞋子，告别以产定销和批量化生产模式，满足新时代消费人群消费者对个性化、实用、颜值以及科技感的要求。安世增材打印的多款3D打印鞋在这次展会中，安世增材在展位上放置了多双3D打印运动鞋，轻薄的鞋身与炫彩的鞋面吸引了许多观众的眼球。安世增材的3D打印炫彩轻运动鞋颇为吸睛建筑领域：安世增材在建筑结构、建筑组件、建筑内装与景观类建筑打印技术上深入研发，与Luxmea公司开展友好合作，以增材思维驱动建筑数字化制造。在TCT展会现场中，观众可以看到安世增材展示的异形沙发、建筑模板，这些样件款式新颖独特，引得众多观众驻足。观众触摸感受安世增材设计的异形沙发教育领域：国家颁布的产教融合政策开启了定制人才培养时代，增材制造领域人才需求激增。安世增材作为教育部“先进设计与增材制造智慧学习工场”唯一技术支撑单位，与300多家高校合作，共建“安世增材产业学院”，助力合作高校在“人才培养”“科学研究”和“产业服务”三个方面取得更大的成就，为制造业的发展进行赋能。教育展示区域 开放与合作 推进行业整体进步 共促可持续性发展 控制驱动增材创新，开源激发生态繁荣，为实现增材技术推动各行各业的优化升级，安世增材推出自研材料矩阵、成型工艺矩阵、软件系统及APRO设备通用控制平台。更难能可贵的是，安世增材立足于根技术的发展，立志用开源、自主可控模式服务于整个增材行业以期推动行业的整体进步及未来的可持续性发展。在TCT展会上，安世增材设立技术堆栈区域，对在增材制造领域积累的技术及经验以丰满的“货架”的形式进行了分享，吸引了众多同行的目光，现场不少企业针对软件与平台的适配性进行了咨询。技术堆栈区自研材料体系3D打印设备作为增材制造的根本工具，安世增材创新性的推出桌面型、专用型、打样型、生产型四大类增材制造设备。在展会现场，观众可以通过现场播放的视频与手册，了解到公司现有的先进打印设备。观众认真观看硬件设备区 开放与合作 推进行业整体进步 共促可持续性发展 尽管安世增材在设备研发上有非常丰富的沉淀和全工艺链的覆盖，但安世增材并没有带来实体设备展示。这是因为安世增材意识到随着增材制造技术的发展，设备一定会是未来的生产工具，但不是主导行业发展的唯一落脚点，如何推动产业升级，通过技术满足消费者乃至其他供应链生产者的需求才是重中之重。现场除了多样性的解决方案展示，还有多位专家带来精彩的DfAM相关课程报告。通过以下视频，一睹现场专家们风采！关注更多现场报道，或者课程信息，请微信搜索安世亚太公众号，关注账号——点击菜单栏——商城培训——TCT现场报告分享。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2021 TCT 3D打印展精品展品（一） 2.百余增材制造新品发布 – TCT亚洲展首日启幕 3.巴斯夫Forward AM：创新增材制造 4.2021 TCT 3D打印展值得关注的新设备（精选）

5月26日TCT亚洲展现场，先临三维正式发布AccuFab-L4K 高精度光固化3D打印机，该产品是先临三维自主研发的高品质3D打印机，拥有4K高分辨率、192*120*180mm的成型尺寸，具备稳定、准确的打印精度，并支持连续打印，能够实现设计原型的快速迭代以及小批量快速生产，可应用于工业设计、零配件/手办/医疗辅具打印等众多专业领域。AccuFab-L4K 的发布，进一步推进了先临三维“3D扫描-设计-3D打印”系统解决方案的普及化应用。 AccuFab-L4K高精度光固化3D打印机主要优势：• 高精度打印，准确呈现设计原型•4K分辨率，还原细节，实现终端打印•大幅面，快速成型，高效率打印•连续打印，稳定性强，实现小批量快速生产•适配多种工程树脂，满足不同品质要求•软硬件人性化设计，使用高效便捷合作巴斯夫，进一步提升高精度打印品质高质量的3D打印设备+高质量的3D打印材料，可以为应用者提供稳定、高质量的打印服务，得到优质的打印产品。为进一步提升AccuFab-L4K的打印性能，先临三维在进行良好硬件设计的同时，也在材料上投入大量研发精力，部分自主研发的树脂材料，已通过医疗器械认证备案，可应用于医疗专业场景。 同时，先临三维也与巴斯夫3D打印解决方案品牌Forward AM取得合作，将巴斯夫Ultracur3D®光固化树脂纳入AccuFab-L4K打印材料库。 基于巴斯夫在聚氨酯研究和生产方面数十年的经验，Ultracur3D®光固化树脂拥有以下优势： •使3D打印零件具有长期的紫外稳定性•使3D打印零件具有良好的力学性能•打印精度高•表面质量优良•抗变形能力强•环保，对环境影响小 “我们非常荣幸此次和化工巨头巴斯夫进行合作。L4K打印机研发之初，我们便十分注重设备稳定性，作为高稳定性的3D打印机，对于设备的各项性能要求均比较高。