生物体完美地将传感和执行融合在一起，达到一体化的目的，但对于机器人等智能装备而言，却是一个极为复杂和具有挑战的难题。为此，近年来国内外学者将半柔性、柔性传感器集成到机器人等智能装备中，以期实现其传感-执行一体化功能。但目前的传感和执行多是相互独立，需通过将其在元器件水平集成，因此研发在材料水平上集成的传感-执行一体化智能器件，成为一个新的发展趋势，有望为其灵敏度和响应速度的提升提供新途径。 近期，华中科技大学、吉林大学、中国地质大学（武汉）和清华大学合作完成了4D打印仿蝎子缝结构研究，实现了器件传感-执行一体化，相关文章发表于《Advanced Science》，并被选为封底文章。本期所讲述的内容并不限于该研究的介绍。 4D打印仿蝎子缝结构，实现传感-执行一体化史玉升教授团队受蝎子缝感受器超敏缝结构的启发，仿生设计出梯度缝结构，4D打印炭黑纳米粒子/聚乳酸（PLA）复合材料，成形出具有自主形变并能自感知应变和温度的仿生缝结构器件。 炭黑纳米粒子/PLA复合材料具有良好的导电性能和形状记忆效应，通过3D打印的器件在加热后可发生可控形状变化，故称4D打印。在加热过程中，由于炭黑纳米粒子与PLA的膨胀率不同，炭黑纳米粒子间的距离改变引起电子遂穿效应变化，使器件电阻改变，从而将热信号转变为电阻信号实现温度自感知；同时，器件在形状改变过程中，器件缝结构周边的炭黑纳米粒子会接触-分离，器件内局部接触电阻变化使器件的电阻改变，从而将自身形变信号转变为电阻信号实现应变自感知。 复合材料和4D打印示意图 基于此，研究者将该仿生4D打印器件应用于模拟手指触碰手机屏幕。在温度激励下器件形状改变，模拟手指主动触碰屏幕，在这个过程中器件形变引起其缝结构间距的变化使器件整体电阻改变，实现器件形状变化自感知。在触碰瞬间，可通过电阻的变化检测到器件触碰屏幕的应力，实现触碰应变自感知。 主动触摸手机屏幕的应用 该研究成果将智能材料、仿生结构和3D打印有机结合，实现了材料水平上传感-执行一体化，为未来机器人等智能装备的关键器件研发提供了新的思路和途径。 注：此前，史玉升教授团队还分别采用SLS及SLM技术分别打印了磁性多孔结构和螺旋结构，实现了一种新型的4D打印。结合上述内容，两篇研究原文已上传QQ群。 3D打印仿生“传感羽毛”改善飞机性能，仿生海螺用于人体防护 游隼是世界上飞的最快的鸟，能以非常陡峭的角度进行高速俯冲捕食，其生理机能表现出的机械性能，可改善飞机的空气动力学，提升飞机的安全性和燃油效率。 借助游隼羽毛特点，开发先进结构 英国BAE系统公司于2017年利用增材制造技术开发出“传感羽毛”，能够在飞机出现失速危险时提前预警，还可改变靠近飞机表面的气流，有效减少机翼遇到的阻力，提升飞机速度，未来有望用于战斗机等武器装备中。此项研究将为航空航天业带来真正意义的创新与效益。 除此之外，2017年，麻省理工学院的研究人员采用3D打印技术成功制造出仿海螺壳的工程材料，并且进行了有效测试。海螺壳的内部结构非常独特，包含三个不同层次，导致微裂纹难以扩散，因此使其具有超强的耐用性和抗断裂性，它的韧性甚至能够达到珍珠层的10倍。 普通结构与仿海螺壳结构的力学实验对比 采用3D打印技术仿制的海螺壳工程材料，防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍，是传统纤维复合材料的1.7倍，非常适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲。研究人员表示，这种材料具有类似Z字形的矩阵，裂缝传播困难，采用传统方法很难仿制这种材料。 道法自然，增材制造应向自然界“借材料、借结构”生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织结构，以达到最优的性能／功能来应对环境的变化。Nature以《推开3D打印的限制》”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。 同时，Nature《生物材料进化的启迪及其应用》综述性论文认为，生物材料蕴含着大量的源自于自然界的成分与结构信息，并指出尽管生物材料的化学成分一直是其设计关注的焦点，但对于其在非医学领域的潜在应用，应更关注其在结构拓扑优化、力学性能、功能等方面的物理属性及响应。 而南航顾冬冬教授也指出，“结构易仿、制造不易、科学更难”，仿生设计虽为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但在实际制造中却有相当难度，原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。 增材制造仿生结构设计与制造，应突破诸多科学问题，而这些关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。 注：本文部分内容参考高分子科学前言、顾冬冬教授中国激光特邀综述文章。欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中科院化学所3D打印仿生结构登录Nature子刊 2.美借助3D打印实现十年前的先进仿生结构制造 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.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

轻质点阵结构在承载、吸能、隔热、隔震等领域有广泛的应用前景，采用3D打印制造点阵结构具有高效、灵活的特点，同时也成为3D打印领域的一项重要应用。然而，目前一体化打印的点阵结构存在各向异性和支撑材料去除的问题，前者使3D打印点阵结构的力学性能远小于理论值，后者则增加了后处理的时间与成本。 太空制造大型点阵结构 近日，中国科学院力学研究所热结构耦合力学课题组首次将嵌锁组装方法引入3D打印技术中来制备点阵结构，即通过将三维点阵结构“降维”，转化为二维杆件结构打印，再采用嵌锁组装方法将二维杆件拼装成三维的点阵结构。研究人员分别采用FDM和PolyJet工艺进行了验证，取得了惊人的结果。相关研究分别发表于发表在Materials and Design和Additive Manufacturing上。 研究人员采用该方法，针对熔融沉积成型(FDM)这一3D打印技术，制备了BCC构型点阵结构，实现了杆件结构中纤维的最优分布，相比于一体化打印的点阵结构强度提升了37.6%-65.3%，压缩模量提升了11.4％–39.6％，能量吸收能力提升了67％–270％。 除了机械性能的改善，该方法还实现了较好的表面质量，点阵结构的表面粗糙度较低。