在2019年法兰克福formnext 3D打印展会上，德国机床制造商通快（TRUMPF）展出了一种新的专利解决方案，其通过对传统的金属SLM打印机进行改造，实现了3D打印基板的自动更换，从而将打印机停机时间减少到最低限度。本期，3D打印技术参考来介绍其实现的过程以及意义。 对于SLM技术来说，打印之前的准备工作非常繁琐且要花费大量时间，这些操作包括了构建板的加热与调平、铺送粉与充气过程等等。如果业务不多，大可慢慢去做；而如果订单紧急，批次打印之间就需要重复进行上述工作，操作人员甚至还得加班；而如果打印过程需要更昂贵的气体保护，那就进一步增加了成本。 通快推出的构建板自动更换技术在原理上其实非常简单，就是把两块板摞在一起，一次任务打印完成时，送粉装置会将上面的基板推送至溢流容器中；随后，3D打印机自动在新的基板上进行构建，系统立即开始下一个打印作业，而无需操作员打开舱门进行粉末清理和一系列的准备操作。 这一功能将为用户节省时间、成本和资源，缓解生产高峰期带来的生产压力，真正实现设备连续不间断自动运行。 该解决方案特别适合订单波动很大的行业，尤其对牙科行业增材技术的工业化具有重要意义。由于牙科打印时间往往较短，且需要频繁更换基板以保证交货周期，如夜间打印完成则只能等待工作人员第二天处理，一些紧急任务则只能拒单。基板自动更换解决方案使机器完全可以在无人干预的情况下满负荷运行，当订单激增时，该方案可以帮助企业履行交付任务，保持行业竞争力。 通快基于其TruPrint 1000的机型进行了设备升级改造。该打印机成型尺寸为φ100*100mm，主要面向牙科和珠宝制造。基板自动更换解决方案因无需补充保护气体还能够节省资源，同时笔者认为该方案集成了基板自动调平功能，并具有良好的基板预热能力。通快声称，凭借TRUMPF打印机的一系列独特设计，TruPrint 1000已成为世界上最畅销的小型3D打印机。 自动化将是金属3D打印未来趋势 在此之前，EOS和SLM Solutions也推出了自动化的解决方案。 由EOS主导的“NextGenAM”新一代增材制造试验性生产线项目于2019年5月取得成功。该项目的实施基于一个复杂、可扩展的增材制造生产线，从数据准备到打印直至热处理、线切割、后处理以及质量检测等过程全部实现自动化，无需人工干预。 点击查看详情 自动化实现的基础是所有机器的网络化，全部由中央自动控制站发出命令并控制。生产线的核心是用于金属工业3D打印的四激光EOS M 400-4系统，它与其他外围设备如粉末站和拆包站等配合使用。无人驾驶运输系统和机器人确保零件在整条生产线间流动。无论实际生产过程如何，它们都可以执行单独的操作，如为新订单进行打印准备、已完成的部分进行拆包、零件机械加工等等。 SLM Solutions于2017年推出的SLM800打印机也在一定程度上推进了零件生产的自动化理念。SLM 800配置了自动化处理站，可以自动处理开箱、预热、冷却、粉末移除和粉末转移等过程。此外，它还集成了永久性过滤技术，熔池监测、多激光功率监测技术，机器控制优化软件和真空可选粉末供料单元等技术。SLM 800可以集成到自动化和全自动化的生产流程中。 SLM 800自动化装备 3D打印作为一种补充性、多功能且相对新型的制造手段，正在如火如荼的发展。如果抛开自动化谈金属3D打印的制造过程，很难界定它是否仍然属于劳动密集型技术，在当前的3D打印生产模式下，人发挥的作用至关重要，有些工作也是非人力所不能及。全流程的自动化不仅仅意味着控制系统以及硬件系统的成熟，更在于它可能解决了一些类似工艺规划、打印失败等关键问题的处理能力，使之更契合工业4.0的发展要求。 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.从传统加工的角度谈增材制造解决方案 2.EOS金属3D打印批量生产全自动化解决方案

激光增材制造金银材料可用于艺术品、首饰、手表等的定制化制造。铜是传统工业的重要材料，具有良好的导电性和导热性；铜的激光增材制造材料被广泛用于电子设备、热管理系统、交通运输、工业制造等领域。金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景，但也面临着重要问题:金、银、铜材料对激光的吸收率很低。 近日，来自南方科技大学和香港科技大学的研究人员总结了金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造的面临的问题和原料端现状，同时对这些材料的激光增材制造的未来发展趋势做出了展望。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。 金、银、铜激光增材制造面临的重要问题 金、银、铜材料对激光的吸收率很低。市面上大多数打印机用的是波长为1064nm左右的激光器。在此波长下，三种材料的反射率都达到了95%以上。如此高的反射率使金属粉末无法吸收足够的激光能量，导致熔化不充分，熔体湿润性差，难以铺展开，导致气孔和球化现象，打印态材料致密度低、性能差；同时打印中反射的激光可能会损害打印机的光学系统。 部分金属的反射率(室温下)曲线长波长下的反射率总体高于短波长下情况 克服高反射率成为采用激光增材制造打印金、银、铜等材料的关键，而另一方面，可供打印的贵金属粉末材料稀缺，高纯度的金粉和银粉甚至没有供应商。 增材制造用金、银、铜原料端现状作为金属激光增材制造产业链的重要环节，用于增材制造的金属粉体的制备及供应深受业界重视。研究人员调查发现，现阶段用于3D打印的铜及铜合金粉材供应面临以下两点挑战: (1)供应商少，由于铜和铜合金并非激光增材制造的主流材料，许多国内外知名的增材制造金属粉体供应商并不供应铜和铜合金粉末； (2)制粉技术不成熟。可供应铜和铜合金的厂商一般同时供应其他种类的增材制造粉末，如钛合金、钢、钴基合金、镍基合金等，并不专注于铜和铜合金的制备，这导致用于3D打印的铜和铜合金制粉技术不成熟，厂商可制备的铜合金粉体种类较少。 铜和铜的预合金粉末在1064nm波长下的反射率 专注于金、银等贵金属打印粉体生产和供应的厂商主要集中在欧洲，美国也有分布。用于制造首饰和手表的贵金属金银粉体主要为18K金粉及925银粉，应用于牙科的则是各种不同金含量的合金粉末。高纯度金粉和银粉没有供应商。 另一方面，金、银等贵金属的传统加工方法为在空气中熔炼，然后将液态贵金属倒入模具中浇铸出铸件，设备成本低。而采用激光增材制造的方法，虽然跳过了模具制作、熔炼和浇铸步骤，提高了定制化珠宝和少量零部件的生产效率，却增加了设备和粉末的成本。目前市面上能打印贵金属的打印机种类有限，售价高昂，如适用于打印金、银及其合金的EOSPre-ciousM080。因为激光增材制造对粉体要求高，贵金属粉材的制作、保存成本也非常高。 Cooksongold供应的18K 3N黄金粉、925银粉及打印效果 此外，国内增材制造粉体生产起步较晚，有少量公司可供应铜及铜合金粉材，但没有贵金属粉的供应商。且国内制粉公司面临着宣传有限等问题，许多公司的网站上甚至难以找到其供应的粉体信息。 金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造现状直接进行纯铜的激光3D打印难度很高，但最近几年研究人员已做了一些尝试。实验结果表明, 使用高功率激光可以提升激光打印纯铜的效果，相对密度甚至可以达到99%。然而, 使用高功率激光难以保证安全性,纯铜反射的激光可对打印机光学系统造成严重损害。目前，虽然一些主流的设备商宣称已经成功打印出纯铜产品，但在工业化应用中真正大规模打印纯铜的案例其实非常鲜见。 