巴斯夫的材料种类众多且性能稳定，使用巴斯夫的材料，为我们L4K打印机的性能又增加一项加持。” ——先临三维3D打印研发部经理 庞博 “我们很高兴与先临三维达成此次合作，实现‘AccuFab-L4K 高精度光固化3D打印机+ Ultracur3D®系列光固化树脂’的解决方案，该方案能帮助客户更高效、更稳定的实现高性能功能性原型和小批量零件的制造。” ——巴斯夫3D打印解决方案（Forward AM）亚太区业务及运营总监 陈立博士 在3D打印领域，先临三维拥有多年的行业经验，所研发的打印机在齿科领域已得到良好应用。此次，先临三维发布AccuFab-L4K 高精度光固化3D打印机，是将3D打印技术在工业领域扩展的又一项实践——使用3D打印技术助力工业设计以及小批量柔性生产，推进智能制造的发展。先临三维也将持续努力，不断致力于高精度3D数字化技术的普及化应用。 关于先临三维 先临三维成立于2004年，公司专注高精度3D数字化及3D打印技术十余年，主营3D数字化与3D打印设备及相关智能软件的研发、生产、销售。公司是全球为数不多的拥有自主研发的“从3D数字化到智能设计到3D打印直接制造”的软硬件一体化产品解决方案的科技创新企业，致力于成为具有全球影响力的3D数字技术企业，持续推动高精度3D数字技术的普及化应用。 关于巴斯夫3D打印解决方案有限公司 巴斯夫3D打印解决方案有限公司总部位于德国海德堡，是巴斯夫新业责任有限公司的全资子公司。通过Forward AM品牌，专注于3D打印领域先进材料、系统解决方案、组件和服务的开发和业务拓展。公司凭借灵活、充满初创活力的内部结构，满足多变的3D打印市场中的客户需求。该公司与巴斯夫全球研究平台和应用技术部门紧密合作，以及科研机构、高校、创业公司以及行业合作伙伴开展密切合作。其潜在客户主要是致力于将3D打印用于工业制造的企业，所服务的典型行业包括汽车、航空航天和消费品。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2021 TCT 3D打印展值得关注的新设备（精选） 2.6激光+移动式扫描系统，国产2×2×0.65m金属3D打印机重磅发布 3.新型材料助力3D打印行业的循环经济之路 4.焦点关注：上海复志将推全球第二代桌面金属3D打印解决方案

当前主流SLM设备均采用多激光、多振镜实现更大尺寸打印，但由于单个振镜扫描面积有限，数量的增加并不能完全解决尺寸的限制。2020年，弗劳恩霍夫激光技术研究所推出了基于粉末床的下一代金属3D打印技术新型解决方案，推出了成型尺寸达1×0.8×0.5m的大尺寸金属3D打印机。其技术的核心在于采用可移动式扫描系统，可实现打印尺寸的扩展。而同样基于类似技术，国内苏州西帝摩2×2×0.65m超大型金属3D打印机将于TCT 3D打印展重磅发布！ 6激光+可移动式扫描系统，全球最大SLM金属3D打印机 苏州西帝摩公司于2015年获得外置可移动扫描系统专利，并于2017年推出了基于该技术、成型尺寸达750*750*500mm的XDM750，在航空航天等行业获得应用。面向更大尺寸的制造需要，西帝摩公司根据多激光SLM技术的发展趋势及公司可移动扫描系统的技术储备，于2020年推出新一代超大型金属3D打印机XDM2000。 XDM2000设备仓内 这一超大型3D打印机采用了单列6振镜6工位并行移动扫描方案，将2000×2000mm的加工台面分成大小相等的6×6个区域，单列6个区域分布6套振镜系统，在开始加工时6套振镜同时工作，当前工位扫描完成后移动振镜平台到下一工位，然后6套振镜同步扫描，依次扫描完成6个工位的加工后结束本层扫描，等待铺粉完成后接着进入下一循环，直至整个零件加工结束。这样，6套并行的同步扫描方法即能实现加工的高效性，也大幅减低了成本。同时值得注意的是，可移动扫描系统对打印尺寸的贡献是巨大的，其直接导致了打印幅面的可扩展性，只要有需求，完全可以进一步优化设备设计，这也是弗劳恩霍夫激光技术研究所强调可扩展性的原因。 除此之外，这一超大型3D打印机采用上送粉的供粉方式，铺粉装置包括多个向下延伸呈放射状的粉末流道，各粉末流道底部连接于储粉仓顶部与其内腔贯通，各个粉末流道底部沿储粉仓长度方向等间距排列，储粉仓底部的落粉板通过驱动组件控制开启或关闭落粉槽。对于如此大型的3D打印设备，上送粉的设计将大大节省设备运行所需要的材料成本。 移动式烟尘处理装置，将“大”化小，保证打印过程稳定可靠 西帝摩公司设计了一种可移动式的吹吸烟装置，该装置随着振镜的位置同步移动。吹吸烟装置与激光振镜一样，在移动过程中具有六个工位，因此在成型仓两侧分别设计了6个管道接口，用于各个工位吹吸烟的气体对流，当吹吸烟装置移动至该位置时，管道接口处的电磁铁启动将吹吸烟管道结合，形成循环的气体对流环境，然后激光振镜开始扫描，加工中产生的烟尘便能在这样的气体对流环境下得到有效处理。将2000mm跨距烟尘处理问题转化为350mm跨距。 这种移动式的烟尘处理装置相比传统全跨距吹吸方式更能有效解决因打印幅面过大所导致的烟尘处理难题 从打印过程可以看出，整个打印区域内未显示任何烟尘，6激光系统根据零件切片数据，首先协同打印一个区域，之后振镜组移动至下一区域继续加工，直到整个片层打印完毕；同时可以看出，激光扫描区具有较好的金属光泽，周围未发现飞溅物，打印过程稳定，可见打印工艺较为成熟。 