钛合金是增材制造最常用的材料之一，无论对于航空航天还是医疗，人们都致力于推动该技术的应用。相对来说，绝对大多数的研究集中于Ti6Al4V在增材制造及热处理过程中的组织结构演变和机械性能变化。然而从冶金的角度来说，Ti6Al4V在冷却时不可避免地会形成对综合性能不利的针状α’马氏体（导致强度高、塑性差），热处理过程的可调控范围有限。相比之下，亚稳β钛合金在增材制造冷却过程中通常不会形成α’马氏体，具有比Ti6Al4V更多的热处理选择，对于增材制造来说具有更为广阔的应用前景。此类材料长期以来一直用于具有高强度要求的航空航天应用，如波音787的起落架和直升机旋翼等。在固溶条件下，亚稳β钛合金比Ti6Al4V更容易调控相组成，不仅可以实现高强度，同时能够获得更高的可塑性。尽管价格比Ti6Al4V贵，但确实是结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料。 采用SLM工艺制造Ti5553 关于亚稳β钛合金的增材制造研究目前还非常有限。以Ti5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）为例，由于添加了V、Mo和Cr作为BCC结构的稳定剂，使得该材料在SLM的快速冷却过程保留了β相。通过产生一系列具有不同比例和形态的α和β相的微观结构，可通过热处理来增强或改变3D打印的 Ti5553零件的性能。然而，由于机械性能对微小的加工变化非常敏感，因此研究增材制造的Ti5553对热处理引起的微观结构变化非常重要。 2016年，来自德国的学者证明了采用SLM技术制造此类材料的可行性，所打印的Ti-5553的致密度为99.95%，拉伸强度为800Mpa，延伸率为14%。2019年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室材料工程部的研究人员则对SLM制造Ti-5553进行了不同热处理条件下的机械性能测试，最高屈服强度达到了1400Mpa。 不同热处理条件下的强度和应变破坏趋势 •通过SLM制造的 Ti5553在300°C热处理条件下，平均极限强度为824 MPa，延伸率为17％。 •在400–500°C之间热处理的样品具有最大的极限强度（最大强度接近1400 MPa），但脆化较为严重（破坏应变降至<2％），目前尚不清楚在此温度下具有如此高强度和低延展性的原因。 •较高的热处理温度会带来延展性的提高，但同时屈服强度和极限抗拉强度会降低。700°C的样品似乎具有屈服强度和破坏应变的最佳组合，具有1000 MPa和14％的破坏应变。 总之，还需要进一步研究整个热处理过程中的组组成变化和时间-温度稳定性，才能充分解释所观察到的力学行为和微观结构演变。 采用电弧增材制造Ti38644 然而，以Ti5553为代表的亚稳β钛合金毕竟是制造大型结构零件的理想选择，SLM技术的打印尺寸受到了极大限制。近期，来自澳大利亚的研究人员对同属亚稳β钛合金的Ti-38644 （Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），进行了电弧增材制造技术后的热处理研究，发现通过后期时效处理，该材料可实现极高的强度，屈服强度超过了1600Mpa，几乎增加了一倍。 •电弧增材制造的Ti-38644抗压屈服强度为861Mpa，并具有极强的韧性；在300℃/24小时的初始时效条件下，降压屈服强度略有提高，达到910MPa，塑性（破坏应变）降低到约45%。 •随着在高温下的持续时效，即双相时效，α相显著析出，这对合金性能有重要影响。在450℃/24小时的最终时效后，抗压屈服强度显著提高至1622Mpa，这几乎是β-退火条件下合金屈服强度的两倍，大大高于通过金属丝电弧增材制造的Ti6Al4V。不过此时，塑性（破坏应变）仅有约15%。 •在500℃、525℃或550℃下时效24小时，强度在1385-1210MPa，而塑性则在21-27%之间进一步平衡。 A）双重时效对增材制造的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金硬度的影响；B）与WAAM生产的Ti–6Al–4V相比，每个测试条件下的合金屈服强度和破坏应变 因此，为了保持足够的塑性，500℃-550℃可能会为合金提供更合适的机械性能平衡。而在增材制造零件的热处理过程中，精确控制析出相的尺寸和分布，是获得综合力学性能的关键。亚稳β钛合金相比于Ti64具有更容易控制的相组成，为热处理优化提供了更广阔的选择空间。 增材制造的各种亚稳β-Ti合金的屈服强度 从增材制造的各种亚稳β钛合金的强度图中可以看出，现有的大部分研究发现此类钛合金的强度水平在600-900MPa之间，本文介绍的SLM制造的Ti5553和电弧增材制造的Ti38644具有最高的屈服强度。这些相对较新的亚稳β钛合金可替代常用的α/β合金Ti6Al4V，可以提供包括强度、延展性、抗疲劳性在内的综合力学性能。 注：Ti5553和Ti38644的3D打印研究已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 2.俄科学家采用新技术为飞机“瘦身”约一吨 3.中科院在增材制造钛合金疲劳性能研究中取得进展，可指导设计和生产 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

3D打印属于哪个行业？以铂力特为例，根据中国证监会《上市公司行业分类指引》（2012年修订），公司所属行业为制造业（C）中的通用设备制造业（C34）。根据国家统计局《国民经济行业分类》（GB/T4754-2017），发行人所属行业为制造业（C），细分行业为通用设备制造业（C34）——其他通用设备制造业（C349）中的增材制造装备制造（C3493）。 根据2020年Wohlers报告，在2019年全球3D打印市场收入为118.67亿美元，较上一年增长了21.2%，近4年全球3D打印市场平均增长率为23.3%。在2019年，全球3D打印设备相关（含设备、软件、辅件等）收入大约50.43亿美元，较上年增长22.3%，其中设备收入在30.13亿，较上年增长14.7%；全球3D打印服务收入大约为68.23亿美元，较上年增长20.3%。 历年金属3D打印机的销售数量 在2019年，全球大约售出2327台金属3D打印设备，较2018年增长1.3%，全球金属3D打印设备收入为10.88亿美元。随着全球金属3D打印设备装机量的提高，金属3D打印粉末收入增长至3.327亿美元，较上年增长了27.9%。 增材制造是近三十年来快速发展起来的重要制造加工手段，即与等材、减材原理并列的增材制造方法，完备了制造加工技术。全球增材制造产业已基本形成了美、欧等发达国家和地区主导，亚洲国家和地区后起追赶的发展态势。行业的发展阶段集中体现在装备能力、产业应用和创新能力三个方面的完备和突破。中国的增材制造技术从需求出发，以设备制造为切入点开始发展，伴随着增材制造技术的快速成长以及在各个行业领域的不断渗透，产业布局急促形成。增材制造技术的应用模式逐步从直接制造走向设计制造，即增材制造技术进入到推动原有制造型企业转型和变革的发展阶段。中国增材制造技术在经历了初期产业链分离、原材料不成熟、技术标准不统一与不完善、以及成本昂贵等问题后，逐步形成了自主装备，原材料和制造工艺的创新发展，某些方面优于国际水平，与欧美发达国家形成了强劲的追赶趋势；但由于迭代周期短，依然面临增材制造装备稳定性可靠性；专用粉末材料体系不完备、标准缺乏、工艺性验证不足等问题，故增材制造装备及产品应用推广还存在一定难度。 