研究人员还在一定范围内成功预测了嵌锁点阵结构和一体打印点阵结构的峰值强度和压缩模量。 两种FDM点阵结构制备方法对比(a)一体化3D打印；(b)打印+嵌锁组装，红圈内可见卡扣结构 进一步将该方法拓展到聚合物喷射成型（PolyJet）技术中，制备了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四类典型的点阵结构，实现了不同构型的PolyJet点阵结构中杆件的最佳打印方向（X-Y平面）。 （a）嵌锁组装与一体化打印点阵结构中杆件打印方向比较，嵌锁组装实现了所有杆件打印方向的力学性能最优（绿色），一体化打印有部分杆件的力学性能较差（黄色和红色）（b）嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构多胞与单胞试样 PolyJet制备的四类典型3D点阵结构 采用Polyjet技术打印的点阵结构，同样实现了力学性能的提升，与一体化打印的结构相比，压缩强度提升均在100%以上，能量吸收能力提升了72%~186%。由于打印过程无需支撑材料的辅助，打印时间和打印耗材均降低了80%以上。 嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构提升了力学性能、节约了制备成本。图为两种制备方法比较（a）压缩强度；（b）比吸能；（c）打印耗材；（d）打印时间 END 由于点阵结构的杆件均是沿着无支撑或最优的方向进行打印，组装后的点阵结构整体力学性能得到改善。研究人员建立了四类点阵构型面外压缩力学性能的理论模型，试验结果表明，嵌锁组装点阵结构的压缩强度与理论压缩强度接近。 当然，并不是所有的点阵产品都适合这种嵌锁组装方式制备，该研究实际上为高效制备力学性能优异的大尺寸3D打印点阵结构提供了可能。 注：研究原文已上传QQ群。欢迎转发 联系微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 3.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

在国外3D打印软件充斥几乎整个3D打印市场之际，2019年，来自上海的漫格科技开发了一款名为Voxeldance Additive的增材制造前处理软件，它不仅具备3D打印数据前处理所需要的所有功能，而且可同时面向DLP、SLS、SLA和SLM等多种工艺使用。笔者认为，它可媲美国外主流数据处理软件，可作为从业人员新的选择。 自Voxeldance Additive 1.0发布后，这款软件经受住了市场考验，得到越来越多用户的信任和使用。目前在数造光固化以及易加三维SLM打印机上获得广泛使用，同时与SLS设备商盈普以及多家DLP设备商展开合作试用。 Voxeldance Additive在易加三维齿科金属机上获得成功应用，可智能排布零件 Voxeldance Additive激光烧结数据处理应用 同时该公司也得到了很多反馈和建议，更加明确了软件革新的方向。经过6个月夜以继日的努力开发，还经历了新冠肺炎的特殊时期，漫格科技将正式发布新一代数据处理软件—Voxeldance Additive 2.0，一款更快、更强大的3D打印数据处理软件，特别是针对SLM金属打印，新版本迈出了巨大一步。 下面是来自Voxeldance用户和合作伙伴针对2.0版本的测试评价： “Voxeldance的计算速度很快，而且可以输入多种文件格式，数据转换的效率很高；而且它内置了许多其他软件的功能，无需额外花钱购买某些软件的其他模块，智能化的支撑添加技术不仅快速而且精确。” ---------Marvin，Ego3D Voxeldance Additive 2.0零件自动支撑生成 Voxeldance软件功能齐全，特别是智能支撑模块，用户可一键操作，节约3D打印数据前处理时间，减少人工操作，而且不必年付插件费用。 “智能支撑技术确实非常强大，只要设置好参数，几乎不需要过多的人工调整。自动修复经过‘一键点击’便能完成修复，如果有需要，软件支持手动调整。对于支撑生成和模型处理而言，2.0确实是一个里程碑。通过持续不断的改进，以及与开发人员的直接交流，这款软件就像是量身定做，如果需要新增功能，可直接给开发人员发邮件。” --------- Florian, CEO，surface engine VoxeldanceAdditive 2.0零件自动修复 Voxeldance Additive 2.0的自动修复算法得到了极大提升，漫格科技测试了Thingi10k数据库中将近4000个模型，修复成功率达到99%。同时，考虑到用户打印模型的复杂程度对模型修复效率的影响，Voxeldance Additive 2.0提供了2种不同的修复方式：标准修复和简单修复。标准修复可以使模型得到全面修复；简单修复不会修复自相交，这样对于一些自相交面片非常多的模型，可以在保证模型成功打印的前提下，提高修复效率。 “VoxelDance的智能支撑模板Smart Support Template技术，无需为每个单独零件添加支撑，原来繁杂的打印步骤，如今可“一键点击并打印”。这使得设计人员只需要专注于产品开发，而不必花大量时间进行打印准备工作，从而实现快速设计迭代。” --------- Christopher,创始人/CTO,  Dreigeist Voxeldance Additive 2.0的SLM支撑模块升级 Voxeldance Additive 2.0的SLM支撑模块升级，包括了多种支撑类型的自动支撑脚本和灵活的手动支撑。根据设置角度、高度和面积参数，用户可以自定义在不同的区域生成不同的支撑。比如，柱状支撑、最低线支撑、体支撑、最低点支撑、底板、实体支撑和智能支撑，以满足多种打印需求。更强大的手动支撑功能设计，包括支撑区域列表、支撑模板修改、支撑锚点编辑等，可以使用户随心所欲的修改和添加支撑，达到最完美的支撑设计。另外为线性支撑增加厚度，智能支撑增加了十字加厚的支撑类型。 注：TCT展间产品宣传，请联系微信2396747576。欢迎转发 联系微信：2396747576; 硕博交流和资料下载群：867355738；网址：  延伸阅读： 1.一款基于3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整的黑科技软件 2.ANSYS面向增材制造与先进设计的一体化解决方案 3.改善金属3D打印零件的8个设计技巧 4.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性