使用高功率激光打印纯铜12 h后的反射镜长时间暴露在反射激光下造成的损伤 对铜合金的打印研究则集中在锡青铜、形状记忆铜合金、黄铜，以及其他一些铜合金（铜和铜合金的激光3D打印案例图表详情，请查阅原文）。 金的激光3D打印最早见于英国团队在2008年对24K纯金的选区激光熔化研究. 在固定搭接间距与层厚的情况下, 他们探索了不同打印参数的打印效果,并绘制了24K金的打印工艺窗口，确定了最佳参数. 基于此打印出的黄金小方块层间孔隙很多,说明直接打印纯金不能得到致密的样品。其他研究则多集中在18K金的选区激光熔化，包括打印工艺以及粉末特性对成型的影响等等。 EOSPre-ciousM080纯金打印过程 银的3D打印也多停留在研究层面, 如工艺优化、数值模拟以及组织分析等。2012年有研究人员采用优化的工艺参数打印了复杂的多层结构戒指。 英国cooksongold打印的贵金属艺术品 然而受台阶效应和球化现象的影响，用选区激光熔化制造的产品表面质量与传统失蜡法浇铸的珠宝相比较差, 需要磨抛等后处理工艺。而由于产品形状复杂，后处理常常会用到手工打磨的方式，这增加了时间和金钱成本，成为贵金属激光打印的重要限制因素。 END 金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景, 但确实也面临着很多重要问题。理论分析指出光吸收率受材料的电导率和激光波长的直接影响，可采用混合粉末或表面改性的粉末替代原始预合金化粉末进行打印, 或用短波长蓝光或绿光激光打印, 是提高粉体对激光的吸收率、得到品质优良的打印态样品的行之有效的手段。 本期上传： 1.综述中文全文，包含提高金、银、铜等高反射率材料光吸收率的对策，国内外粉末供应厂商，及多张案例图表。 2.EOSPre-ciousM080贵金属3D打印机为防止粉末浪费进行的特殊设计和筛粉方式（视频）。 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.重点解析：铜材料的直接打印问题 2.通快采用绿激光打印纯铜

0 引言 增材制造(additive manufacturing，AM)技术(也称为3D打印技术)是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。2013年美国麦肯锡咨询公司发布的“展望2025”报告中，将增材制造技术列入决定未来经济的十二大颠覆技术之一。目前，增材制造成形材料包含了金属、非金属、复合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工艺能量源包括激光、电子束、特殊波长光源、电弧以及以上能量源的组合，成形尺寸从微纳米元器件到10 m以上大型航空结构件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型升级提供了巨大契机。增材制造以其强大的个性化制造能力充分满足未来社会大规模个性化定制的需求，以其对设计创新的强力支撑颠覆高端装备的传统设计和制造途径，形成前所未有的全新解决方案，使大量的产品概念发生革命性变化，成为支撑我国制造业从转型到创新驱动发展模式的转换。 增材制造已经从开始的原型制造逐渐发展为直接制造、批量制造；从3D打印，到随时间或外场可变的4D打印；从以形状控制为主要目的的模型、模具制造，到形性兼具的结构功能一体化的部件、组件制造；从一次性成形的构件的制造，到具有生命力活体的打印；从微纳米尺度的功能元器件制造到数十米大小的民用建筑物打印，等等，增材制造作为一项颠覆性的制造技术，其应用领域不断扩展。 经过近40年的发展，增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景，是先进制造的重要发展方向，是智能制造不可分割的重要组成部分。增材制造技术是满足国家重大需求、支撑国民经济发展的“国之重器”，已成为世界先进制造领域发展最快、技术研究最活跃、关注度最高的学科方向之一。发展自主创新的增材制造技术是我国由“制造大国”向“制造强国”跨越的必由之路，对建设创新型国家、发展国民经济、维护国家安全、实现社会主义现代化具有重要的意义。 1 发展现状 2018年，全球增材制造产业产值达到 97.95 亿美元，较2017年增加24.59亿美元，同比增长33.5%；全球工业级增材制造装备的销量近20 000台，同比增长17.8%，其中金属增材制造装备销量近2 300台，同比增长29.9%，销售额达9.49亿美元，均价41.3万美元。以美国 GE公司为代表的航空应用企业开始采用增材制造技术批量化生产飞机发动机配件，尝试整机制造，并计划2021年启用一万台金属打印机，显示了增材制造技术的颠覆性意义。相应地，欧洲及日本等发达地区和国家也逐渐把增材制造技术纳入未来制造技术的发展规划中，比如欧盟规模最大的研发创新计划“地平线2020”，计划7年内(2014—2020)投资800亿欧元，其中选择10个增材制造项目，总投资2300万欧元；2019年，德国经济和能源部发布《国家工业战略2030》草案中，将增材制造列为十个工业领域 “关键工业部门”之一；2014年日本发布的《日本制造业白皮书》中，将机器人、下一代清洁能源汽车、再生医疗以及3D打印技术作为重点发展领域；2016年，日本将3D打印器官模型的费用纳入保险支付范围。 我国增材制造技术和产业发展速度快，规模稳步增长，技术体系和产业链条不断完善，产业格局初步形成，支撑体系逐渐健全，已逐步建立起较为完善的增材制造产业生态体系。根据中国增材制造产业联盟的统计，在2015—2017年三年间，我国增材制造产业规模年均增速超过30%，增速高于世界平均水平；我国本土企业实现快速成长，涌现出先临三维、铂力特、华曙高科等一批龙头企业，产业发展速度加快。 1.1 创造能力在不断提升 增材制造在相关国家科技计划的持续支持下，已为我国航空航天、动力能源领域高端装备的飞跃发展和品质提升作出了重要贡献。目前我国已初步建立了涵盖3D打印金属材料、工艺、装备技术到重大工程型号应用的全链条增材制造的技术创新体系，整体技术达到国际先进水平，并在部分领域处于国际领先水平，如我国采用激光熔覆沉积技术实现了世界上最大、投影面积达16 m2的飞机钛合金整体承力框的增材制造；制造出了长达1.2 m的世界最大单方向尺寸的激光选区熔化钛合金制件，解决了传统方法难以实现的极端复杂结构的多结构、功能集成整体制造难题。同时，我国在增材制造技术的研究和产业发展方面已经形成一定的规模，从增材制造前处理模块产业到中游的设备制造和材料生产产业，再到下游的技术服务商和客户群体，已形成小规模的产业链。 我国于2016年底建立了支撑增材制造技术发展的研发机构——国家增材制造创新中心，旨在开发创新型增材制造工艺装备，专注于服务产业的共性技术研究，推进增材制造在各领域的创新应用，聚焦技术成熟度介于4—7级的产业化技术的孵化与开发，为我国增材制造领域提供创新技术、共性技术以及信息化、检测检验、标准研究等服务。同时一批省级增材制造创新中心也相继成立或宣布筹建，形成了国家级、省级增材制造创新中心协同布局的发展格局，逐渐形成以企业为主体、市场为导向、政产学研用协同的“1+N”增材制造创新体系。 1.2 产业规模快速增长 我国增材制造产业仍处于快速发展阶段，产业规模逐步增长。2018年，中国增材制造产业产值约为130亿元，相较于2017年的100亿元，同比增长30%。根据中国增材制造产业联盟对40家重点联系企业的统计结果显示，2018年，这些企业的总产值达40.63亿元，比2017年的32.83亿元增加7.8亿元，同比增长23.8%。