2017-2020H1中国部分智能制造装备产量变化 2016-2019年中国数控金属成形机床、数控金属切削机床产量下降，工业机器人产量上升，表明机床智能化仍不够成熟，我国数控机床的智能化技术尚处于起步阶段，需要进一步发展。工业机器人产量呈增长趋势，机器人与增材设备制造发展相对较好。 增材技术大体可分为非金属、金属和生物增材制造技术。金属增材技术由于投入大、成本高、门槛高、附加值高等特点，全球市场占比在起初仅为个位数，随着应用领域的不断拓展，目前已超过百分之三十的市场占比。金属增材制造技术从应用需求出发，首先在航空航天领域等高附加值领域获得应用，从零件级、部件级到整机级逐步发展。近年来，随着金属增材制造行业的发展和技术日趋成熟，在能源动力、轨道交通、电子、汽车、医疗、模具等领域得到广泛了应用，发展模式形成了从定制化到批量化的发展趋势，以满足在民用产业领域低成本、高效率、高精度的要求。 2019年铂力特分行业营收情况 金属增材制造行业从装备来讲结合了机械工程、动力工程、电子信息工程、控制工程等技术领域。装备设计制造的稳定性、灵活性和可靠性是实现产品高精度、高性能、高表面质量和低缺陷、低成本的主要影响因素。中国已实现装备国产化，与国外同类型装备对比，还存在运行不稳定，激光器、振镜等核心器件进口依赖情况，需相关技术领域的协同创新发展，提升装备整体性能。 增材制造技术是实现设计制造的优势技术手段。金属增材制造行业从打印技术本身来讲是结合了热加工和冷加工的材料成形成性的过程。增材专用粉末设计、打印成形工艺、后处理、检验检测是保证打印产品质量的关键技术；结构优化设计就是实现构件的一体化、轻量化等目的，提升产品性能的关键技术。因此增材制造行业具有一定技术、市场门槛，但其良好的行业前景预期可待。推动金属增材制造技术行业的发展，要从提升创新能力、推进行业应用、打造产业集聚、深化国际合作上下功夫；突破基础原材料、关键元器件、基础工艺、核心装备等核心技术方面的瓶颈。未来必是挑战与机遇并存，只有不断的创新改革，突破关键技术，引领行业潮流，才能在未来快速发展的产业浪潮中充分体现增材制造技术的创新制造能力。 中国3D打印装备的发展严重依赖关键元器件的进口 增材制造基于自身数字化与智能化结合成形模式，已初步形成智能制造的生产模式，在未来随着信息技术的进一步发展，智能工厂将与网络协同制造结合，形成面向云定制的分布式智能产线协调管控平台，以及基于5G网络的状态可察、风险可辨、未来可测、生产流程可控的智能化综合运营系统是增材制造的新模式，从而实现从定制化向批量化、制造化向服务化以及向制造无人化的过程转化。 注：本文内容来自铂力特中期报告。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.铂力特2020半年度报告：上半年利润-1618万元，亏损同比扩大 2.从数据看全球领先的3D打印公司的研发概况 3.3D打印趋势报告2020：行业亮点与市场趋势 4.你应该知道的3D打印行业40+统计数据[2020]

  3D打印的金属部件后期精加工工作量很低，磨削有潜力成为满足最终公差的有效解决方案。 增材制造在航空航天和医疗市场的广泛使用促使人们不断提高对精加工增材部件表面的要求，以满足最终应用需求。增材制造工艺能够生产出接近最终形状的组件，显著降低了最终精加工的需求。通过增材制造，可以降低材料浪费率，有利于整体制造工艺，但是这也意味着后续的精加工过程对后处理技术和一致性的要求越发严苛。因此，需保证后处理的一致性，满足部件公差和表面质量要求。在对公差和表面提出更高要求的应用中，磨削可以是增材制造的另一个有效选择。 与其他传统材料去除工艺相比，磨削得到的表面质量和完整性更好。为了进一步了解增材制造的精加工，尤其是应用于航空航天业中的镍基高温合金部件时，Norton|Saint-Gobain公司的工程师对采用增材制造的Inconel 718样品进行了精磨削研究。研究主要围绕3个问题展开：需要从增材制造的部件上磨掉的最低材料量/体积是多少？使用最新一代的砂轮对增材制造的部件进行磨削可以达到怎样的表面光洁度？第三，精磨削对增材制造组件的表面残余应力（如有）有什么影响？ 采用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制造的AM IN718样品由Stratasys Direct Manufacturing公司提供。图1所示为增材制造测试样品。增材制造后，对样品进行介质喷砂处理，完后消除应力。接着是热等静压、固溶处理/退火和沉淀硬化处理。样品硬度为40 HRC。然后使用Norton|Saint-Gobain Higgins磨削技术中心的Magerle MFP-125.50.65间歇进给磨削机上的Norton NQX60E24VTX2砂轮进行样本磨削，图2和图3所示为测试设置。 图1 磨削前的AM Inconel 718测试样品 图2 整机设置 图3 设备特写 首先，逐渐加大切削深度，进行几个区域的磨削，确定需要清除的最小材料量后，对增材制造的表面进行处理。之后按照规定的切削深度进行磨削，然后检查表面是否存在明显缺陷。图4所示为实验期间部件清理后的样品图片。根据实验结果，为了消除增材制造过程中产生的所有几何不一致性和表面缺陷，需要从组件中去除大约0.30～0.45mm的材料。 本次测试采用的磨削长度为50.8mm，砂轮直径为462mm，工作速度为23m/s。总共对五个的材料去除率（MRR）进行了测试，范围为0.1mm3/sec./mm～3.9mm3/sec./mm。通过更改进给速度（mm/min）或切割深度（mm）调整材料去除率。对多个材料去除率进行了测试，以评估中低材料去除率对表面光洁度和磨削能力的影响。尽管可以使用现代工程磨料以较高的去除率对镍基合金（例如Inconel 718）进行磨削，但根据目前工业上用于精加工标准Inconel工件的标准精加工率，本研究选择了较低的材料去除率（图4）。以标准（非增材制造）工件磨削为例，预期结果是，随着材料去除率的增加，磨削功率增加，磨削后的工件表面光洁度（Ra）将增加或表面会变得更粗糙。 图4 部分磨削后的AM Inconel 718测试样品 磨削前后，采用联邦接触轮廓仪系统5000测量工件的表面光洁度，测量点包括工件上的多个位置和两个方向（图5a和图5b）。此外，还在多个位置进行了非接触轮廓仪表面测量。 图5(a)表面光洁度测量方向(平行于磨削方向)；图5(b)表面光洁度测量方向(垂直于磨削方向) 磨削前，对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，在不同测量方向上，光洁度存在很大差异。纵向测量时，平均光洁度为3.3μRa；横向测量时，平均光洁度为2.1μmRa。而在测量标准铸态Inconel 718材料时，不会出现这种显著差异。这种差异似乎与3D制造方法有关，但是目前尚不清楚确切原因。 采用接触轮廓仪测量磨削后表面光洁度的常规方法是垂直于磨削线，而不是平行于磨削线。本次研究中，在平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上测量了表面光洁度。然后将磨削后的测量结果与磨削前的纵向和横向测量结果进行比较。 重点在于，沿着垂直于磨削线的方向进行测量磨削后的表面时，测针会越过磨削线的波峰和波谷。