面向航空航天大型结构件增材制造 多激光系统是大尺寸、高效率增材制造的重要解决方案，然而单纯增加激光器数量，打印幅面仍然受制于振镜扫描区域。移动式扫描系统是解决这一问题的关键，以弗劳恩霍夫以及苏州西帝摩为代表的研究组织和企业，推动了该技术的实现和商业化，突破了选择性激光熔融技术对3D打印尺寸的最大限制。 XDM 2000设备打印的Ti6Al4V零件，直径1110mm、高度15mm 如此大型的金属3D打印机无疑将专注于大尺寸零件生产，为航空航天等行业新应用带来更多可能。针对航空航天大型薄壁复杂结构件及大型精密复杂功能件等钛合金零件难加工问题，西帝摩成功研制了适合钛合金零件直接成形的高效、高精度大型选择性激光熔化成形装备，形成了集优化设计、分析与直接制造的成套技术，可实现加工幅面2000mm×2000mm、制件尺寸精度±0.1%以内的零件打印，并在航天薄壁复杂结构件和大型精密复杂功能件等航天产品中进行了验证。 除超大型XDM2000将亮相TCT 3D打印展之外，西帝摩还将在本次展会展示其新一代高效智能XDM 750大型激光选区熔化设备、用于高效高品质零件批量制造的XDM 300以及全流程的质量管理体系等解决方案。 XDM 750 3D打印过程 与上一代2017年发布的750相比，新一代设备采用了全新的除尘系统，使不同激光扫描区域之间流场一致性更好，更避免了上下游扫描烟尘对激光的相互影响。经过升级的软件系统，在人机交互、性能、智能化程度也有明显提升。质量管理体系则涉及数据保护、粉末质量控制、过程监控、成品检验等，是一套全流程可追溯的解决方案。 END 本次TCT 3D打印展将是本行业先进技术争奇斗艳的一场盛宴，多激光、大尺寸选择性激光熔融技术无疑会成为这场盛宴的主角。未来，大尺寸的钛合金风扇叶片、发动机机匣以及火箭发动机燃烧室，这些形状和结构复杂的部件都将可以采用选择性激光熔融技术实现高精度一体化成型。增材制造新的时代，无疑已经到来。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.专题：2021，多激光、超大型金属3D打印的时代已经到来 2.专题：金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 3.华南理工杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展 4.多激光无缝拼接的大尺寸粉末床激光熔化自动化设备是怎么工作的？

由于在电子设备、热管理系统和航空航天工业以及电动汽车等许多应用领域的广泛潜力，高纯铜的3D打印得到了广泛研究。然而这种材料并没有像其他金属那样获得广泛的应用，其原因在于纯铜的3D打印有几个重大的加工挑战需要解决。 由于铜的高导热性，熔体区域散热迅速，局部热梯度大，容易导致分层、卷边和零件失效；而且，铜对氧化具有高敏感性，需要对其3D打印工艺进行特殊处理；此外，纯铜还是一种高反射金属，传统的SLM技术难以对其进行加工。然而，纯铜的3D打印工艺探索并非停滞不前，而是接连取得实质性进展。本期，3D打印技术参考汇总纯铜的3D打印工艺种类。 基于粉末床熔融技术的纯铜3D打印 纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于常规激光器打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器等。因此，基于传统SLM技术的纯铜3D打印发展的始终不尽如人意。 真正的转机是绿激光和蓝激光的发展。纯铜对515nm绿激光的吸收率接近40%，对450nm蓝色激光的吸收率则达到65%，分别相当于常规SLM用红外激光的8倍和13倍。随着对短波长高功率激光器开发的克服，采用SLM技术进行纯铜3D打印开始出现转机。 2017年，Fraunhofer激光技术研究所表示正在探索采用绿激光进行纯铜3D打印；同年，日本岛津推出了100w的高功率蓝光二极管激光模块，并采用它进行了纯铜的3D打印。但对于这两家机构，目前尚未看到有专用的SLM设备推出，Fraunhofer则表示未来将创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器，稳定输出最大功率达400w的515nm波段激光。真正的商业化是在2018年，通快推出了第一款绿激光SLM打印机，该设备配备波长为515nm的TruDisk1020绿光激光器，打印零件铜含量高于 99.9％，实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。该设备将亮相今年上海TCT 3D打印展。 