2018年，中国增材制造装备保有量占全球装备保有量的10.6%，仅次于美国(美国的该参数为35.3%)，位居全球第二。 我国增材制造产业已初步形成了以环渤海地区、长三角地区、珠三角地区为核心，中西部地区为纽带的产业空间发展格局。其中，环渤海地区是我国增材制造人才培养中心、技术研发中心和成果转化基地。长江三角洲地区具备良好经济发展优势、区位条件和较强的工业基础，已初步形成了包括增材制造材料制备、装备生产、软件开发、应用服务及相关配套服务完整的增材制造产业链。珠三角地区，随着粤港澳大湾区建设的推进，增材制造产业将得到进一步集聚。中西部地区，陕西、广东、湖北、山东、湖南等省份是我国增材制造技术中心和产业化发展的重点区域，集聚了一批龙头企业和重点园区。 1.3 应用领域持续拓展 增材制造技术应用已从简单的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向发展，各领域应用持续拓展，尤其在航空、航天、医疗等领域的应用更为深入。以北京航空航天大学、西北工业大学、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安铂力特增材技术股份有限公司为代表的金属增材制造产学研链条高校和企业，已初步建立了涵盖3D打印金属材料、工艺、装备技术到重大工程型号应用的全链条增材制造的技术创新体系，整体技术达到了国际先进水平，并在部分领域居于国际领先水平。除此之外，在航空航天领域，中国航空发动机集团成立了增材制造技术创新中心，旨在推动增材制造燃油喷嘴等零部件逐步走向规模化应用；2018年发射的嫦娥四号中继卫星搭载了多个采用增材制造技术研制的复杂形状铝合金结构件。在医疗领域，目前已有5个3D打印医疗器械获得CFDA(中国食品药品监督管理总局)批准上市，尤其是2019年初，第二类医疗器械定制式增材制造膝关节矫形器获批上市，标志着CFDA认证的增材制造医疗器械正从标准化走向个性化。在消费领域，先临三维科技股份有限公司量产3D打印鞋的数量已超过一万双，显示了3D打印技术在制鞋行业中的应用前景。 2 问题与挑战 从总体研究和产业发展来看，与大多数“一带一路”新兴国家相比，我国增材制造技术处于绝对领先地位，但与欧洲、美国、日本等发达地区和国家相比，我国在基础理论、关键工艺技术以及高端装备等方面仍存在较大的差距。在高端增材制造装备商业化销售市场，美国和德国还占据着绝对优势；我国高端增材制造装备的核心元器件和商用软件还依赖进口；系统级创新设计引领的规模化工业应用还主要在美欧国家。欧美日等发达地区和国家借助资金、人才、技术和市场的优势，在增材制造与激光制造基础理论、核心器件、工艺和装备、产业应用等方面均处于领跑水平。我国增材制造研究及产业发展面临的问题和挑战主要包括以下几个方面。 2.1 原始创新和变革性技术不足 近些年增材制造具有变革性的技术均来源于国外，一些显著影响增材制造全局的重大技术进步都来自于美欧国家，如德国的电子束高效增材制造装备、MIT和惠普的金属粉末床黏结剂喷射打印技术、空客公司的增材制造专用铝合金Scalmalloy等。国内相关技术仍然处于跟跑位置，原始创新能力有待加强和引导。 2.2 自主创新和标准的体系尚待完善 从技术创新层面看，知识产权和专利技术一直是各国抢占战略制高点的主要战场。目前以欧、美、日等发达国家和地区构建的专业技术壁垒对我国企业在增材制造和激光制造领域的布局和研究产生了较大程度的冲击。为打破国外技术壁垒和封锁，拥有一套核心自主知识产权体系是我国发展增材制造产业的重中之重。标准层面来看，技术标准研究往往引领产业发展，如何推行完善的行业准则，使增材制造和激光制造的产品符合商业化的应用是我国增材制造和激光制造标准化发展的瓶颈。因此，建立完善的专用材料、工艺和设备，以及产品的检测和评价规范与标准也是未来所面临的挑战之一。 2.3 增材制造形性主动控制难度大 控形与控性是增材制造工艺的两个重要考察指标。但是，增材制造过程中材料往往存在强烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程，同时伴随着复杂的形变过程，以上过程影响因素众多，涉及材料、结构设计、工艺过程、后处理等诸多因素，这也使得增材制造过程的材料—工艺—组织—性能关系往往难以准确把握，形性的主动、有效调控较难实现。因此，基于人工智能技术，发展形性可控的智能化增材制造技术和装备、构建完备的工艺质量体系是未来增材制造面临的挑战之一。 2.4生物增材制造器官功能化困难 生物制造是未来的重点发展方向。现有生物墨水体系仿生度低、可打印性差、种类少，打印工艺稳定性及效率低、与生物墨水匹配性差，打印组织结构存在营养物质输送局限，因而无法实现真正功能化。未来需要攻关的关键核心技术包括：高精度微观仿生设计及单细胞微纳跨尺度建模与组装；多尺度、多组织的生物3D打印高效调控技术；血管自组装与网络建立；保证打印大体积组织的维持、存活的生物反应器的制造。随着生物医用材料从“非活体”修复到“活体”修复的趋势转变，生物制造面临的战略性前瞻性重大科学问题包括：如何实现生物医用材料的活性化、功能化构建，甚至构建功能性组织器官，满足组织器官短缺、个性化新药研发等重大需求。 3 方向发展 过去五年，增材制造实现了爆发式发展，从一个个的研究点发展为一个热点的科学技术领域。目前增材制造研究覆盖了增材制造新原理、新方法、控形控性原理与方法、材料设计、结构优化设计、装备质量与效能提升、质量检测与标准、复合增材制造等全系统，成为较为完整的学科方向。我国增材制造的发展要基于科学基础的研究，面向国家战略性产品和战略性领域的重大需求，瞄准世界先进制造技术与产业发展的制高点，抓住我国“换道超车”的历史性发展机遇，从而为我国2035年成为世界制造强国的重大战略目标提供支撑。为此，要以增材制造的多学科融合为核心，通过多制造技术融合、多制造功能融合，向制造的智能化、极端化和高性能化发展，必须通过自主创新重点掌握如下制造技术与装备。 3.1 加强基础科学问题研究 由于增材制造技术的发展历史较短，随着技术的发展，很多传统的机理研究理论无法应用于增材制造的物理环境和成形机制。从基础科学入手加强增材制造新问题的研究是首先需要面对的科研方向。在近期内需要解决的科学问题主要有： (1)金属成形中的强非平衡态凝固学。由于增材制造过程中的材料与能量源交互作用时间极短，瞬间实现熔化—凝固的循环过程，尤其是对于金属材料来说，这样的强非平衡态凝固学机理是传统平衡凝固学理论无法完全解释的，因此建立强非平衡态下的金属凝固学理论是增材制造领域需要解决的一个重要的科学问题。 (2)极端条件下增材制造新机理。随着人类越来越迫切的探索外太空的需求，增材制造技术被更多地应用于太空探索领域，人们甚至希望直接在外太空实现原位增材制造，这种情况及类似极端条件下的增材制造机理以及增材制造制件在这种服役环境下的寿命和失效机理的研究将是相关研究人员关注的问题。 (3)梯度材料、结构的增材制造机理。增材制造是结构功能一体化实现的制造技术，甚至可以实现在同一构件中材料组成梯度连续变化、多种结构有机结合，实现这样的设计对材料力学和结构力学提出了挑战。 (4)组织器官个性化制造及功能再生原理。具有生命活力的活体及器官个性化打印是增材制造在生物医疗领域中最重要的应用之一，但无论是制造过程的生命体活力的保持，还是在使用过程中器官功能再创机理的研究，都还处于初期阶段，需要多个学科和领域的专家学者共同努力。 