而在平行方向上进行测量时，测针平行于磨削线移动，永远不会越过峰谷。因此，不出所料，本次研究中，垂直测量得出的（粗糙）表面光洁度明显高于平行方向的测量结果。 磨削前后对增材制造材料的表面光洁度进行评估后发现，不同测量方向的光洁度存在显著差异。本次研究中，采用平行于磨削线和垂直于磨削线两个方向上进行表面光洁度测量，结果确实存在显著差异。在平行方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为3.3μmRa，研磨后为0.21μma。在垂直方向上测量时，磨削前，平均表面光洁度为2.1μmRa，研磨后为0.5μmRa。 此外，还采用了Nanovea 3D表面轮廓仪和白光色差技术对增材样品进行了分析，将表面特征以视觉化方式呈现出来。在本次测试中，收到增材制造样品后，采用玻璃介质对其进行介质喷砂处理，除去表面凸起的部分。磨削后在表面上可以看到的线条是磨削操作留下的线条。可以使用较细磨料粒度的砂轮或其他打磨产品，例如工程类磨带，进一步减少表面线条，形成超级精细的表面，前提是这点对于组件的性能和质量而言至关重要。 为了进一步了解磨削对AM IN718样品整体表面完整性的影响，采用Bruker-AXS D8 Discover微衍射设备，在收到和磨削样品后，进行了表面残余应力测量。对两种状态下同一样品6个不同位置的测量结果进行比较后发现，在两种条件下近表面残余应力均为负值/存在压缩力。这种情况主要发生在精磨削后的组件上，其近表面残余应力具有压缩性，可延缓表面裂纹扩散，提高疲劳寿命。 本次研究期间，按照5个材料去除率对磨削功率进行了测量。随着材料去除率的增加，磨削功率也随之增加。这种行为存在于大多数磨削操作中。在0.1mm3/sec./mm的最低速率时，磨削期间的峰值功率为1.4 kW。而在3.9 mm3/sec./mm的最高材料去除率下，磨削功率为10.8 kW。 本次研究的结果证明，对增材制造的镍基合金（比如Inconel 718）进行精磨削可以将表面的粗糙度降低近94％（平行于磨削线）或34％（垂直于磨削线）。可以根据要求，使用磨料粒度更精细的砂轮或其他打磨产品，比如工程类磨带获得超精细表面。此外，结果还表明，为了提高表面精细度，需从组件上去除0.30～0.45 mm的材料，并清除掉所有与3D制造过程相关的几何不一致性。对于增材制造商而言，最低去除率是关键信息，因为他们一直在努力以最具成本效益的方法让增材制造组件尽可能达到近净形状。此外，残余应力数据显示，磨削后的表面应力具有压缩性，可以延缓表面裂纹扩大，从而延长所制造的组件的疲劳寿命。 本文作者：K·Philip博士， John Hagan欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.增材制造中表面光洁度的重要性，及光整加工技术的种类和应用现状 2.国家增材制造创新中心：金属增材制件环保高效后处理技术 3.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战 4.金属3D打印后处理系统

Boom Supersonic是一家成立于2014年的初创企业，其既定目标是实现商业航空的超音速飞行。经过六年发展，该公司于10月7日推出了XB-1“超音速验证机”，成为有史以来第一架自主研发的超音速飞机。 XB-1定制的复合结构包括3700多个零件，包括起落架、飞行控制执行器和冷却系统等。为了解决制造演示机的艰巨任务，Boom大量采用VELO 3D的金属3D打印技术来降低成本并缩短生产时间。 Boom Supersonic的XB-1包含3700多个零件 将VELO 3D的现有技术扩展到了绝对极限 XB-1的许多金属3D打印部件都与空气通道有关，包含复杂的叶片、风道和百叶窗。通过这些部分的一些空气超过了华氏500度，这些零件要求基于曲面的设计方法，几何形状较为复杂。设计人员为兼顾效率和性能，需要考虑空气动力学，为零件进行修剪、倒角和加厚表面来创建实体零件。由此产生的结构非常复杂，无法通过钣金、铸造或其他方式制造，为了同时获得复杂设计和减轻重量的好处，唯一的选择就是使用3D打印。 Boom与VELO 3D为此展开了密切合作，后者为XB-1开发和制造了相当数量用于飞机关键位置的最终用途零件，包括：可变旁通阀（VBV）系统的歧管，该歧管将发动机压缩机释放的空气引导至飞机的外模线（OML）；用于冷却驾驶舱和系统舱的环境控制系统（ECS）的出口百叶窗；将中央进气口的二次引气流引导至OML的百叶窗；NACA管道和两个分流器法兰部件。 BOOM为引导流动而创造的独特结构注重减重和效率，无法用钣金、铸件或任何其他方式来实现 VELO 3D的蓝宝石打印机具有极佳的极限打印能力，通过使用Flow预处理软件，设计人员最终在NACA管道的薄壁上增加了一些结构肋以增加强度，其它绝大多数的CAD数据均保留了原始的设计意图。其非接触式的铺粉方式避免了摩擦和碰撞风险，保证了中央进气口排气百叶窗空心叶片这类具有极高宽高比（大尺寸薄壁）零件的成功打印，并且不需要多余的材料来增加内部强度。NACA管道通常用于高速飞机以捕获外部空气并将其导入飞机以冷却发动机舱 XB-1上装载有21个VELO 3D打印的金属零件，包含大量的钛合金薄壁结构。钛具有极高的耐热性，但如果冷却速度过快，则会变脆并易于开裂。尽管传统技术避免了这个问题，但采用机械加工或铸造也几乎无法制造飞机薄壁零件，这也成为使用3D打印背后的驱动力之一。然而即便3D打印技术可行，VELO 3D的工程师却也坦承，该项目将公司的现有技术扩展到了绝对极限。 XB-1的每台发动机均安装有可变排气阀（VBV）系统。该系统对发动机运行至关重要，它可以排出压缩机空气以防止发动机熄火。左侧的CAD图像来自Flow™预打印软件，外部支撑结构以蓝色表示。左图显示的是导向叶片的翼型，其在打印时没有支撑结构，保留了可优化气流性能的前缘；中间图像为打印完成的三个零件；右图是零件的特写镜头。 可变排气阀（VBV）系统，由双1KW激光器制造 Boom设计了一系列新型零件来实现减重，真正推动了减轻重量和薄壁几何形状的发展。VELO 3D的过程控制十分重要，从Flow预打印软件开始，通过Sapphire系统执行，并经过Assure的质量保证进行验证。预构建机器校准可通过点击自动检查关键变量，如激光对准、光束稳定性、粉末床质量等等，打印过程中也可计量监控各种关键指标并标记这些异常。所有部件的综合构建报告被编译并保存以备将来参考。 XB-1的VBV机身歧管上的内部流道完全没有支撑结构，节省了材料、后处理时间和劳动力。左边是歧管顶部，右边是底部。 与Stratasys合作开发相关工具、原型和测试零件 当零件在线切割完成后，精加工往往面临新的困难。零件的几何结构使创建夹具变得复杂。在XB-1零件的精加工过程中，工程师借助零件的CAD模型进行快速设计。通过与Stratasys合作，Boom利用F370和Fortus 450mc 3D打印机开发了200多种与XB-1相关的工具、原型和测试零件。两家公司达成了一项长期协议，该协议超出了原型应用的范围，Stratasys的F900打印机已经用于生产Boom超音速飞机的最终用途零件。 金属3D打印的成品零件需要经过热处理和/或热等静压处理来提高疲劳寿命。当飞机在起飞和着陆时零件会周期性地加载，超音速飞行也引入了许多不同的现象和压力。在很多情况下，飞机的整体结构会围绕部件弯曲引起应变，当具有不同热膨胀系数的零件相互安装时，也会产生很大的应力（碳复合材料、铝合金和钛合金）。