通快采用绿激光3D打印的纯铜器件 除激光粉末床熔融技术外，电子束对纯铜3D打印也具有优势，不过该工艺打印的零件表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈等应用的后处理带来不便。 本部分上传资料：通快、EOS纯铜材料数据表及设备资料。 基于粘结剂喷射技术的纯铜3D打印 理论上，能够用于金属注射成型的材料均可采用粘结剂喷射工艺成型。然而，该技术的代表型企业Exone在很长时间内推出的官方认证材料却只有17-4PH、304L、316L、M2工具钢等等，纯铜也一直未能出现在同技术类型公司的材料清单中。 几种纯铜3D打印工艺特点对比 实际上在采用粘结剂喷射技术成型纯铜之前，已经有学者采用SLS技术对铜和PMMA的粉末混合物进行了研究。PMMA作为中间粘结剂，在激光扫描过程中融化来粘结铜粉形成生坯，之后再进行脱脂烧结处理。这种方式其实与粘结剂喷射技术的过程类似，都是先将铜粉成型出零件的形状，只是方式不同。研究人员发现，这种间接的SLM过程，纯铜的致密度远低于理论密度（约77-78%），孔隙较多，且脱脂过程产生的杂质被留在了材料内部。 无论对于金属注射成型、粘结剂喷射还是激光烧结，合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制对于纯铜的成型来说都是关键因素。相比激光烧结，粘结剂喷射技术更容易控制粘结剂的含量，这避免了前者铜粉一次掺入粘结剂而造成的固定比例问题，在工艺调节和研究过程中更加灵活。 不同3D打印工艺制造纯铜零件的性能（参考） 此前，国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 Digital Metal粘结剂喷射3D打印成型的散热器及扩音器天线 本部分上传资料：纯铜的粘结剂喷射成型研究；Digital Metal粘结剂喷射成型纯铜的性能数据。 基于熔融挤出技术的纯铜3D打印 2020年2月，Markforged宣布推出纯铜3D打印丝材和工艺，并成功应用于散热器和汽车制造领域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系统的纯铜材料及工艺。 Desktop Metal打印的纯铜电机座和螺旋换热器，均具有内部冷却通道 与粘结剂喷射技术一样，基于熔融挤出的金属3D打印都需要脱脂和烧结。Desktop Metal声称，新推出的纯铜材料致密度可以达到98%，能够制造具有复杂几何形状和内部通道的零件，借助其Fabricate软件可自动执行复杂的冶金过程，从而生产出密度和特征精度均与铸造相似的高质量零件。 本部分上传：Markforged、Desktop Metal纯铜材料数据表。 基于数字光处理（DLP）技术的纯铜3D打印 2021年3月，美国Holo公司宣布推出基于DLP技术的纯铜3D打印材料。采用该公司专有的PureForm技术，利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，并结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。 Holo公司的专有浆料材料特性 Holo公司的浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 Holo 3D打印的纯铜零件 基于已经成熟的工艺，Holo着重于散热器件的开发与制造，而不是销售3D打印机。其目前的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件，并希望每年生产数百万个铜散热片零件。 END 在电子元器件飞速发展的今天，热损耗与热安全问题日益凸显，设计紧凑、高效、一体成形的散热器具有重要的应用空间，而这些特征正是3D打印相比传统加工技术最大的优势。 除热管理系统和热交换装置外，纯铜3D打印还可用于射频阴极和感应加热线圈等。对于不复杂的器件，纯铜3D打印可能并没有特别的必要，其发挥作用的空间还是在于产品开发、特殊结构制造等方面。 当前，纯铜3D打印的工艺其实还有其他种类，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有极大的发展空间，这与激光、材料和后处理技术的研究和发展密切相关。 注：本期资料均已上传qq群（共五份）。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：金、银、铜等典型高反射材料的激光增材制造 2.ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印 3.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 4.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度