3.2 解决形性可控的智能化技术与装备 增材制造过程是涉及材料、结构、多种物理场和化学场的多因素、多层次和跨尺度耦合的极端复杂系统，在此条件下，“完全按照设计要求实现一致的、可重复的产品精度和性能”以及“使以往不能制造的全新结构和功能器件变为可能”是增材制造发展的核心目标。结合大数据和人工智能技术来研究这一极端复杂系统，在增材制造的多功能集成优化设计原理和方法上实现突破，发展形性主动可控的智能化增材制造技术，将为增材制造技术的材料、工艺、结构设计、产品质量和服役效能的跨越式提升奠定充分的科学和技术基础。在此基础上，发展具有自采集、自建模、自诊断、自学习、自决策的智能化增材制造装备也是未来增材制造技术实现大规模应用的重要基础。同时，重视与材料、软件、人工智能、生命与医学的学科交叉研究，开展重大技术原始创新研究，注重在航空航天航海、核电等新能源、医疗、建筑、文化创意等领域拓展增材制造技术的应用，是我国增材制造技术可望引领世界的关键之所在。形性主动可控的智能化增材制造技术和装备的发展将有望带动未来增材制造技术的前沿发展，从而提升增材制造技术应用的可靠性，创造出颠覆性新结构和新功能器件，更好地支撑国家及国防制造能力的提升。 3.3 突破制造过程跨尺度建模仿真及材料物性变化的时空调控技术 增材制造过程中材料的物性变化、形态演化以及组织转化极大地影响了成形的质量和性能，是增材制造实现从“结构”可控成形到“功能”可控形成的基础和关键核心。开展增材制造熔池强非平衡态凝固动力学理论研究、“制造过程的纳观-微观-宏观跨尺度建模仿真”技术研究，以及“微米-微秒介观时空尺度上材料物性变化的时空调控”研究，是提高我国增材制造领域竞争力、突破技术瓶颈的重要基础。 以功能需求为导向，主要研究针对高分子、陶瓷等有机/无机非金属材料，甚至细胞、因子、蛋白等生物活性材料的增材制造工艺，进行兼具成形性能和功能要求的制造过程纳观-微观-宏观跨尺度建模仿真，以及微米-微秒介观时空尺度上的原位和透视观测技术与装置的研究与开发，建立相应的多尺度、多场计算模拟模型，在高时空分辨率下，研究和揭示非金属、生物材料、细胞等在挤出、喷射、光固化等典型增材制造过程中的物性变化、形态演化、组织转化甚至细胞的基因转入等细节过程及其影响因素，掌握工艺现象的本质原理和成形缺陷的形成机制，为改进和提高现有工艺水平、提升制件质量、突破技术瓶颈奠定理论基础。在此基础之上，与人工智能、大数据和深度学习等技术结合，突破先进智能材料、柔性材料、响应性材料、生物活性墨水的增材制造关键技术工艺，研究打印过程中以及打印后材料物性变化规律和调控规律。 3.4 注重发展未来颠覆性技术 太空打印、生物打印(生物增材制造)是增材制造两个具有颠覆性引领性质的重大研究方向，它们既关系到我们的空天科技及生命科学前沿，又直接关系到我们的国防安全及健康生活。 太空打印可以以小设备制造大装置，可以在太空制造巨型太阳能电站，建立月基发射基地，乃至发展成太空装备新材料，实现把制造搬到天空去的美好愿望。太空打印是我们走向太空的阶梯。 生物打印已经在人工心肺制造方面显示了良好的开端，我国应大力发展生物打印技术，实现新一代智能型医疗器械、生物机械装置及体外生命系统等的原创性技术工艺的突破，从而占领基础研究和产业应用的制高点，实现我国新型生物医疗器械领域的自主创新及转型升级。 4 发展思路 增材制造是我国实体经济转型升级的利器。围绕国家制造业强国战略，针对国民经济和国防安全的需求，增材制造应开展新材料、新结构、智能控制、组织和性能调控、精度调控等研究，为增材制造主动形性调控和智能化发展奠定基础。我国在增材制造领域正处在高速发展期，但是与欧、美、日等发达国家和地区相比，我国增材制造技术及设备还处于劣势，所以推进增材制造技术和装备的升级和革新显得尤为重要，这也是我国抢占战略制高点的重要环节。为此要推动高可靠、高性能、高精密增材制造工艺与装备及其配套技术的创新性发展。在生物增材制造领域，聚焦组织器官重建，重点围绕细胞/组织/器官芯片打印等进行生物增材制造核心技术、工艺及装备开发的研究，以攻克组织器官再造技术瓶颈，尽快实现皮肤等软组织修复产品、血管、软骨、膀胱等简单结构组织器官及肿瘤等病理模型的制造，在临床、个性化药物筛选与病理研究、组织再生医疗和细胞治疗等领域初步应用，以期提升我国生物制造核心技术水平，使之实现国际 “并跑”甚至“领跑”。 增材制造的发展将遵循“应用发展为先导，技术创新为驱动，产业发展为目标”的原则。应用方面需结合增材制造工艺特点进行产品设计和优化、创新型应用的开发、个性化定制生产等，以拓展增材制造的应用领域；利用增材制造云平台等新模式拓展增材制造的应用路径；结合增材制造设备和技术的高精高效发展特点，应提高增材制造批量化生产能力，拓展领域规模化应用；结合增材制造设备的多样化生产特点，可推广增材制造产品在社会各行各业的应用。同时，产业可持续发展方面，力求建立健全的增材制造产业标准体系，结合云制造、大数据、物联网等新兴技术及其他基于工业4.0的智能集成系统，促进增材制造设备和技术的全面革新，培育一批具有国际竞争力的尖端科技和制造企业，最终实现增材制造产业的快速可持续发展。生物增材制造需有效促进先进技术转化应用落地，构筑总产值达千亿元的生物增材制造创新产业体系，培育生物增材制造产业国际性领军企业，带动我国再生医学、生物材料、医学工程等多个相关产业快速发展。 作者简介： 卢秉恒，男，1945年生，中国工程院院士，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室教授、博士研究生导师，《中国机械工程》第五届编委会主任。研究方向为先进制造技术。

导读：美国航空航天的发展，成就GE航空和GE增材；而与美国的差距，让国内航空航天领域金属3D打印市场的需求缺口远远超过美国，这也将催生出中国金属3D打印世界巨头。（本文内容由亿欧网首发） 航空航天领域一直是科技发展的最前沿，聚集了一个国家众多的高精尖技术。因此，航天科技水平也是国家工业实力的体现。 作为航空航天领域的技术结晶，时下最新升空的飞行器中的许多重要零部件——如C919大型客机发动机中的“燃油喷嘴”、航天卫星上的“支架”——都是由金属3D打印技术制造。这在十几年前，还只能出现在科幻小说中。 科创板3D打印第一股铂力特（688333）就是研发金属3D打印技术中的佼佼者，自2011年成立起便专注于工业级金属3D打印。目前，铂力特已经自主研发了十余个型号的3D打印设备，其3D打印零件产品也已经应用于民用飞机、先进战机、无人机、新型导弹、空间站和卫星等高精尖领域。 近几年，铂力特发展迅速，2016年至2019年，该公司营收从1.6亿元增长至3.2亿元，复合年均增长率达到26%。 但是，如今70%的3D打印企业都面临亏损。这种局面之下，铂力特将如何保持盈利？同时，在国内蓬勃发展的航空航天产业强势驱动下，其能否成长为本土金属3D打印巨头？ “买”出来的3D打印巨头 金属3D打印由于可以快速制造复杂精密构件，还可以降低材料成本、减轻材料重量，被广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶制造、能源动力、医疗健康等众多前沿科技领域。 纵观全球金属增材制造市场，目前行业头部公司主要包括：德国EOS、美国3D systems（DDD.NYSE）、德国SLM solution（ETR: AM3D）以及美国GE增材（GE.NYSE）。如果分析已上市的3D systems和SLM solution的财报，就会发现它们2018年都处于亏损状态，分别亏损4600万美元、1338万欧元。 