聚合物发泡材料是指以聚合物（塑料、橡胶、弹性体或天然高分子材料）为基础而其内部具有无数气泡的微孔材料，也可以视为以气体为填料的复合材料。 目前，聚合物发泡材料主要是采用发泡剂在树脂内部直接膨胀发泡来制备。但该过程中不可避免且很难控制的泡孔成核、合并、破裂等因素会对泡孔的结构和形貌产生较大的破坏，进而影响到使用性能，如何精准的控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构目前仍然是一个难点。 为了解决直接膨胀发泡法制备聚合物泡沫过程中存在的一些问题，来自美国哈佛大学的研究人员将3D打印技术应用到聚合物泡沫制备中，首次开发出可直接书写的聚合物气泡“墨水”，通过直接书写--紫外固化相结合的方式制备出了微观泡孔形貌、分布以及宏观泡沫结构精确可调的聚合物泡沫，并且通过改变气泡“墨水”的组成，还可以赋予泡沫新的功能。 直接书写法制备泡沫原理为了使直接书写的“墨水”形成宏观泡沫的单个微观气泡，研究人员设计了内外双层结构的特殊喷嘴：内管输送含有聚合物单体、引发剂和表面活性剂的聚合物前驱体溶液，外管输送气体，两者在喷嘴口混合，形成可书写的气泡“墨水”，单个气泡从喷嘴滴落到基底上堆积，紫外光引发聚合后，气泡之间粘合形成宏观泡沫块体。 泡沫书写和固化装置 其中，“墨水”滴落流量以及气体气压是制备不同微观泡孔形貌的关键：根据理论计算及实验结果，作者绘制了前驱体液体流量与气压对气泡“墨水”形态影响的相图。 相比于传统的泡沫制备方法，直接书写法有以下4点优势： 优势一：泡孔形貌及分布可控 泡沫大部分性能与泡孔形貌直接相关，精确制定泡孔形貌进而制备优异性能的泡沫正是直接书写发泡法的最大创新点。泡孔形貌主要包括开/闭孔结构、孔径大小及分布这三个要素。作者通过气体的种类来控制开闭孔结构：以具有聚合阻聚作用的O2为气体时可以使接触O2面的，深度约至40um范围内的单体停止或延迟聚合，从而泡壁变薄，最终变为开孔泡沫；以惰性的N2为气体源时，聚合正常发生，泡壁较厚，形成闭孔泡沫。孔径大小及分布则由气压来调节，较低气压得到的泡孔直径大致为0.5 mm，分布十分均匀；当气压增加后，得到的泡孔孔径介于0.3- 0.7mm之间，分布也较宽。 开孔和闭孔泡沫制备过程 优势二：制备多层次结构泡沫 在喷嘴书写的同时改变喷嘴的空间位置以及气压大小，可以制备不同3D构架的多层次结构材料，如三角形栅格等。通过增加气压或者减缓喷嘴的移动速度，栅格的单根构件就会变宽，反之亦然。 构建的多层次三角形栅格宏观与微观结构 优势三：制备机械性能梯度性泡沫 在连续书写过程中间断性的调整工艺参数来改变局部泡沫之间密度以及模量等参数，使最终得到的泡沫在整体力学性能上呈现出几个数量级的梯度性，实现了像堆积木一样把数个不同的小组分结构件组合成为一个大的宏观体。这种结构的泡沫很难通过常规发泡方法制得。 优势四：制备功能化泡沫 改变前驱体溶液的组成，比如加入某种功能化物质，在泡沫形成后该物质保留可赋予泡沫新的功能。比如，在前驱体溶液中提前加入AgNO3，固化处理后转变为含纳米银的柔性泡沫，压缩时电阻变小，且对压力有很好的线性关系和有很高的灵敏度，有望用于压力传感器。 EOS 3D打印弹性泡沫应用研发与生产EOS 3D打印弹性泡沫使用TPU或PEBA等柔韧性极高的聚合物材料，采用激光烧结技术制造，可以对每个体素（体积像素）进行深度微调，从而获得绝佳的舒适性、安全性和功能性。采用传统工艺时，此过程异常繁琐，需要复杂的工程设计和漫长的生产周期才能生产出符合要求的产品。 EOS 3D打印弹性泡沫动画效果 基于该工艺生产的弹性泡沫材料主要用于生产保护性头盔、个性化矫形器、高性能鞋具以及其他各类应用产品。 为推动3D打印泡沫的应用，EOS推出了Digital Foam计划 目前，EOS的3D打印泡沫制造工艺已经有了很多案例，如橄榄球头盔、矫正鞋垫等等。 END 哈佛大学的研究结果表明直接书写法可以精确地控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构，对泡沫的力学性能进行程序化调控，并且还可以很方便地赋予泡沫新功能，对以后泡沫制备方式的改进有着积极的推动作用。而EOS的技术则直接推动了3D打印泡沫的应用。弹性泡沫遇上3D 打印，将使得该行业重新焕发生机，生产出更舒适、更安全、更轻便且可以个性化定制的产品。 注：研究原文已上传。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 2.中国高分子材料3D打印发展现状概览

设计灵活、节省材料、适于小批量生产，这些因素仅仅是一些公司采用增材制造的部分原因。但是要在生产中充分使用该技术，仍然需要解决一些问题。 本期，我们从材料、生产速度以及后处理三个方面，分析3D打印在实际生产过程中面临的紧迫挑战。 01 材料标准和性能不一致 从理论上讲，无论是机械、生物还是电子，3D打印都能够生产高度复杂和功能性的零件。但要做到这一点，就要有足够的材料选择。 材料的可用性是3D打印行业的一个重要挑战，与传统制造数十年的材料开发历史相比，3D打印材料的开发才刚刚开始。在行业发展的最初几年，工业3D打印发展的重点是原型制作，对材料性能的重视本身就很少。但随着将该技术开始转化为生产解决方案，材料开发过程大大加快。 高性能3D打印聚合物和复合材料在近几年发展相当迅速，一些大型化学公司和专业的3D打印制造商，已经开发出了与金属相当强度的碳纤维增强聚合物以及阻燃复合材料等新材料。金属材料的开发则需要更长的时间，但进展也是有目共睹的。 相比过去，3D打印材料的种类已经丰富了很多 3D打印材料的种类确实是得到了飞速发展，但不得不面临的一个现实问题是材料性能的不一致与不稳定性，基本上每个厂家都会有一个材料标准。目前，业内缺乏一个可靠的、统一的材料数据库，可以给出经验证的打印参数和机械性能，而不是每家一组不同的数据。 实现一致且可重复的3D打印过程非常有挑战性，这是很多传统制造商不愿意使用这项技术的重要原因。开发3D打印材料数据库已经成为行业发展不得不面临的现实问题，目前ISO和ASTM等一些标准制定机构已经发布了关于镍、钛和不锈钢等金属粉末的规范。 使用Stratasys的ULTEM 9085 3D打印的飞机零件 其他机构则建立了增材制造材料和工艺信息数据库，如America Makes与Stratasys以及美国国家航空研究所合作，于今年早些时候发布了基于FDM的ULTEM™9085 I型材料特性数据库，该数据库将有助于进一步将经认证的聚合物材料用于飞机内饰件。 总之，材料标准的确立，将是满足制造商对3D打印性能和可靠性期望的关键。 02 生产速度慢 当前，即便是工业3D打印机，在速度和效率方面也普遍落后于传统机械设备，这对于汽车和消费品等需要大规模批量生产推动的行业非常不利。在这些行业中，产品需要在尽可能短的时间内制造和交付，才能保持生产效率。 