将这些3D打印部件设计的非常薄而且灵活，实际上可以减轻一些此类问题。 END Boom Supersonic和VELO 3D实际上于2019年才建立合作伙伴关系，其独特的SupportFree打印过程可实现前所未有的设计自由度和质量控制，从而消除了制造商对飞机设计创新的限制。 XB-1是世界上第一个独立开发的超音速喷气飞机，也是多年开发工作的最终产品，它已经进行了多次风洞试验、数十种结构测试、数百次仿真迭代以及数万个小时的工作。XB-1将于明年在莫哈韦沙漠中进行试飞，该公司预计首个制造工厂将于2022年建成，首架商用机将于2025年制造完成，预计在2029年进行首飞。 注：详细案例研究PDF请查询qq群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.为规避SLM的制造局限性，航空航天公司选择新型金属3D打印机 2.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性 3.金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 4.VELO3D无支撑金属3D打印材料性能数据报告

3D打印概念成为主流已近40年，倡导者称赞这项技术是“制造业的未来”（future of manufacturing）。现在， 3D打印的打印速度和规模得到极大提高，生物医学应用范围也逐步扩大。近年来，这些进步均证明了3D打印技术正越来越靠近人们对它的预设。本期内容刊登自中国工程院院刊《Engineering》，作者为高级技术作家Chris Palmer。 2020年，普惠公司宣布首次将3D打印应用于飞机发动机部件 当今最常见的3D打印种类，即增材制造，使用光线将液态塑料树脂逐层固化为固体。这个过程通常比较慢，制造手持设备常常需要几个小时。此外，各层之间的接口往往比较脆弱，成品结构易碎。因此，3D打印并没有取代传统的制造过程，而是和一些非常特殊的用途联系起来。美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学工程学教授Chad Mirkin表示：“在很大程度上，3D打印主要局限于原型设计，因为它速度慢、产量低、产品结构不稳定。” 大约5年前，美国北卡罗来纳大学的工程师发明了一种新型的3D打印技术，即“连续液体界面制造”（CLIP），与同类技术相比，这种技术的生产速度提高了100倍。这项技术获得极大的进步，位于美国加利福尼亚州的Carbon公司获取了该项技术，其采用一种半渗透窗，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。 clip技术原理 CLIP的速度提高备受关注——Carbon公司已与福特汽车公司、阿迪达斯体育用品公司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——但其固化过程会释放出大量热量，这可能导致打印的零件翘曲和破裂。为了散热，打印的成品尺寸实际上被限制为25cm×25cm×41cm。 Mirkin说：“Carbon公司证实了3D打印可被用于制造业，而且他们在许多行业做得都非常好，但是他们还没有找到快速打印大型物体的方法。” 在2019年年末，Mirkin的团队宣称其开发了一项名为“高面积快速打印”（HARP）的新技术，该技术使液体冷却剂在一桶液态树脂下面循环。冷却剂是一种氟化油，在打印时会直接从正在打印的物体上吸走热量，从而使它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。Mirkin将使用多台投影仪发出的光进行打印的方法称为“平铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可以达到约1m×1m×4m。将来，其他投影仪可使HARP 能够制造更大的物品。“从理论上讲，平铺工艺消除了尺寸限制，” Mirkin说。 一种名为HARP的新型3D打印技术，该技术使一层液态冷却剂在一大桶液态树脂下面循环，从而消除物体打印时随着体积不断扩大而产生的热量，使它们在短短几个小时内就可以达到成年人的尺寸。这款HARP打印机高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打印床，可以打印一个大型的连续结构或许多不同的小型结构。来源：美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学（新闻稿）。 为了使HARP商业化，Mirkin和同事成立了Azul 3D公司（位于美国伊利诺伊州斯科基市），该公司预计在2021年年底前开始销售打印机。Mirkin希望HARP能改变3D打印的商业模式。“几乎所有的3D打印公司都必须从他们的硬件上获得可观的收入，因为他们根本没有使用足够的树脂来使此项技术具有良好的商业模式。”他表示，“借助HARP，该公司不需要仅依靠销售硬件来获得收入，因为他们还可以通过销售生产大量零件所需的树脂来赚钱。这样，由于初始硬件成本几乎变得无关紧要，所以HARP降低了进入门槛。” 在另一个快速发展的领域，3D打印技术正显示出其在处理微小物体方面的潜在价值。将传统3D打印机中使用的“墨水”（塑料、聚合物和金属合金）换成嵌入生物介质中的活细胞，这项技术将成为生物医学应用的一个有趣工具，未来有可能被用于制造替代组织。3D生物打印已被用于制造简单的组织，如皮肤、软骨和部分心肌。随着技术的进步，3D生物打印可能会被用于制造更复杂的器官，如视网膜、肾脏和肺。主要的挑战包括组成器官的各种各样的细胞类型，以及需要提高足够的分辨率来打印输送氧气和清除废物的微小血管。 心脏3D打印过程 “我不知道我们能否达成这个目标——有各种不同的细胞类型和维持它们存活所需的血管系统，器官实在是太复杂了。”美国明尼苏达州明尼苏达大学机械工程学教授Michael McAlpine说，“我们一直以来的错误在于试图完全复制生物学。也许通过聚合物和电子技术，你可以制造出一个能像肝脏一样工作的设备，但实际上该设备比大自然创造出来的要好得多。” 然而，3D生物打印已得到了更直接的应用，其中包括药物发现和消费品测试。在McAlpine的许多项目中，有一个可用于脊髓再生的3D打印设备和嵌入有可监测患者生理和生化标志物的传感器的电子纹身。 虽然3D生物打印主要集中在很小的领域，但是美国得克萨斯州的创新者正在使用超大规模的3D打印来建造房屋。位于得克萨斯州奥斯汀市的建筑技术公司Icon开发了一台名为Vulcan II的3D打印机，该打印机可以在大约24h内打印37m2 的两居室房屋的墙壁。Vulcan II是专门为偏远农村的房屋建造而设计的，由于有限的资源、无法预测的天气以及不稳定的电源，使用传统的建筑方式几乎是不可能完成房屋建造的。这台高3.5m、重1725kg的机器连续堆积了一层高2.5cm、宽5cm的被称为“lavacrete”的可延展型混凝土基线材料，并将其硬化成墙。 Icon公司（位于美国得克萨斯州奥斯汀市）的Vulcan II 3D打印机堆积了一层大约2.5 cm×5 cm的名为“lavacrete”的混凝土基线材料，建造了如图所示的37 m2 房屋的墙壁，花费了约24 h。来源：Icon公司（新闻稿）。 