反观铂力特，虽然营收规模与3D systems和SLM Solution仍有一些差距, 但其净利润在2016年至2019年间一直保持增长，从3132万元增至7361万元。 利润能保持增长也得益于铂力特与航空航天领域的紧密结合，目前，铂力特过半的营收都来自于航空航天领域，2018年该公司在航空航天领域营收1.8亿元，占总营收的62%。 值得注意的是，营收的一大部分也来自于3D打印定制化产品，2018年铂力特3D打印定制化产品贡献了该公司42%的营收。 铂力特客户所属行业营收占比 这也让铂力特和美国GE增材有了一些相似之处。有趣的是，铂力特与GE增材制造公司曾于2017年和2018年先后获得“全球3D打印OEM奖（企业）”。 美国GE增材是一家全球领先的金属3D打印装备及服务供应商，与铂力特不同，GE增材单从名字上就能看出其与通用电气有着必然的联系，而它也正是通用电气这个市值超过600亿美金的庞然大物在3D打印领域的部署企业。 这个创立于1892年的世界最大技术和服务业务跨国公司，经过百年的发展，其业务已经涵盖了航空发动机、电气设备、航空服务、工业系统等多个领域。 而GE增材的发展一直依托于GE航空这个强有力的“靠山”，航空发动机燃油喷嘴也是GE增材实现快速发展的“诱因”。 燃油喷嘴是发动机燃烧室中的关键零部件，它决定了燃油的稳定燃烧以及燃烧效率。 GE新喷嘴头将20个组件合而为一 2010年，GE航空成立增材制造部门，在2012年GE成功用增材制造的方式制造了第一个燃油喷嘴，而为了保证服务稳定性，财大气粗的GE开启了在3D打印领域的疯狂收购。 2012年GE先是收购Morris Technologies，使其初步具备了一定的3D打印技术服务能力；2013年，收购意大利航天公司AVIO，掌握了“电子束选区熔融技术”技术，并用于制造钛铝合金低压涡轮机叶片； 2016年，GE先后斥资6.85亿美元以及5.99亿美元收购了两家世界领先的金属3D打印公司，瑞典Arcam与德国Concept Laser。随后，在整合了行业众多优质资源后，GE Additive公司（GE增材）成立。 至此，GE一跃成为全球最大的3D打印厂商，也完成了从增材制造应用向增材制造装备及服务供应商的转变。如今，GE增材已经打印了超过3万个航空发动机燃油喷嘴，并实际应用于其最先进的“LEAP发动机”中，空客A320 NEO、波音737 MAX和中国国产C919大型客机都采用了Leap引擎。 GE的成功可以复制 虽然，大规模的收购让GE快速切入金属3D打印领域，并成为这一领域的领头企业，但这一切的背后，GE航空功不可没。 GE航空是世界领先的民用、军用、公务和通用飞机喷气及涡桨发动机、部件和集成系统制造商，全球每2秒钟就有一架应用GE发动机技术的飞机起飞，而它的发展也可以看作是美国航空产业发展的缩影。 100年前，从GE研发的涡轮增压器首次解决飞机发动机在高海拔地区性能减弱的问题开始，GE正式进入航空领域。随后，GE航空相继创造了很多“第一”，其研发了美国第一台喷气式发动机、世界第一台大“涵道比”涡扇发动机、旗下CFM56系列发动机更是成为航空史上首个实现10亿飞行小时的发动机系列。 可以说，GE推动了美国航空产业的发展，而美国航空产业也成就了GE航空。百年的资源积累，让GE增材能够与自身产业快速融合，与其他金属3D打印公司为了业务四处奔波不同，仅仅是来自GE航空的需求就足够竞争对手“眼红”，不仅如此，GE医疗、GE工业也将继续推动其3D打印业务发展。 GE9X发动机上的3D打印部件 与GE增材不同，市值仅37亿元的铂力特背后并没有其他强大的业务线支撑，资金实力也不足以整合收购业内巨头。但相同的是，它们都背靠各自国家的航空航天产业，而铂力特的客户也是中国航空工业集团有限公司、中国航空发动机集团有限公司、中国航天科工集团有限公司等在中国航空航天领域拥有垄断地位的超级巨头。 除此之外，我国在航空航天领域的全力追赶，也给了铂力特一个成长为世界巨头的机会，GE航空正是抓住了同样的机遇才奠定了当前的市场地位。 先看民用、军用飞机领域，根据《World Air Force 2018》报告统计数据，中美两国的航空装备存在着相当大的差距。从数量上看，中国军用飞机数量仅为3036架，而美国军队飞机数量高达13407架。我国军机更新换代，飞机种类、数量提升空间巨大。而民用飞机市场同样拥有巨大潜力。据中国商飞预测，未来二十年，中国航空市场价值约1.4万亿美元。 我国新一代军机普遍使用3D打印技术 再看航天领域，在过去的2019年里，中国的航天发射总次数达到34次，连续两年成为全球年度航天发射次数最多的国家。2020年也被称之为“航天超级年”，这一数字将有望突破40次。不仅如此，北斗导航卫星全球系统、探月工程、载人空间站等重大航天计划的稳步推进，也让中国航天产业的前景一片光明。 眼下，铂力特金属3D打印设备的技术参数已经基本追上世界巨头德国EOS公司同类产品水平，其所生产的S500、S600等大型SLM设备解决了我国大型航空航天精密复杂构件的生产制造瓶颈问题；S310型号设备也通过了空中客车公司认证，成为空客A330机型增材制造项目主要设备。 铂力特大尺寸金属3D打印产品 同时，铂力特增材制造的零件已经批量应用于7个飞机型号、4个无人机型号、7个航空发动机型号、2个火箭型号、3个卫星型号、 5个导弹型号、2个燃机型号、以及1个空间站型号。 接下来，随着我国航空航天产业的不断发展，铂力特受益可期。除此之外，中国作为“世界工厂”，在其他工业领域也将为铂力特带来巨大的“舞台”。金属加工所及之处，3D打印都有机会。 美国航空航天的发展，成就GE航空和GE增材；而与美国的差距，让国内航空航天领域金属3D打印市场的需求缺口远远超过美国，这也将催生出中国金属3D打印世界巨头。 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.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 2.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大

利用太阳能进行海水淡化具有重大的应用前景。为提高海水淡化速率和提高能源利用效率，研究人员提出了利用新型光热转换材料降低热损耗、构筑有效的水/蒸汽传输界面，以及提高光热转换材料的耐用性等策略。然而，目前的海水淡化装置能耗较高，海水淡化的效率、耐久性均有待提高，尤其是盐度升高后的持续淡化仍然是一个巨大挑战。 最近，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中科院化学所绿色印刷重点实验室科研人员在前期构建的快速连续3D打印体系基础上，与美国麻省理工学院合作，利用3D打印技术构建了三维锥形不对称结构蒸发体系，在高盐度下实现了高效太阳能利用和高速水蒸发。为实现高效的光热转换和海水蒸发，通过有效热管理实现高效水传输和蒸发至关重要。 仿生3D蒸发器的设计灵感来自鸟喙和猪笼草近口表面的非对称毛细棘齿的超强液体输送特性 蒸发器采用DLP技术进行打印，研究人员在紫外光固化树脂中添加了碳纳米管和柠檬酸钠，其中前者作为光热材料，后者则作为作为三维蒸发器的表面分布造孔剂。在连续打印过程中，由于切片厚度（5μm）远小于颗粒尺寸，柠檬酸钠颗粒不能随填充树脂流动，因而会在固化结构的表面凝固，待除去表面的柠檬酸钠后，三维结构表面就形成了微孔。 一次阳光照射下水/蒸汽界面蒸汽扩散通量的数值模拟 研究表明：所设计的3D锥形结构表面可以束缚梯度厚度的水膜，同时3D蒸发器的不同高度对太阳光的吸收不同，导致水的蒸发存在蒸发梯度，主要的蒸发位点为3D结构的顶部，因此水膜沿3D结构的侧壁呈现温度梯度，并由于马兰戈尼效应使水流向更快的蒸发区域，从而显著提高水蒸发速率和能量的利用效率。高盐度水蒸发时，水膜厚度梯度和蒸发场梯度导致3D结构表面存在盐的浓度梯度和顶部盐结晶特征，结晶的盐很容易去除，因而可以连续工作。该系统的海水淡化速率达1.72 kg m-2 h-1，有很强的应用前景。 该研究成果近日发表于Nature Communications，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.哈佛：多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统实现功能器件制造 2.光固化创新突破：一种无支撑多材料成型方法