福特公司增材制造技术负责人提到，汽车行业的生产规模与航空航天和医疗有很大不同，前者必须研究如何能够在几分钟甚至几秒钟内完成零件生产，采取任何必要的措施来提高生产速度对于汽车行业来说至关重要。 汽车行业增材制造市场鬼规模预测 实际上，目前大多数瞄准生产应用的3D打印机制造商都在寻找提高3D打印速度的方法。有些公司开发了模块化系统来提高生产量，有的则致力于对现有技术进行不断革新。在此，我们举两个例子进行说明。 SLS技术领域通常采用增加激光器数量的方式来提高生产速度，但德国EOS推出的Laser ProFusion技术对整个光源模块进行了系统性开发。通过改造，新设备配备了多达100万个二极管激光器，可实现多点同时烧结，可大大加快打印时间。EOS高分子系统与材料业务高级副总裁表示，传统注塑成型技术持续面临的挑战是模具制造占据了相当一部分的成本，并且只有当生产规模达到几千个或更多时才具有经济可行性。但LaserProFusion技术无需开模即可制造简单和复杂的零件，且生产效率非常高，每台机器的年产量超过10万件，每个零部件的成本也非常可观。 EOS LaserProFusion技术将配备多达一百万个二极管激光器实现更快打印 在传统的金属SLM技术方面也有一些显著的发展。澳大利亚Aurora labs推出的多层并行打印（MCP™) 技术可以实现一次铺粉、同一位置打印多层以及在同一时间、不同位置实现不同层厚同时打印的效果。 多层并行打印技术 该技术的推出打破了传统SLM技术只有通过增加激光器数量来提高速度的改良极限，可以实现金属打印速度的极大飞跃。在2018年的Formnext展会上，该公司已经可以同时打印30层，而日前公布的数据显示，该公司的PMP1 3D打印机的打印速度可以达到350公斤/天，与去年报告的速度相比提高了2000%。 提高生产速度并非易事，这需要大量的技术创新。截至2019年，EOS和Aurora Labs的技术仍处于开发阶段，但至少让我们看到了技术发展的前景。 03 后处理效率低 采用3D打印制造的零件，几乎无一例外都需要某种类型的后处理，以提高机械性能、精度以及表面质量。使用3D打印制作原型时这不是一个很大的问题，但随着技术向终端制造工艺过渡，规模化和自动化的后处理已成为建立增材制造生产线的关键瓶颈之一。 对于金属3D打印技术来说，需要非常多的后处理步骤来确保质量，如粉末清除、去应力退火、线切割、支撑去除，CNC和其他精加工以及热等静压等等。这些步骤中有些仍然需要手工操作，而且对于关键任务还需要熟练的操作人员。 空客仿生隔断结构手动清粉 使用人工完成原型甚至几十个零件时可能还具有成本效益，但如果生产数百甚至上千个零件时，3D打印对后处理自动化的需求就变得极为迫切。 自动化的解决方案可以通过一致的后打印功能提高生产效率，不过目前也只有少数的集中特定的方案帮助实现自动化后处理，如DyeMansion公司的自动清洁系统、AMT公司的表面平滑解决方案以及PostProcess Technologies的支撑去除和表面处理系统。然而，不可否认，这些系统主要是为聚合物3D打印的零件而设计。 DyeMansion自动清洁系统 在金属3D打印方面，仍然采用传统制造的后处理技术。为了使这些技术进一步自动化，一些公司也开始实施机器人解决方案，可以帮助更换材料并进行零件处理。去年EOS和Digital Metal都推出了全自动生产的概念，其采用机器人进行大多数的操作过程，如安装打印基板、清粉取件以及后处理等等，目标是取代是所有手工工作，以促进连续和规模化的生产。 尽管这种发展令人鼓舞，但该领域的创新步伐还是比较缓慢。未来，先进的后处理解决方案的数量肯定会增加，从而适应不断增长的增材制造产业的发展。 04 结语 本文从生产速度、材料以及后处理方面揭示了当前增材制造行业取得的成果和存在的问题，基本算是行业整体的现状。这些因素的存在限制了增材制造技术的发展速度，但从一系列新诞生的技术和标准来看，这些挑战正在慢慢得到克服，而挑战，就是机会。 注：本文内容来自“3D打印技术参考”，谢绝转载至微信以外平台。欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SLS的演变：新技术、新材料和新应用 2.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

在激光金属增材制造中，熔池内的熔体流动决定了熔体的传热传质过程，对熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飞溅的产生起着关键作用。因此，熔体流动行为显著影响增材制造零件的微观结构和性能，了解熔体的流动行为对于微观组织预测和过程控制至关重要。在过去30年的时间里，关于熔池中的熔体流动行为一直没有研究透彻。近日，来自麦迪逊大学、密苏里理工大学以及美国阿贡国家实验室的研究人员共同揭示并量化了熔池不同区域中特定位置的流动模式，为研究实际增材制造条件下详细的熔体流动动力学开辟了道路。该研究的主要研究人员为中国或华裔学者，本期，3D打印技术参考对研究主要内容进行介绍。 熔体的熔化模式与表征三维熔体流动的挑战性由于难以通过实验方法直观地观察熔池内部的流体流动，研究人员因此通过广泛的建模和仿真来研究各种条件下的流动模式。材料的熔化方式被分为凹陷熔化和传导熔化。在高功率密度下，由于强烈的材料汽化而产生的反冲压力会在熔池中形成凹陷，即凹陷模式熔化；在低功率密度下，形成的熔池相对较浅、较宽，没有明显的凹陷，形成传导模式熔化。 考虑到激光增材制造中物理学的复杂性，使用单个数值模型来模拟所涉及的多物理现象是极具挑战性的。在真实的激光增材制造条件下，尤其是在激光粉末床熔合条件下，表征三维熔体流动更具挑战性，因为激光通常以更高的速度扫描，并且产生的熔池更小。因此，科学界尚未揭示实际激光增材制造条件下整个熔池中的熔体流动行为。 熔体流动动力学原位采样示意图，高速高分辨率X射线成像系统用于在纵向视图和横向视图中捕获熔池中示踪颗粒的运动 在这项工作中，研究人员开发了一种方法，通过均匀分散大量的微量示踪剂（直径约5μm）并进行原位高速高分辨率x射线原位成像，研究激光增材制造过程中整个熔池中的熔体流动行为。揭示了在传导模式熔化和凹陷模式熔化下整个熔池中每个位置的熔体流动动力学，并分析了熔池中液体流动的驱动力和物理过程。 实验参数设置与熔化模式 实验采用了AlSi10Mg和Al-6061两种铝合金。选择铝合金是因为它们的X射线穿透性更高，同时验证在AlSi10Mg中观察到的熔体流动模式是否也可以在另一种具有不同成分的Al-6061中观察到。 在粉末床的前后两侧分别架设X射线测量装置，分别捕获横向和纵向的颗粒运动。 