Icon公司的Vulcan II 3D打印机位于三个结构的最末端，该打印机在美国得克萨斯州奥斯汀市的一个地基上创建了三座37 m2 房屋的墙壁，这些房屋的平面图各不相同 Icon公司目前正在51英亩（注：1acre=4046.873m2 ）土地上为美国奥斯汀东北部地区的无家可归者打印数十套房屋，并为墨西哥塔巴斯科小镇约50个家庭提供房屋。虽然Vulcan II减少了建造房屋的工作量，但建造过程并非一步到位，工人仍然需要打下地基并安装屋顶。3D打印房屋除了能节省时间外，与其他低成本住房相比，它还能够打印平滑曲线和倾斜墙壁以实现其更自由的设计。 在另一项大规模应用中，总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶市的Relativity Space公司开发了一种名为“Stargate”的3D打印机，用于建造几乎不以地面为基础的物体，即30m高的火箭飞船。Relativity Space公司计划用3D打印技术打印第一枚火箭的整个生产线，即Terran-1，但不包括电子设备、电缆和少量活动部件。相比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技术，但仅用于生产部分零件。Relativity Space公司与许多卫星运营商签订了发射有效载荷的合同，并同意他们使用美国国家航空航天局位于密西西比州汉考克县的John C.斯坦尼斯航天中心的两个测试设施。该公司还获得了从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火箭的权利，其中第一枚火箭有望在2021年发射。 Relativity Space公司（总部位于美国加利福尼亚州洛杉矶市）的 Stargate 3D打印机使用定向能量沉积制造巨大的金属物体，如火箭的燃料箱和发动机。打印机高9 m，且具有3个庞大的机械臂。一只机械臂使用强大的激光来熔化金属丝，金属丝会逐层沉积以形成火箭的零件。另外两只机械臂用于固定工具以完成打印的部件。来源：Relativity Space公司，维基共享资源（CC BY-SA4.0）。  尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司设计的零件却合并了一些部件，这些部件通常是被分开制造然后组装的。所以，他们的火箭零件数量将是同类火箭的零件数量的1/100。更少的零件意味着更少的接口和更少的出错机会。此外，尽管大多数制造商必须重新配置其设备以制造额外的硬件，但Relativity Space公司只需要在打印机软件中运行一个新程序即可创建下一个零件。而且与传统的火箭制造相比，该公司的3D打印机进行设计更改也更容易且成本更低。 “一般，航天工业要规避风险，相较于创新，更希望有更多的信心实现成功发射。”安全世界基金会私营部门项目主任Ian Christensen说，该基金会总部位于美国科罗拉多州布鲁姆菲尔德市，其致力于促进和平可持续的外层空间的利用。“像3D打印火箭这样完全新颖的东西，市场将如何反应，这是一个悬而未决的问题。” 仅仅因为现实中3D打印已经开始满足人们对它的期望，但人们仍有更多雄心勃勃的目标。Relativity Space公司不仅不满足于通过制造火箭将卫星送入轨道，还着眼于将打印机运送到火星，以便在火星上打印火箭，从而将土壤样本送回地球。“这种采样返回的概念在理论上是有趣的，但几乎可以肯定，它需要与政府的太空探索和行星科学项目相结合，而这些项目进展缓慢。”Christensen说，“像在技术方面的挑战一样，这一概念在政策及体制方面也面临着挑战。” 注：PDF版本可在qq群下载。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX正在招聘增材制造工程师，职责和要求有哪些？ 2.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨 3.国内：结构优化和增材制造在高速飞行器上的应用和面临的挑战 4.Carbon…

近日，通用电气宣布其旗舰民航发动机GE9X经过将近5,000小时和8,000个循环的测试后取得FAA适航认证。这是为其新型双引擎波音777X系列飞机提供动力的里程碑事件。 GE航空集团总裁兼首席执行官JohnSlattery介绍：“要想创造出改变游戏规则的产品，例如GE9X发动机，就需要世界上最出色的喷气推进技术方面的人才。“没有其他航空发动机能够实现像GE9X发动机这样在尺寸，功率和燃油效率方面如此完美的结合。这款发动机将为我们的航空公司客户提供无与伦比的价值和可靠性。我要祝贺整个GE9X团队，并感谢波音，我们的合作伙伴和供应商在这一令人难以置信的成就方面的合作。” 搭载GE9X航空发动机的波音747飞行测试平台目前GE航空已经取得600多个GE9X发动机的订单和承诺304个增材制造零件，涵盖七大类型 GE9X作为一款巨大的高旁通比涡扇发动机，拥有304个3D打印的零件，首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。基于此，GE航空建立了第一个增材制造技术工业化航空航天供应链。 GE9X中七个增材制造部件分别是： 燃油喷嘴 T25传感器外壳 热交换器 粒子分离器 5级低压涡轮(LPT)叶片 6级涡轮(LPT)叶片 燃烧室混合器 识别出适用于增材制造的GE9X组件非常复杂。作为第一个获得FAA认证的增材制造飞机发动机部件，以及在LEAP发动机上取得的成功经验，T25传感器外壳和燃油喷嘴成为第一批被选择的部件。热交换器和粒子分离器的3D打印一体化制造显示了GE航空制造转型的巨大努力，而采用该技术进行涡轮叶片的制造则是一次巨大的飞跃。LPT叶片的3D打印制造非常困难，采用电子束粉末床技术制造的TiAl合金相比传统的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比，使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高了10％的推力。 GE航空指出，采用增材制造进行批量生产，需要仔细规划、对潜在风险的认识以及对细节的极大关注。如果方法得当，增材制造可以带来巨大的益处，如缩短生产周期、节约成本、整合零部件数量、减少浪费，提高可持续性和加强供应链等等。显然，GE航空取得了成功。 GE9X的9大亮点 1. 134英寸的复合材料风扇机匣，是全球商用发动机中最大的，比波音737飞机机身还要大。 2. GE9X有300多个增材制造零件。除GE9X之外，GE Aviation及其合资企业CFMI目前还拥有另外四个通过了FAA认证的3D打印零件。这些零件是用于GE90-94B的T25传感器，CFM LEAP燃油喷嘴头，GEnx-2B电动门开启系统（PDOS）支架和GE Passport空气油分离器。 3. 尽管尺寸很大，但按每分贝推力磅数计算，GE9X有望作为有史以来生产的最安静的GE发动机投入使用。 4. GE9X引擎安装了第四代复合风扇叶片。GE的首个复合材料风扇叶片于1995年开始在GE90-94B发动机上投入使用。GE及其合资企业CFMI在过去25年中使用复合材料叶片累计飞行时间超过1.38亿小时。 5. GE9X发动机中的16个复合材料风扇叶片是GE商用喷气发动机最低数量。GE90发动机有22个风扇叶片，GEnx有18个风扇叶片。较小的CFM LEAP发动机有18个复合风扇叶片。 6. GE9X创造了一项世界纪录，在2017年11月10日于俄亥俄州皮布尔斯的GE室外测试设施进行的工程测试中，产生了134,300磅的推力。