本文所讲述的案例亮点在于，火箭发动机完全使用人工智能驱动设计，并采用3D打印将燃烧室和表面冷却流道等多组件实现一体式构建。在此基础上，我们将讲述AI如何融入增材制造的前后端制造链。 火箭发动机在燃烧过程中，燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过 1000℃。为防止材料失效，结构设计就非常关键。为了达到这一目的，火箭发动机会采用再生冷却结构，液体燃料在进入燃烧室前，会通过燃烧室壁上的冷却管道向上输送，这个过程一方面降低了燃烧室的温度，另一方面燃料吸收的热量又回到燃烧室得以“再生”。 在传统生产方式中，冷却管道是通过在毛坯上钻孔，随后再通过多个繁琐的工作步骤进行密封得来，结构设计受到传统制造手段的诸多制约，燃烧室的冷却效率也因此受到影响。近些年来，采用选区激光熔化技术来制造火箭发动机的案例已经非常多，其最典型的优势就是实现了多个结构的一体化制造。在此情况下，结构设计相比制造本身而言，就更加重要。 AI突破人类思维，创建全新设计概念 总部位于德国的软件开发商Hyperganic，通过采用尖端技术和算法来生成结构复杂且功能强大的设计。其团队借助AI驱动的设计平台生成了具有整体优化设计的火箭发动机原型，与传统火箭发动机需要进行零件单独设计然后组装的形式不同，通过AI设计的发动机将燃烧室和表面通道等多个组件自主集成到了一个结构中。 在发动机创建过程中，设计人员在软件中输入了发动机的核心功能，包括燃烧室的形状和冷却性能要求。基于此数据，算法生成了符合所有规格的几何图形。 借助AI设计零件提供了一个新的视角。虽然设计师可以跳出框架进行思考，但设计过程通常需要重新考虑现有设计或使用参考框架。但AI却不会有人的这些心理约束，它可以自由的创建全新的设计概念，同时仍然满足性能要求。这个过程中，设计师的角色更多的转变为对结构功能等的设定。 简化设计，减轻重量，提高散热效率 Hyperganic的创新设计为传统火箭发动机提供了整合的替代方案。Hyperganic设计总监表示，这种简化的设计还可以减轻重量并提高散热效率。轻量化的实现部分是通过将多孔几何形状集成到发动机外部来实现的，同时内部结构仍保持坚固。 该设计由EOSM290进行打印，采用IN718高温合金，研究人员将对测试结果进行分析并将其反馈到设计软件中，以进行设计迭代。Hyperganic目前正在与多家航空航天公司就其发动机设计方法进行谈判。 借助AI进行先进结构设计确实更为先进，这对于发挥3D打印的优势更是显而易见。然而，去年欧洲专利局拒绝了针对AI设计产品的专利申请，并指明，发明人必须是人类。虽如此，AI几乎已经全面融入3D打印。 AI几乎已经全面融入3D打印 材料设计 在材料设计领域，机器学习和预测建模是AI的一个强大子集，它可以加速新材料的设计过程。设计人员只需在程序中输入所需的材料属性，算法就可以预测哪些化学元素可以在微观层面上组合，从而创建具有所需功能和属性的结构。 德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所执行了一项名为futureAM的项目，即借助AI和3D打印来寻找超级合金的合适配方。项目人员通过使用人工智能和机器学习来研究大量监测数据与实际工艺效果间的联系。例如，特殊分析算法将测量的传感器值与研究所的粉末数据库相关联，通过评估工艺参数，机器将自己做出决策并选择出合适的工艺组合。使用激光粉末堆焊技术，结合优化出的工艺参数，可以同时或连续地将不同粉末送入加工区，精确调节进给速率，性能最好、最昂贵、高抗性的材料只在最需要的位置释放，其他非关键区域可采用价格较低的材料。 工艺预测 金属3D打印对人的依赖性极大，一键打印的畅想仍停留在概念阶段。在不考虑零件设计的前提下，仅打印零件的摆放、支撑添加，打印过程中遇到问题的解决，均离不开专业人员的干预。而这些专业人员还须具备丰富的材料学经验，这无疑对技术普及应用带来了极大不便。 在去年的波士顿人工智能峰会上，GE全球研究中心增材制造项目负责人Brent Brunell谈到，在工业金属3D打印的背景下，对AI的需求正在呈现日益增长的趋势，这一过程通常又与仿真相关。GE研究人员将人工智能与仿真结合，推进计算结果的准确性和有效性。Brent Brunell提到，这是金属增材制造实现广泛工业化的重要保障。 GE的研究人员正在努力将AI集成到工业3D打印机和过程中，目前已经可以借助人工智能确定零件打印的正确参数。未来，GE希望提高计算速度和计算能力，实时处理打印过程中出现的问题。 未来智造 人工智能显然可以集成进入3D打印工厂，并改变制造业的未来。 位于伦敦的AI Build公司，开发了一种基于AI的自动3D打印技术。其设备配有智能挤出机，能利用机器视觉算法分析正在打印的结构，可以检测缺陷问题，并能做出自主决定。它是一个使用工业机器人和机器学习软件的大型3D打印平台。 自动3D打印工厂的可能性现在已成为现实，这将大大节省时间并降低人工成本。事实上，使用打印机和人工智能可以自行决定并打印可行的部件，工厂的时间和资源可以专注于更多其他任务，这是一场真正的革命。 AI Build正致力于机器自动识别、自主学习错误并创建真正错综复杂结构的打印机，这将帮助增材制造技术走得更远。 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.GE增材 : 金属3D打印的广泛工业化须受益于人工智能 2.采用人工智能和3D打印设计超级材料 3.金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法