两种熔化模式下的熔体流动方式由于这两种熔化模式的物理基础不同，传导熔化和凹陷熔化的熔体流动行为表现出很大的不同。 在传导熔化模式下，材料表面被加热，能量吸收的速度超过了热量散失的速度，材料温度最终达到熔点形成熔池。熔体的流动模式相对简单，主要受到Marangoni驱动力的作用，熔体从较热区域流向较冷区域，即从激光加热点到熔池边缘。激光束前面的表面流向前移动（顺时针），而激光束后面的表面流向后移动（逆时针），当到达熔池的每个边缘时，它们将向下流动并在液压的作用下返回到激光加热点，形成两个闭合回路。 传导熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡 传导模式下全熔池熔体流动的三维重构 在凹陷熔化模式下，热源能量非常强烈，材料温度不仅超过熔点，而且达到了沸点。在这种情况下，材料的强烈汽化会施加反冲压力进入熔池，从而形成一个凹陷区。在焊接领域，当凹陷区域尺寸比（深度超过一半宽度）大于1时，凹陷模式也称为“锁孔模式”，在这种模式下，热源不仅加热材料的上表面，还通过凹陷区加热材料的内部。 由于强烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流动模式相当复杂。与汽化有关的力和Marangoni力主导着凹陷周围的流动模式。而且随着凹陷的形成，激光束直接与熔池内部相互作用，从而促进了能量吸收，与传导模式相比，能量吸收导致熔池更大，流动更复杂。 凹陷熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡 凹陷上部的熔体向上移动，而靠近凹陷底部的熔体由于受到反冲压力向下移动；熔池表面附近的流动从凹陷出口向熔池尾部向后移动，熔池底部的流动也有向后移动的趋势，除了在熔池的后底部观察到短的向前流动，两股熔体最终合并向上移动，并分裂成两个相反的方向。除此之外，其他位置的流体流动模式和流动速度也各不相同，分别受到不同作用力的控制（详细内容查询原文）。 传导模式下全熔池熔体流动的三维重构 END 总的来说，本项研究的重要意义在于首次揭示并量化了在激光金属增材制造过程中，传导模式熔化和凹陷模式熔化下，整个熔池中每个位置的熔体流动动力学。 通过原位高速高分辨率X射线成像的方法为研究实际增材制造条件下的熔体流动动力学开辟了道路，其发现不仅对理解激光增材制造工艺和其他激光工艺至关重要，对于开发可靠的高保真计算模型也至关重要。 注：本文仅限于学术分享，研究原文已上传至QQ群，谢绝转载至微信以外平台。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：网址： 延伸阅读：1.3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整软件 2.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

一个月前，随着中国新一代载人飞船试验船进入太空开展在轨验证，中国实施了多项太空3D打印技术在轨实验，碳纤维复合材料3D打印与金属/陶瓷立体光刻微米级精度3D打印制造均在国际上实现零的突破。 中国科学院空间应用工程与技术中心的太空制造技术重点实验室是此次太空立体光刻3D打印实验的实施团队。关于此次实验的重要意义及研究过程中的难点，中国新闻网与俄罗斯卫星通讯社专访了中国科学院空间应用工程与技术中心王功研究员。 王功(右二)与太空制造团队成员在办公室复盘参与新飞船任务项目的过程 王功在采访中介绍：“这次试验突破了以往太空制造中以丝材为主的材料体系，验证了新型太空制造材料及新的技术手段，大幅提高了在轨制造精度。空间立体光刻工艺相比于目前太空制造所普遍采用的熔融沉积工艺，最大的优势在于直接成形精度更高，并且可将材料由高分子材料扩展至陶瓷、金属、生物材料、月壤等纳米/亚微米粉末材料，扩大了可用于太空制造的材料谱系。” 此前，国际同行普遍认为该工艺在微重力环境下不太可能被使用，因为其主要原材料是液体，而液体在微重力环境中非常容易自由飘散。王功介绍称，此实验的难点就在于，需要攻克液体在失重环境下难以精确控制的问题。 在关键技术攻关过程中，该团队创新采用了一种具有剪切变稀特性的软物质材料，针对在轨环境特点，调整其流变性能，即使360度旋转，也不发生任何流动，实现了在失重环境中陶瓷/金属软物质材料的微米级精密在轨制造。 中科院“在轨精细成型实验”（中）实验装置 王功团队的目标是在太空中建立工厂，以服务空间站建设运营。但目前仍有几大难点需要攻克： “在微重力环境下，一方面，航天员保持自身姿态和动作稳定是很困难的；另一方面，难以对材料进行精确控制。而太空中有限的空间和资源对制造设备和工艺提出的挑战是要做到：易操作、低功耗、小型化。另外由于航天员工作生活都在太空中相对狭小的密闭空间，整个制造过程不能产生任何有毒有害物质。” 太空制造的根本目的是提升人类在地外的活动和生存能力。太空制造未来发展可分为“小型零部件制造”“大型空间装置制造及在轨组装”“探测月球、火星等地外深空环境中更综合的制造活动”三个阶段。目前还处于第一阶段，大概只解锁了这个阶段10%的工作，还有大量的工作需要去做。 中国未来空间站 2015年，中科院太空制造团队开始策划第一次微重力3D打印实验，为实现高精度太空制造目标，团队提出并挑战国际同行认为不可能的技术路线——利用立体光刻在太空进行3D打印。 2018年，太空制造团队在失重飞机上对新材料及专门研制的立体光刻设备进行实验，证明思路可行，这也是中国团队第一次在太空制造这个领域提出并且验证了自己的想法。 2019年7月，中科院太空制造团队接到中国新一代载人飞船试验船搭载在轨精细成型实验任务。“在轨精细成型实验装置”通过立体光刻3D打印，成功精细制造出微缩版的国旗、中科院院徽、中国载人航天工程标识、三维支架等8件样品。 采用光固化工艺在太空打印的8个样件 为中国空间站提供更好的太空制造服务 此次经太空实证成功的立体光刻3D打印工艺，具有功耗低、设备轻、精度高等技术优势，着眼于中国航天未来载人探月、登月等长远发展规划布局的任务需求而准备。 王功强调，包括立体光刻在内的太空3D打印，只是太空制造的一个工艺路线，未来的制造方式还有很多种。其团队同步也在研发其他太空制造工艺路线，每一种制造工艺都有其优势和局限性，这取决于未来航天任务的需求。这次太空立体光刻3D打印在新飞船任务中的成功验证，“对团队来说，意味着新的开始。” 针对未来航天应用任务，太空制造团队下一步的计划，一是进一步完善此次在轨成功制造的立体光刻3D打印工艺；二是中国空间站未来两三年即将建成，团队将研发一些针对性技术，希望为空间站建设运营提供更好的在轨制造服务。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.航天二院科技大讲堂—卢秉恒院士“航天增材制造” 2.SpaceX首次载人火箭发射成功，3D打印发挥作用，开始纳入Velo3D无支撑金属打印 3.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 4.梳理：新一代载人飞船试验船上的3D打印应用及技术来源