GE90-115B在2002年创下了127,900磅的推力纪录。 7. GE Aviation在其波音747飞行测试床上进行了72次GE9X测试飞行，总计超过400小时。首次试飞于2018年3月8日在加利福尼亚州维克多维尔升空。 8. GE9X发动机中有五个陶瓷基复合材料（CMC）组件，包括第一级高压涡轮（HPT）护罩，第一级和第二级HPT喷嘴以及燃烧室的内衬和外衬。GE航空在商用发动机中运行CMC零件方面拥有超过800万小时的经验。GE于1986年获得了有关CMC材料的第一项专利，并一直在继续开发这种材料。通用电气已在该技术上投资超过15亿美元，并在美国建立了第一条垂直整合的CMC供应链。 9. GE9X发动机的总压力比为60:1，是所有使用中的发动机中最高的压力比。这意味着发动机可以最有效地利用进气，从而提高燃油效率。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 2.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 3.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？

在9月18日的中国航天大会上，2020年宇航领域十大科学问题和技术难题发布，面向空间超大型天线结构的在轨增材制造技术与超大型空间光学装置在轨组装和维护技术被纳入其中。这两项技术，均属于空间在轨制造范畴。 据介绍，十大科学问题和技术难题是由中国航天大会学术委员会的院士、专家以“面向2050年对航天技术发展具有导向作用，对航天技术或产业创新具有关键作用，切中航天技术发展重点和要点，具有代表性”为重要评判标准，对宇航领域科学问题和技术难题征集活动中所提交的材料进行审慎评议后最终确定的。 空间在轨增材制造的需求   随着我国在轨任务需求的增长和规模的扩大，在可以预见的未来将会有更多且更大的空间系统在轨运行，如大口径空间望远镜、超大型通信卫星天线、超大型太空发电站等。 在大型构件的在轨组装方面，受火箭推力、整流罩包络及机构复杂度的影响，未来深空探测、天文观测、战略侦察等工程所需的大面积、大跨度空间结构一次性实现在轨布署有较大的难度。空间在轨增材制造、在轨组装可将单次/多次发射入轨的结构模块、功能模块等基本单元依序组装成期望的大型空间系统。 詹姆斯·韦伯太空望远镜的直径为6.5米，目前我国运载能力最大的火箭长征五号内部直径为4.5米 另一方面，航天器的质量往往非常大，但实际上在空间微重力环境下并不一定需要结构非常强，航天器的结构做的很重、很大，是因为要经受住航天发射过程中巨大的冲击。如果能够实现空间在轨制造，也将大大减轻航天发射的成本。 空间在轨增材制造属于在轨制造的一种重要形式，它将有效解决未来空间超大型天线系统建设的难题，为超大型空间结构的在轨建设和维护提供有效手段，对推动我国天文观测、空间太阳能发电等领域技术发展与应用具有重要作用。 太空发电站效果图 空间在轨增材制造的技术途径   目前在轨制造主要通过真空增材制造设备或机器人实现。通过在“国际空间站”上的增材制造设备制造零部件，区别于地面的核心在于保证微重力、真空条件下制造零部件的力学性能；通过机器人在轨制造，即采用具有增材制造功能的多臂机器人，利用碳纤维等材料建造桁架子结构，并将这些子结构组装成为大型系统。 目前，空间站中的增材制造已经被普遍证实可行；美国、俄罗斯、中国的航天机构已完成熔融沉积、光固化以及生物3D打印等的在轨制造实验；德国宇航中心也已在开展微重力条件下的金属粉末床熔融工艺。 在空间站或飞船内部进行3D打印 利用机器人进行在轨制造则可以追溯到1993年，德国通过地面操作太空机器人完成预定任务，随后日本、加拿大、美国、俄罗斯、中国也进行了相关研究与探索。机器人的主要形式经历了从单机械臂到双机械臂到目前多机械臂的发展，任务形式也从在轨捕获、在轨维修，发展到在轨组装，也即机器人在轨增材制造。 空间机器人通过在轨增材制造实现大型航天器构建 NASA大型结构机器人在轨装配项目   2015年7月，NASA启动“大型结构系统太空装配”项目，旨在实现大型模块化结构系统在太空中的自动装配、服务保障、翻新、重构以及再利用。 NASA授予太空制造公司（Made in Space）价值2000万美元、为期两年的“建筑师”项目合同，研发装有机械臂的3D打印机，并将其安装在国际空间站外部分离舱。这种太空制造与装配设施将使NASA和私营公司仅需将增材制造所需的原材料和某些高价值部件（如传感器、电子元器件和电池）发送至太空，便可以在太空中用机械臂将这些零部件与增材制造的零部件装配起来。“建筑师”项目官方名称为“多功能太空机器人精确制造与装配系统”，是NASA“临界点”计划选取的3个在轨机器人制造与组装航天器和结构相关项目之一。 Made in Space空间机器人演示在轨增材制造 美国Tethers Unlimited公司正在研究的在轨制造系统——“蜘蛛制造”，将利用蜘蛛状机器人在轨进行大型空间结构如天线、电池板、桁架和其他多功能结构的制造与组装。只需要将原材料送入轨道，即可由机器人利用增材制造技术在轨制造，并将制造的零部件装配成大型系统。“蜘蛛制造”已完成机器人样机制造，进行了地面演示，验证了“蜘蛛制造”概念关键工艺的基本可行性。该公司从2016年开始制造第二代机器人原型。 空间在轨增材制造地面试验 中国空间站机器人系统   中国非常重视空间机器人系统的研制，在载人航天空间站规划了大型、中型两套空间机械臂系统，也利用载人飞行器开展了空间机器人相关技术的在轨验证。 2013年，我国首个空间机器人成功发射，并圆满完成各项任务；2015年，我国自主研发首个全自由度空间机器人系统；同年，我国空间站大型机械臂初样阶段研制获重大突破，目前已进入正样阶段；2016年，天宫二号搭载空间机械手通过人机协同完成多次在轨维修和装配任务。 2015年国产空间机器人首度报道公开 中国载人航天空间站在建造阶段将配备核心舱 、 实验舱机械臂两套机器人系统。核心舱机械臂主要用来完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员EVA等；实验舱机械臂主要用以暴露载荷照料、光学平台照料、载荷搬运、支持航天员EVA等活动。核心舱机械臂和实验舱机械臂展开长度分别约为10m和5m，最大在轨载荷分别为25000 kg和3000kg，均具有7个自由度，可完成空间站的维修维护任务。 空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的重要手段之一。在当前在轨应用及验证的基础上，未来空间机器人的应用方向将从空间目标的抓捕与移除、高价值目标的在轨服务与维修发展到空间大型构件的在轨组装等任务，空间机器人也将成为空间在轨增材制造的关键。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航天529厂助力中国卫星3D打印产品在轨应用常态化 3.专访中科院太空制造技术团队：介绍太空立体光刻3D打印的意义 4.迄今为止集中力承载环境最“恶劣”的航天3D打印应用通过飞行考核