近年来，金属3D打印正迅速成为最受欢迎的工业制造技术之一。它可以生产传统工艺无法制造的形状和特征，包括晶格、有机拓扑和复杂型芯结构以及冷却流道等。激光粉末床熔融技术（SLM）通过有选择地逐层熔化金属粉末直到形成零件，可生产出具有良好表面光洁度的铝、钢、镍以及钛合金零件。 SLM技术制造的17-4PH不锈钢皮带齿轮 SLM技术在航空航天领域具有可观的应用价值，并具有广泛的应用案例，波音777X所配备的GE9X发动机上面有数百种金属3D打印零件（点击）。3D打印部件比其前代产品具有更好的性能，更轻的重量和更少的组装部件。仅燃料成本的节省就足以证明GE Additive对金属3D打印基础设施、研发和质量保证的投入是完全合理的。 对于GE而言，这不是一夜之间的突然成功，而是研究、测试和工程的战略协调结果。在过去的十年中，GE收购了主要的金属3D打印服务商、原始设备制造商以及原材料供应商，以确保其供应链的安全。但是，那些没有能力进行收购行为的公司如何尽快的使用金属3D打印来增加工业附加值呢？当前，最好的方式是采用该技术为工业装配的内部组件增加价值。 复杂形状可能很难用传统工艺生产，但对于3D打印而言则相对简单 SLM技术多用于具有较高准入门槛的行业，也是所有3D打印技术中产品化最为复杂的技术。它对金属粉末的规格以及操作人员的个人防护有特定的要求，对成功完成打印和后处理需要有稳定的惰性气体供应以及一系列的设备要求。由于这些额外的费用和附加设备，许多公司采用外协来使用该技术，自己只提供设计。 除了快速原型制作之外，SLM技术多用于创建专门设计的轻量级组件。对于应用领域，3D打印定制组件是一种简单的方法。采用3D打印制造的铝合金，可以直接替代传统的金属铸件。对于泵和压缩机壳体，3D打印的替代品通常可以使用相同的设计文件，并在1-2周内按需生产单个零件，而如果交给铸造厂生产则需要数周甚至数月。 金属3D打印可以直接替代铸造部件，图为SLM打印的铝合金泵歧管 SLM技术的另一个优点是部件几乎完全致密而不需要微孔浸渍密封工艺。与工业金属铸件相比，SLM技术具有更多优势，原型和设计修改可以使用与最终产品完全相同的材料进行打印，这样可以快速进行产品验证，加速迭代。 金属3D打印的零件通常隐藏在整个组件中，用来提升整个产品的性能。无论是工业外壳、组合式支架、复杂歧管还是其他特定用途的组件，都可以进行3D打印可行性评估并制定可行的解决方案。工业部件的生产方式正在从传统工艺过渡到金属3D打印。 本期上传： 3dpbm-医疗增材制造-2020调查报告 3dpbm-汽车增材制造-2020调查报告 3dpbm-消费品增材制造-2020调查报告 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.传统加工技术的代表企业GF推出更加完整的增材制造解决方案 2.发动机涡轮叶片的传统与3D打印制造过程 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：工业生产：从传统工艺过渡到金属3D打印

材料是增材制造技术的基础，新材料的创造有望为增材制造技术增添新的内涵，并扩展这一先进技术的应用领域，从而为增材制造技术的未来发展提供新的机遇。应用增材制造技术“创造材料”的概念是基于从“使用材料”到“开发材料”逐步进化的科学过程。有研究表明，增材制造技术可以从根本上改变或扩展与结构-属性-工艺合成-性能相关的传统材料科学研究和工程应用，多种材料和多尺度结构为优化零件的整体性能提供了可能的途径。 结合材料设计，增材制造技术在新材料研究方面将有非常广泛的应用前景和研究价值。中国航发北京航空材料研究院的研究人员在此前发表综述性文章，较全面地呈现了增材制造技术在新材料研究方面的研究进展，重点评述了增材制造的材料设计，原料的选择，制造过程中的冶金行为和合成原理，以及由此产生的微观组织和性能，以及这些因素之间的关系。在此基础上，提出今后的研究方向或思路。 文章亮点 （1） 综述了近年来增材制造技术在制备新材料方面的研究进展； （2） 从材料冶金、界面反应等角度评述了一些令人鼓舞的结果； （3） 强调运用增材制造技术“开发新材料”或“创造新材料”的理念； （4） 提出目前在增材制造领域仍存在一系列有待解决的科学、技术和工程问题。 重要知识 （1）粉末粒度和粒度分布的影响——粉末粒度分布对其流动性和热行为以及制品的机械性能有重要影响，增材制造部件的成形质量可由颗粒尺寸、尺寸分布、表面粗糙度和形状确定。 （2）精细微观结构的制备方法——激光增材制造过程中的原位反应，在原材料中添加难熔颗粒和添加稀土元素是有利于在增材制造构件中形成更精细微观结构的三个重要方法。另一方面，将磁场、振动或其他辅助措施结合到激光增材制造过程中，对改善激光增材制造构件的微观结构和性能具有很大的潜力。综合应用以上这些手段，将研究开发出一系列性能优异的新材料，因此这个领域充满了创新机遇。 （3）通过增材制造创造新材料——增材制造过程是一种的典型的极端非平衡凝固过程，其熔化和凝固行为完全偏离了常规制备工艺的平衡/近平衡凝固过程，这为增材制造新材料的研发提供了想象空间。采用增材制造工艺开发功能梯度材料、陶瓷增强金属基复合材料、超高温陶瓷或陶瓷基复合材料、高熵合金等新材料具有重要的研究和应用潜力。增材制造为新材料的研发开辟了全新的可能性，而这些材料可能难以通过传统工艺制备。 （4）高附加值产品修复与再制造——增材制造技术不仅可以应用于结构和材料的制备，还可以应用于零件的修复与再制造。针对具有经济价值高、制造周期长的这一类构件，例 如航空发动机和燃气轮机零部件，对零部件服役损伤和加工缺陷进行增材制造修复与再制造，可以有效节约成本，缩短周期。 （5）深刻理解和应用增材制造新材料的挑战——未来新材料增材制造面临的主要挑战包括：为获得增材制造部件所需的性能进行原材料设计；控制成形过程中的应力和变形、深入理解成形工艺和合成原理的；微观结构和性能的可再现性；降低各向异性程度的必要性；制造部件内部缺陷的预防，部件的无损检测，以及增材制造材料或相关部件制备的标准制定。采用计算机模拟精确预测微观组织结构，建立增材制造新材料的综合力学性能数据库，会变得非常必要，未来也许要花很长时间才能解决这个复杂的问题。 END 针对增材制造用材料，加强现有材料筛选、优化和制备研究，建立增材制造用材料标准体系；针对增材制造结构工艺控制，加强尺寸和设备精度、工艺路线合理化、过程质量控制、冶金质量控制等关键技术研究，满足增材制造结构的成形工艺需求， 建立以增材制造结构为基础的工艺控制系列标准；加强增材制造结构和材料的失效分析、检测评价和寿命预测技术研究，为增材制造零件可靠应用提供基础技术，建立合理可靠的增材制造零件的检测评价系列标准。加强结构和材料的基础研究和关键技术研究，为未来应用做技术储备，开展相应的标准系列研究。 本期上传：本综述完整版本。 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.北航Science: 3D打印抗疲劳高性能镍钛合金 2.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 3.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 4.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控

超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢，这种材料通常不易加工成型，且工艺成本高昂，采用3D打印制造则具有显著优势。 为了生产出具有高度几何形状控制的高强度零件，来自美国德州A&M大学的研究人员采用SLM技术对低合金超高强度马氏体钢AF9628进行了研究，最终成型出拉伸强度高达1.4GPa，延伸率高达11%的组织结构。研究人员称这是迄今为止3D打印金属材料有报道以来的最高性能。 3D打印零件的性能对工艺参数极为敏感，要获得稳定的打印参数往往需要大量的实验。研究人员通过建立工艺参数优化模型，并对模型中的各个相关系数进行修正，优化出了高强马氏体钢最优的打印参数。 研究路线图 通过利用Eagar-Tsai模型来描述打印工艺参数对熔池几何形貌和温度分布的影响，研究人员将输入参数分为两类：一类是热输入参数包括激光功率、扫描速度和激光高斯热源半径；另一类是材料参数，包括热导率、密度、比热、熔点和激光吸收率。并利用统计方法对该模型的不确定性进行校正，结合特殊设定的单道打印实验结果对模型偏差进行校正。提出以搭接量标准来预测熔宽和熔高，获得最优搭接量，建立工艺参数指导图。