近日，深圳大学增材制造研究所与核工业西南物理研究院合作，在知名SCI期刊《Additive Manufacturing》（影响因子7.17，中科院1区，TOP期刊，制造工程类JCR排名第一）发表题为《3D printing of ceramic cellularstructures for potential nuclear fusion application》的论文。首次提出并报道了基于3D打印一体化自由设计和成形复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷件，有望替代传统的微球床结构，作为聚变堆的氚增殖陶瓷单元，具有重要应用前景。该论文为深圳大学首次在《Additive Manufacturing》期刊发表的论文。人类社会当前能源资源匮乏且化石能源环境污染和温室效应加剧，可再生能源发展成为研究热点。被誉为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变的商业化将能有效缓解上述需求。作为磁约束聚变堆的一个重要组件，固态产氚包层是聚变能商业化应用前需要解决的核心问题之一。作为包层首选氚增殖剂材料，正硅酸锂(Li4SiO4)产氚单元的加工制造为包层技术的实现提供基础（通俗点说就是，“人造太阳”是由氢元素的同位素氘和氚在高温高压条件下产生核聚变反应并生成大量热能用于发电。氘可由海水提取产量丰富，而氚几乎不存在于自然界，需要靠氦与锂陶瓷不断催化反应生成，产氚单元就提供了这个重要核心功能）。传统的锂陶瓷产氚单元一般为微球堆积的球床结构，填充率有限，且微球堆积产生的应力集中易造成形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。 图1 聚变堆球床结构、及其应力集中与缺陷问题 针对上述问题，深圳大学增材制造研究所团队与核工业西南物理研究院联合提出了3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法，研发光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体。由于该粉体具有较强的物理化学活性，因此增材制造所在陶瓷浆料配制过程中研究采取特殊处理工艺，并设计打印制造出了一体化无缺陷结构，获得了比传统球床结构更优异的结构稳定性与力学性能，且拥有可调控填充比，不仅克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，还有望实现产氚效率的大幅提升。本研究将为替代传统球床陶瓷产氚结构提供可能，在聚变堆应用方面极具前景。 图2 保证相纯度的正硅酸锂陶瓷浆料特殊配制工艺 图3 光固化3D打印部分正硅酸锂陶瓷产氚单元展示及其优异力学性能 投稿过程中国际同行审稿人给予高度评价，认为本文提出的光固化3D打印在核聚变陶瓷部件的制造与应用极具创新性。论文第一作者为陈张伟教授指导的研究生刘雨，陈张伟教授为通讯作者，深圳大学为第一完成和通讯单位。研究获得了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅激光与增材制造重大专项、广东省自然科学基金面上项目、深圳市科创委基础研究面上项目、孔雀技术创新项目等基金的大力支持。 据悉，此前增材制造研究所已围绕聚变堆第一壁CLF-1钢构件的SLM工艺及其组织性能调控开展了系统工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧RAFM钢的开发，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形CLF-1钢兼具高强度（屈服强度1053 MPa）与高塑性（延伸率16.9%），其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。通过对比研究S209和S98的微观组织和力学性能，揭示了SLM成形CLF-1钢的强韧化机理，其高强度取决于细晶和细小马氏体片层，高塑性得益于这种双/多模组织对位错主导的加工硬化能力的改善。该工作为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供重要理论依据和技术指导，促进聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。相关研究成果发表于国际知名学术期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。 深圳大学增材制造研究所近年研究进展近年来，深圳大学增材制造研究所团队围绕各类材料与先进应用领域，特别是陶瓷、金属及其他复合材料在环保催化、新能源器件、核聚变堆、轻质高强部件等方面的应用开展了大量工作，取得了一定成果，发表高水平SCI论文20余篇，其中1篇入选ESI 1%高被引论文（Highly-cited Paper），和0.1%热点论文（HotPaper）。部分成果总结如下： ① 3D打印（光固化）聚变堆氚增殖陶瓷单元研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042030720X ② 3D打印（光固化）堇青石蜂窝陶瓷尾气净化器载体研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219316761 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219305632 ③ 3D打印（低温直写）锂离子电池电极研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468619310151 https://www.hindawi.com/journals/jnm/2019/1291067/ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219309496 https://www.mdpi.com/1996-1944/10/8/934/xml ④ 3D打印（喷墨打印）燃料电池电极及其他器件研究 