以粉末床激光熔融技术为代表的金属3D打印企业有很多——EOS、SLM Solutions、Renishaw、3D Systems、铂力特、华曙高科、易加三维、汉邦科技。。。这串名单还可以更长，但是这些技术原理一样的产品相互之间有哪些不一样，除了稳定性、知名度，可以想到的则不是很多。 “ LPBF技术领域很少有公司具有鲜明的特色，基本都大同小异，很难看到真正的差异化。未来，谁能证明他们可以降低成本、提高质量并保证稳定生产，谁就可以取胜。谁无法找到自己的真正差异性，谁就很容易从2020年开始出现钱不够烧的情况。”——工程产品和服务公司Phoenix Analysis & Design Technologies 董事兼共同所有人Eric Miller “差异化将是企业生存的关键，如果企业不能清楚的向市场传达自己的价值主张，将很难脱颖而出。在这个市场中，克服成本压力、提高材料灵活性、突破制造限制都将是非常具有吸引力的价值主张。”——金属增材制造专家Alex Kingsbury 作为整个增材制造市场的重要参与者，系统供应商驱动着超过50％的市场，粉末床熔融技术（PBF）又是该市场中的主导技术。到现在为止，来自欧美和亚太主要工业地区的供应商已经提供了大量增材制造设备，各种模态类型和材料应有尽有。正如上面分析所言，传统设备商之间的产品差异化却并不明显。而近些年，市场上涌现出了一些基于传统SLM技术的创新产品，似乎给这项发展了20多年的技术带来了一些新活力。 传统SLM技术的革新—差异化带来新活力 1. 十二激光、更大层厚，下一代金属3D打印机 SLM Solutions虽是传统的金属3D打印制造商，但其技术理念一直引领行业发展。传统大尺寸SLM设备通常配备三激光或四激光，但SLM Solutions目前正在研发的下一代金属增材制造系统多达12激光，这将为增加打印尺寸、提高打印效率提供重要保证；除此之外，SLM Solutions自多年前就已推出0.06和0.09mm的大层厚打印工艺，相比很多公司固守小层厚，该公司为提高打印速度可谓煞费苦心。2019年，SLM Solutions顺利度过难关。 SLMSolutions下一代设备打印的部件（600x 600mm） 2. 解决后处理痛点，无支撑金属3D打印技术 支撑去除同样是传统SLM金属3D打印技术的极大痛点，该过程几乎只能通过手工操作，给零件处理带来了极大不利，而且还会降低表面质量，破坏脆弱结构。基于此，一些软件开发商推出了智能化的支撑添加模块，希望能够简化支撑添加过程、减轻去除难度，事实上这些功能正在生产一线发挥重要作用。但Velo3D的无支撑SLM技术来的更为彻底，通过无接触的铺粉方式以及可能的工艺动态控制，该公司实现了零件无需支撑、无需生长在基板上即可成型的效果。毫无疑问的是，Velo3D的技术确实领先于当前主流的SLM工艺，它显示了该公司对材料和工艺的控制能力，给金属3D打印技术的工业化应用带来了极大便利，这为获得航空航天、国防和军工部门的青睐奠定了基础。 Velo3D无支撑金属3D打印 3. 一次多层，多层并行打印技术 由澳大利亚Aurora Labs研发的多层并行打印技术比如今主流的金属打印速度快几个数量级，每天可成型上百公斤粉末。这种世界上“最快”的直接金属3D打印机兼顾铺粉与成型，无疑能够同时保证对零件高精度、高性能、高复杂以及高效率的追求。 Aurora Labs多层并行打印技术 4. 质量可追溯，决心替代后检测 3D打印技术能够实现增长的另一个关键原因是其在质量保证方面的能力：金属增材制造设备必须能够始终如一地生产质量高度稳定的零部件。“随着越来越多OEM不再满足于单纯的后检测，生产过程中的质量监控和质量保证已经成为众多解决方案提供商的工作重点。”Velo3D技术合作副总裁Zach Murphree博士表示，“测量机械完整性、检测表面缺陷和孔隙度对于零件质量至关重要，每个解决方案提供商都需要认真考虑如何解决这些难题，到时候谁能拿出适用于关键组件的质量控制解决方案，谁就能最终胜出。设备厂商和第三方供应商都应着力于解决OEM的痛点。” Sigma Labs公司PrintRite3D热能量密度算法 目前，Sigma Labs 等公司已经开始提供可以在生产过程中实时监控生产设备的技术。Sigma Labs 总裁兼首席执行官 John Rice 最近在接受采访时介绍，“我们的硬件/软件包可以观察并评估生产过程，并且利用热信息，及时发现生产过程中零部件规格出现偏离的情况。系统可以识别质量问题发生的前兆，并及时提醒设备操作员停止生产并作出修正，从而降低零部件报废或生产受限的情况。” 无疑，质量监控、可追溯正在成为高端用户追求的目标，这实际上为SLM系统制造商带来了压力。目前欧美设备商遥遥领先，传统金属3D打印老牌企业EOS和雷尼绍等均已推出了在线监控和质量可追溯模块，国产品牌基本上仍停留在“录像”阶段，在差距显现的同时，也是国产品牌创新的良机。 EOS依靠光学层析成像实现质量可追溯 5.关注细分领域，行业专用打印机 在细分应用领域，传统SLM技术的发展也正在凸显出差异化的竞争趋势。纯铜打印的故事已经讲了多年，主流设备商依然是通过改造机器进行工艺开发，而弗劳恩霍夫激光技术研究所、通快集团以及日本岛津和大阪大学等机构则另辟蹊径，从材料和激光相互作用的角度入手，通过改变光源提高纯铜的成型效率。由通快集团开发的绿激光3D打印机已经上市，纯铜和贵金属的安全、高效率3D打印为这些材料在细分领域的应用开辟了道路。 通快采用绿激光打印的纯铜零件 6.减轻用户负担，材料再循环利用 金属3D打印材料领域的发展同样有不一样的现象。此前材料制造商推出了多种雾化制粉工艺，但这些工艺所使用的原材料均是传统棒材或金属丝材等标准材料。但美国6K公司却将目光聚焦于金属3D打印的支撑结构件、废件以及来自于机加工行业的切屑、铣屑等可回收原料，通过其微波等离子平台转化为优质金属粉末，从而成为世界首个可以利用可持续资源，生产增材制造粉末的系统。6K的目标是100％的利用进入供应链的所有材料，为增材制造用户提供一种新的项目成本管理和供应链控制方式，并同时朝着实现增材制造循环经济的方向发展。 END 市场研究公司AMPower最近的一份报告显示，2019年包括系统、材料和服务销售在内的全球金属3D打印市场的估值约为20.2亿欧元，未来几年更是会以超过23%的年复合增长率持续增长，并在2024年达到58.91亿欧元。航空航天、国防和汽车终端行业对金属3D打印的需求不断增加，以及该技术在降低制造成本和缩短交货时间等方面所体现的优势，成为市场快速增长的主要原因。 而从近几年3D打印技术发展的现状来看，无论是金属3D打印、光固化还是激光烧结，解决制造弊病、突破传统打印极限正在成为潮流。无论选的角度多么小，但只要能够解决实际问题，都会成为产品差异化的突破口。正如王华明院士在近期《开讲啦》中所提到的，一个公司一定要有自己的核心技术，能把潜在的优势变成现实的，才会得到发展。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SLM无支撑智能系统PK HP与Desktop Metal 2.使用EOS光学层析成像代替无损检测保证增材制造部件质量 3.从TCT看国内3D打印行业正在以何种方式发展 4.3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场