最终在保持全密度的同时，通过灵活选择工艺参数来局部调整微结构，从而改善材料的机械性能。 不同打印参数下的致密度 总的来说，采用基于搭接量评价的数学模型，能很好的预测打印过程中熔池的几何尺寸，控制好搭接量便能很好的控制打印样品的性能。这种方法有利于减少实验次数，特别是对于新材料的工艺探索是一种行之有效的方法。 美陆军研究实验室打印的AF96材料复杂形状零件 在应用方面，3月5日，美国陆军作战能力发展指挥部的陆军研究实验室，材料制造科学家使用AF96粉末3D打印了超高强度的复杂零件。陆军研究人员表示，这种钢合金具有惊人的品质，在地面车辆更换零件方面具有潜在应用，而且这种材料可能比商业上可获得的材料强约50％。 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.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 2.知识回顾：粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制 3.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 4.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：顶刊：3D打印出1.4GPa超高强度钢，致密度达99.25%

3月24日，国家科学技术奖励工作办公室公示了2020年度国家科学技术奖的受理项目名单，其中包括国家自然科学奖项目330项、国家技术发明奖通用项目259项以及国家科学技术进步奖通用项目934项。 经梳理发现，增材制造相关有3个项目将分别冲击国家技术发明一等奖和二等奖以及国家自然科学二等奖。 华中科技大学张海鸥教授团队“大型复杂高端零件微铸锻同步超短流程制造技术与装备”提名2020年度国家技术发明奖一等奖。 提名意见 项目组针对大型复杂高端锻件无法高品质短流程制造的“卡脖子”难题，在国基金、重大专项等项目资助下，从顶层制造理论变革出发，颠覆自古整体先铸后锻的认知，首创微铸锻增等材同步制造方法与理论，发明并研发了一批具有自主知识产权和核心竞争力的微铸锻同步制造系列技术与装备。制造品质和效率优于国际同类水平：仅用万吨锻机万分之一压力，获合金钢12级均匀超细等轴晶，远高于传统制造8级，疲劳寿命超过国际航空锻件水平；装备可锻面积全球最大，成形效率为国外顶级水平的3倍，节能90%。突破了上述技术瓶颈，实现了该重大技术和装备的从无到有并产业化以及技术领跑。 该发明已获湖北省技术发明一等奖、日内瓦国际发明展金奖、中国发明特别奖，英国发明展双金奖、以及中国和美国发明专利等。成果已在中航工业、中航发、兵器、中船、中核、GE等单位应用，产品性能获权威机构测试认证和用户充分肯定。 主要完成人 姓名：张海鸥排名：1技术职称：教授工作单位：华中科技大学完成项目时所在单位：华中科技大学 姓名：王桂兰排名：2技术职称：教授工作单位：华中科技大学完成项目时所在单位：华中科技大学 姓名：柏兴旺排名：3技术职称：副教授工作单位：南华大学完成项目时所在单位：华中科技大学 姓名：周祥曼排名：4技术职称：副教授工作单位：三峡大学完成项目时所在单位：华中科技大学 姓名：钱应平排名：5技术职称：教授工作单位：湖北工业大学完成项目时所在单位：华中科技大学 姓名：吴圣川排名：6技术职称：教授工作单位：西南交通大学完成项目时所在单位：华中科技大学 南京航空航天大学顾冬冬教授团队“高性能金属基构件激光增材制造跨尺度形性调控机制”提名2020年度国家自然科学奖二等奖。 提名意见 本项目围绕高性能金属基构件选区激光熔化高精度增材制造的跨尺度形性调控科学难题开展研究，主要科学发现如下：1.发现了微观尺度激光增材制造多相材料组织与界面调控及强韧化机制；2.揭示了介观尺度多相复合粉末激光熔凝及致密化的局部能场调控机制；3.构建了宏观尺度激光增材制造金属基构件材料-结构-性能精确协调原理。 本成果由德国Springer出版英文专著1部，发表SCI收录论文165篇，ESI高被引8篇；本成果8篇代表性论著被SCI他引1869次、EI他引2387次，单篇最高SCI他引837次。他引包括Nature Mater（影响因子38.887）、Prog Mater Sci（23.725）等著名期刊论文；他引作者包括美国、欧洲、中国等20余位院士、ASME、CIRP会士；本成果一系列理论和机制被多个国际知名实验室证实或借鉴。本成果在中航工业成飞、中国商飞、航天149厂等单位型号产品上获得应用验证，获第二十一届中国国际工业博览会高校展区优秀展品奖，推动了高性能金属构件激光增材制造形性调控理论的发展及应用。 主要完成人 姓名：顾冬冬排名：1技术职称：教授所在单位：南京航空航天大学 姓名：戴冬华排名：2技术职称：讲师所在单位：南京航空航天大学 姓名：沈以赴排名：3技术职称：教授所在单位：南京航空航天大学 姓名：李雅莉排名：4技术职称：助理研究员所在单位：南京航空航天大学 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司王淼辉研究员团队“增材制造用金属粉末材料及其应用技术”提名国家技术发明奖二等奖。 项目情况 该项目在对外公布的产权目录中可查阅到八项粉末和制件制备专利，包含H13模具钢、HM1模具钢、颗粒增强铁基合金粉末等，此外还涉及两项标准规范，但未能查找到更多公开信息。 在由北京机科国创牵头并获得2019年度中国机械工业科学技术奖——科技进步类一等奖的“增材制造用金属粉末及其在工模具中的应用”项目中，我们了解到，该项目攻克了雾化过程共性技术和关键技术难题，制订国家、团体标准，有效解决了雾化成粉率低、球形度差、空心粉率高及纯净度低等问题，形成了三大创新，即：创新粉末材料控形控性设计原则，开发出三大系列(铁基、镍基、钴基)十余种金属增材制造专用材料、突破了真空气雾化系统的核心关键技术，设计出满足不同粉末粒度制备需求的系列化气雾化喷嘴、研制了具有自主知识产权真空气雾化制粉装备。成果已在航空航天、汽车、冶金、煤炭、石油化工、电力等行业得到应用，其中注塑模具（SLM）、液压支架（EHLA）、轧辊（EHLA）、燃气轮机转子（LMD）等应用领域取得直接经济效益超4亿元。 因此我们认为，本次受到提名的意义，应当也多与此有关。 主要完成人包括 姓名：王淼辉排名：1技术职称：研究员所在单位：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 姓名：薛蕾排名：2技术职称：副教授所在单位：西安铂力特增材技术股份有限公司 姓名：陈蕴博排名：3技术职称：研究员所在单位：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 姓名：葛学元排名：4技术职称：研究员所在单位：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 姓名：刘栋排名：5技术职称：高级工程师所在单位：北京航空航天大学 姓名：赵晓明排名：6技术职称：工程师所在单位：西安铂力特增材技术股份有限公司 本期上传： 1.增材制造相关详细成果目录 2.《金属构件选区激光熔化增材制造控形与控性的跨尺度物理学机制》 3.《激光增材制造的热力学和动力学多尺度理解》 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.传统加工技术的代表企业GF推出更加完整的增材制造解决方案 2.9大领域187项全球工程前沿，3D打印覆盖7领域18项工程