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/fuce.201700128 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219325404 https://www.nature.com/articles/s41699-019-0117-3 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884218310496 ⑤ 3D打印（选区激光熔化）聚变堆第一壁结构件及其他金属材料研究 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2019.1631224 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509319311505 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030219302695 https://www.mdpi.com/2075-4701/10/5/593 ⑥ 3D打印（光固化）轻质高强前驱体转化陶瓷研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884218306382 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838819308333 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2019.1710919 ⑦ 3D打印综述文章 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221918306782（ESI1%高被引论文，0.1%热点论文，目前深大材料科学领域仅2篇热点论文） https://www.mdpi.com/2073-4360/10/6/629（期刊近两年Top downloaded paper） 33-41万年薪招聘博士后研究所热忱欢迎有志于3D打印的博士加入开展博士后工作，现亟需招聘与高分子化学、材料、数值仿真或其他与3D打印相关专业的博士后数名。具体要求和待遇如下： 1. 应聘者要求 （1）近 5 年内获得博士毕业证书和学位证书，年龄不超过 35 周岁，身心健康； （2）对任何材料的3D打印感兴趣，且具有机械、材料、物理、化学、数值模拟等相关学科的博士学位或即将取得博士学位； （2）具有较强的科研创新能力及英语写作能力，具有良好的学术道德、严谨的科研态度，具有良好的团队 合作精神，积极主动的完成研究工作； （3）具有独立承担课题的能力，并协助指导研究生和课题申报相关工作；…

通过生物3D打印技术，科学家已经可以在体外得到多种人体器官和组织工程支架，如会跳动的心脏、会呼吸的肺和会生长的骨，堪称2019年最突出的生物和医学3D打印研究。 在国内，四川大学研究团队的生物3D打印技术可谓走在前列。2016年，川大团队就已经将生物3D打印的血管植入恒河猴体内；同年，国内首家生物3D打印研究院—四川省生物增材制造产业技术研究院，由四川蓝光英诺生物科技股份有限公司与四川大学华西医院联合建立。 近日，川大再次实现新突破—一种无创生物3D打印技术，可以无创地在正常组织下面直接成型生物墨水，包括活体组织原位构建，从而避免新创伤。相关成果发表于Science子刊ScienceAdvances。本期，我们来介绍这项新技术。 一种无创生物3D打印技术主流的生物3D打印多是指在体外成型组织和器官后通过手术植入患者体内。无创生物3D打印则是一种在病灶位置成型所需构造的皮下直接成型技术，它避免了手术带来的新的创伤，无疑，它具有更高的难度，甚至有些天方夜谭。   体外血管3D打印技术 基于DLP技术的生物3D打印技术具有生物相容性好、细胞活性高，打印精度好、速度快等优点。但传统的DLP生物打印技术都是基于紫外或蓝光引发的光聚合反应开发，皮肤透过性较差，无法直接引发皮肤下的单体聚合。而近红外光则能够穿透深层组织，可用于药物释放控制以及3D图像的可视化，更重要的，它具备引发光聚合的潜力。 然而一直以来，近红外光却并未用于诱导光聚合反应，这是因为近红外光的光子能量较低，且引发剂的光子吸收能力不足，无法有效诱导光聚合。在这项研究中，四川大学华西医院的主要贡献可能有两点：一是以DLP技术为原理，将传统的紫外光换为近红外光，开发了一种无创的体内生物3D打印系统；二是设计了一种可以将近红外光在打印目标区域转换为紫外光进而引发光聚合反应的纳米引发剂结构。 近红外光3D打印系统与纳米引发剂结构 纳米引发剂设计的巧妙之处在于，内部的核心结构具有近红外光吸收活性，外层结构则具有紫外光吸收活性，两者通过静电形成复合结构。在具体的打印过程中，980 nm的近红外光将组织图像通过光学透镜投射到生物墨水上，纳米引发剂可以将近红外光转换为365 nm的紫外光，进而引发紫外光聚合反应。这种方式避开了直接使用紫外光穿透人体组织所带来的损伤与能量损失，大大提高了光利用率，实现在人体内部无创制造生物组织。 论证无创生物3D打印技术的可行性为论证基于纳米光引发剂的无创生物3D打印技术的可行性，研究人员首先在体外用常用的生物材料以逐层打印的方式打印了多种不包含细胞的微结构。为进一步模拟在体内打印的情况，研究人员又将老鼠皮肤或猪的肌肉组织覆盖在生物墨水上，再进行打印。试验结果表明组织下打印结构完整，形状误差控制在12.1%。最后，研究人员将不包含细胞的生物墨水注射到小鼠皮下，进行了体内实验，在打印1天及7天后，打印结构及周围的组织仍保持完整，并且没有显示出明显的副作用，证明了生物3D打印技术具有应用于临床治疗的潜力。 本研究无创生物3D打印的耳廓组织 此外，研究人员采用小鼠作为模型，通过本研究的技术在小鼠皮下无创打印了包含软骨细胞的耳廓形结构，该过程耗时仅20 s。在一个月后，支架结构保持良好，并且软骨细胞不断成长，形成了可用于器官重构的耳廓结构。 脂肪干细胞具有治疗由钝器造成的闭合性组织损伤的潜力。通过本研究的技术，可以在伤口处原位形成包含脂肪干细胞的组织支架，有助于伤口愈合。研究人员采用带有肌肉闭合性损伤的小鼠为模型，采用该技术在伤口处打印了包含脂肪干细胞的组织支架，在十天后，小鼠的伤口明显愈合，相关测试表明该支架对组织无副作用。 END 总的来说，该研究最为直观的体现就是，通过对人体无害的近红外光实现了传统生物相容性水凝胶单体的聚合，为体内无创制造提供了一种方法。生物墨水通过诸如注射和灌注等无创的方式递送至目标位置，通过具有良好生物穿透性的近红外照射平台能够精确控制被组织覆盖的生物墨水成型为结构化产品。 此外，因该技术的无创特性，将大大推动生物3D打印技术在临床上的应用。 注：研究原文已上传。限于作者对高分子及生物3D打印的知识有限，有不准确之处请留言，谢绝转载至微信以外平台。欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨 2.体积3D打印技术在生物组织工程中的应用和优缺点