近日， TWI（英国焊接研究协会创立的独立研究和技术组织）增材制造部门展示了一段非常震撼的视频，其采用SLM技术制造了20张具有高度柔性的钨薄片，其厚度仅70μm，将钨的3D打印水平提高到了新高度。 70μm厚度的3D打印钨片 作为一种非常小众的3D打印材料，钨的熔点高达3400°C，是熔点最高的金属材料；传统加工方式也只能加工钨镍铁合金，而无法直接加工纯钨。金属3D打印技术似乎能够解决它的加工难题，然而，采用激光粉末床技术制造的纯钨零件内部极容易出现微裂纹等缺陷，因此限制了钨的3D打印应用。 尽管面临挑战，钨已经证明自己是一种有价值的3D打印材料。钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。此外， 采用3D打印制造的纯钨格栅尤其适合于制造CT机的准直器。 实际上，3D打印的钨组件已经开始商业化。国内外制造商早在五年前已经开发出适合于3D打印的钨粉和打印工艺，甚至已经有定制化的设备交付客户，因此足以看出钨的3D打印存在市场需求。 铂力特打印100%纯钨材料光栅 3D打印对于制造薄壁零件非常有效，这给CT机准直器的准直孔径角和形状带来了极大的制造自由度。国内很多制造商也多将可打印纯钨的最小壁厚作为重要的宣传参数。从报道来看，目前普遍实现的最小壁厚为0.1mm。 TWI展示的高度柔性、具有极大高宽比的 70μm 3D打印钨薄片，无疑将最小壁厚达到了新的水平，同时证明研究人员克服了包括微裂纹、应力在内的钨材料3D打印更多的难题。 LLNL利用模拟和监控技术进行了钨的3D打印研究 LLNL利用模拟和监控技术进行了钨的3D打印研究，指出钨零件的3D打印过程中出现微裂纹的确切原因仍然是个谜，但其3D打印工艺需要将优化机器参数与材料组成相结合，预热和控制打印室中的氧气水平对于降低应变速率非常重要，材料中的杂质浓度也有影响。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 2.欧洲8国21家机构携手推进多材料、多工艺协同金属3D打印 3.全球最大多材料混合增材制造系统发布，可打印金属和树脂 4.Fraunhofer开发多材料喷射系统：可同时打印陶瓷、金属等四种材料

此前有研究发现，重复使用的Ti6Al4V在电子束粉末床熔融工艺条件下的零件疲劳性能相比未使用过的新粉制造的零件降低了69倍，其原因是颗粒表面氧化导致零件内部出现了融合缺陷。在另一项研究中，采用激光粉末床熔融工艺打印的多次循环的镍基合金粉末，塑性和韧性出现降低现象。 考虑到粉末特性可能会影响零件质量的假设，以及工业应用领域的需求，3D打印材料的疲劳性能（尤其是超高周疲劳性能）研究成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。本期，3D打印技术参考分享奥本大学关于零件摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响研究。 粉末特性变化与对铺粉效果的影响 研究使用的粉末为17-4PH不锈钢，初始粉末粒度分布在15-45μm之间，以80kg的初始量进行15次连续打印。每次制造完成，粉末进行筛分并与未使用的粉末充分混合。分别研究零件摆放位置和粉末重复使用对零件拉伸强度及疲劳寿命的影响，研究所采用的设备为EOS M290。 打印试样布局：不同批次的样本数量分别为38个和18个，每次消耗粉末2.5kg和1.5kg 综合多家单位通过对IN718、Ti6Al4V、AlSi10Mg等材料的研究发现，粉末循环重复使用，会导致粉末特性发生变化，主要表现为： 细粉含量减少、粒度分布变窄、平均粒径增大，对于AlSi10Mg来说尤其明显； 颗粒的形貌也会变得更细长（部分研究发现）； 与未使用的粉末相比，循环过的粉末由于卫星粉的消失以及长时间高温暴露降低了水分含量，粉末团聚现象减少，流动性总体呈上升趋势 本研究的粒度测试的结果基本验证了以上结论，初始粉末的粒度宽度为45μm，第15批为41μm，粉末粒度变窄；重复多次使用的粉末相比初始粉末具有更小的颗粒间间隙，粉末流动性和填充状态得到改善。 第1、5、10、15批次的粒度分布 研究人分析认为，初始粉末由于含有卫星粉和大量细粉，颗粒间的摩擦力容易形成团聚，导致空隙产生，而细粉并不足以填充大颗粒间的空隙；随着粉末循环使用，极细颗粒和大团聚体减少，粉末堆积密度增加，粉末流动性和填充状态得以改善。为进一步验证结论，研究人员分别对粉体进行了压缩试验和气体通过实验。 粉体压缩实验显示，批次1粉体的可压缩性为4.65%，而第15批次为1.97%，这意味着初始粉末的可压缩性更强；气体通过实验也证明，气体更难以通过第15批次的粉末，这证明了其更低的空隙率。需要注意的是，粉体中的空隙会在打印过程中导致熔体中形成气体夹带。 气体渗透性测试，粉体上方的压强越大，渗透性越差 总的来说，粉末重复使用可以使铺粉更均匀、颗粒间间隙减小，这种变化增加了理解粉末规格如何影响零件性能的复杂性。同时粉末特性的变化，可能会对基板上不同位置零件的机械性能带来一些改变。 粉末特性变化影响铺粉效果，进而带来机械性能的位置性差异 对零件孔隙的观察发现，第15批零件的孔隙平均孔径和最大孔径尺寸均低于第一批次，这进一步证明了再利用粉末具有更好的填充状态，更少的空隙减少了零件孔隙的产生。此外，同批次基板左侧零件的气孔大小和数量都比右侧试样大，但是随着粉体的不断重复使用，这种差异逐渐减小，表明再利用粉末在铺粉时实现了更好的位置均匀性，这可以印证前面的描述。 第1批和第15批零件的拉伸测试结果显示，抗拉强度分别为1209Mpa和1193Mpa、屈服强度分别为1155 MPa和1138 Mpa，并未发生显著变化；两批零件的真实断裂应变分别为0.35和0.40，零件的微观结构也没有明显差异。研究人员认为，粉末多次使用对零件拉伸强度的影响可忽略不计。 第1、5、10、15批次的零件拉伸曲线 第1、5、10、15批次的零件拉伸性能数据 对疲劳行为的研究发现，粉末重复使用对于未进行机加工、具有打印态表面的零件几乎未观察到直接影响，这主要得益于表面粗糙度的保留；而对于进行了机加工的试样，在低周和中周疲劳状态下，连续重复使用粉末不会影响疲劳行为；然而，在高周疲劳状态下，第15批试样的疲劳寿命明显高于第一批。对左右两侧的试样疲劳寿命的研究发现，右侧试样的疲劳寿命与左侧试样相比要高，但这种差距仍然会随着粉末使用次数的增加而减小。 疲劳性能测试数据 研究人员认为，在激光粉末床熔融工艺中，不同位置试样的疲劳寿命的差异是由于不同位置粉末的铺展效果不一致造成的。由于粉末的流动性会影响铺粉的均匀性，基板右侧的铺粉效果要优于左侧，从而带来了更小的缺陷尺寸和数量，这有助于提高零件的疲劳寿命；而随着重复使用次数的增多，粉末流动性变好，疲劳寿命对位置的依赖性变小。 END 总的来说，目前已经可以判定粉末重复使用并不会对零件的拉伸性能造成明显影响，但会影响疲劳性能；重复使用导致的粉末流动性的改变是造成疲劳行为位置依赖性的主要原因。该研究也为粉末特性变化如何影响机械性能提供了一个新的视角。 吴鑫华院士在一次演讲中提到，打印参数的优化并不是一个静止的过程，如果要循环使用粉末，那么打印参数还要继续优化。本研究的粉末循环批次只有15次，实际的生产会比此多。 注：研究原文可在QQ群查询。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.金属3D打印工艺链对TC4粉末性能的影响 2.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 3.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 4.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化