在粉末床激光熔融技术中，材料从生产、运输、储存到打印以及循环使用过程中，粉末在整个工艺链中一直处于多种机械和大气环境之下，粉末颗粒的化学成分和形状，以及整个粉末材料的特性，可能会受到大气、温度、湿度以及外力等因素的影响。 本文讨论了TC4粉末在整个工艺流程中潜在的重要影响因素，研究结果可用于其他粉末处理和管理，确保材料在整个使用寿命内的质量，使SLM工艺更加稳健和可靠。 粉末生产因素为了评价粉末的特性和批次稳定性，研究了TC4（5级）三种不同工艺（气雾化EIGA、等离子雾化PA、电感耦合等离子雾化ICPA）生产的相同规格、两个批次的粉末，分别测定这些粉末的粒度分布、颗粒形貌以及流动性。 结果显示，三种粉末颗粒的尺寸均在15-65微米之间，呈高斯分布，但PA和ICPA粉末与EIGA粉末相比显示出更宽的粒度分布。霍尔流量计测量的流动时间在14.6s-16.1s的范围内，说明所有粉末和批次都具有良好的流动性。电镜结果显示出，三种粉末都具有高球形，不过EIGA粉末颗粒有些轻微拉长，而ICPA粉末含有不少卫星粉。 三种工艺生产的粉末粒度分布 EIGA、ICPA、PA工艺生产的粉末形貌 为了评估每批粉末的可打印性，在SLM 250HL设备上进行工艺调试，得到32个不同的参数集。对于每组工艺制备的试样，分别进行孔隙测量和分析。 密度块的测试结果显示，所有粉末（不同工艺和批次）都可以获得密度高于99%的立方体。应注意的是，每种粉末和批次可能适用不同的工艺。 不同粉末打印能量密度与致密度对应表 因此可以得出结论 不同工艺生产的粉末颗粒形状和尺寸分布有差异。 每种粉末和每个批次均可以通过工艺调试得到致密度达99.9％的零件（这也意味着，粉末的这些差异导致了相同工艺的不适用）。 粉末储存及运输因素为了研究运输和储存过程中（如温度和湿度）的影响，将商品化的粉末容器储存在人工气候箱中，该气候箱的温度保持30°C恒定，相对湿度在12天内从20%增加到95%，每天取样进行表征。 温湿度场景 结果表明，在按照体积进行统计时，D10、D50、D90的数值并未有明显变化；如果按颗粒数进行统计（不同尺寸颗粒的数量所占的百分比，如图中D90表示有90%数量的颗粒尺寸是小于X微米的），可以发现粉末出现明显的粗化行为。因此可以假设，随着湿度的增加，较小的颗粒粘附在较大的颗粒上，造成了粉末尺寸的变化，且霍尔流量计测量的流动时间从15.1s减少为14.5s（也即随着时间推移，颗粒出现团聚）。 随时间延长，粉末的粒度分布（分别以体积和颗粒数进行统计） 为研究粉末储存时是否需要氩气保护，将两个粉末容器在30°C和30％相对湿度的相同条件下存储。一个容器一直完好存储，另一个容器的保护气氛通过一次打开过程而被破坏。在十天的存储期后，制备了用于机械测试和元素测量的样品。 拉伸试验的结果显示，在有保护气氛和无保护气氛下，试样的极限抗拉强度基本一致；潮湿环境下储存的粉末，其极限强度最高，相比干燥粉末打印的试样略微提高了5%，而延伸率下降严重。气体含量测量证实，潮湿环境下，试样的氧含量比干燥环境下高约10%，这导致了材料脆化。 粉末在潮湿环境、氩气保护和无氩气保护下的打印件的力学性能 不同储存条件下试样的氢氧氮成分含量 该部分的主要结论 粉末存储环境的湿度对粉末的粒度分布影响不大，但潮湿的环境仍然会造成细粉团聚，并增加氢氮氧的吸收。 氩气保护气氛对粉末和零件性能无重大影响。 单层连续扫描面积的影响为了研究3D打印过程中的粉末粗化行为，研究人员将激光连续扫描的面积与飞溅物形成的总量联系起来设计了一项实验方案。实验分为四组，所有打印零件的总体积一样，但零件数量被分割为1、4、16、64个。每次打印完，测量粉末粒度。 体积相同，但单层连续扫描的面积不同 测试结果发现，四种打印方式最终的粉末粒度并没有显著差异，证明连续扫描面积对粉末粗化没有影响。 不同连续扫描之后的粒度平均分布 不过，所有样件均可以检测到氮和氧的吸收，尤其是对于“1:1”的样品吸收量非常高。对于原始粉末，测得氧含量为841ppm，氮含量为178ppm。研究人员认为，较大的连续扫描面积会导致样品温度升高，从而增加了结构对气体的吸收亲和力。 不同连续扫描面积样品的氮氧吸收情况 针对粉末循环使用对产品质量稳定性产生的影响，设计的实验方案为，同一批粉末连续打印17次，期间均未加入过新粉，每次打印完成后，对粉末进行彻底筛分；每次制造工作开始前，会对该次实验的粉末进行粒度测试。所制备的样品进行拉伸试验测试，并测定气体含量的吸收，所有样品均在打印态条件下测试。 测试的结果显示，粉末粒度D10、D50、D90随循环次数的增加均没有明显的变化。D90值的数字高偏差可能是由于采样不足造成的。 粉末循环使用过程中的粒度变化 力学性能的测试也没有发现明显变化，屈服强度的略微增加和伸长率的降低，可以认为仅有轻微的脆化。 不同循环下的力学测试结果 脆化可以通过随着循环次数的增加氧含量的变化来解释。从试验开始到结束，氧含量的吸收增加了约20%，这可能是由于随着循环次数的增加，粉末中含氧量较高的飞溅物越来越多导致的，这一现象在对AlSi10Mg的研究也发现了类似的结果。 不同循环次数下的氮氧氢吸收情况 本部分得出的结论 在连续大区域扫描时，氢氧氮的吸收会增加。为避免在工业应用中出现这种现象，应当注意打印方向和扫描策略，以使这种影响最小化。 在17个生产周期后，检测到氢氧氮的含量增加了约20％，材料出现脆化趋势。 对不同循环次数下，SLM成形试样的力学性能对比研究发现，力学性能与粉末循环次数无明显的关联。 END 这项研究的结论有一定的指导意义，但还不足以作为本行业粉末管理的标准。一直以来国内也有类似的研究，在结果上有一致也有差异，有兴趣的读者可以拿来对比，作为参考。 在实际的工业生产中，粉末的保存应当保持干燥，不定时的补充新粉也可以作为保证质量的有效途径。随着研究的深入，粉末的管理应当逐渐有一个明确的标准。 注：本文仅限于参考，谢绝转载至微信以外平台。欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 2.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 3.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制