在全彩色3D打印领域，Stratasys是当之无愧的头部企业。也许我们仍然对J750念念不忘，但5年来Stratasys已经研发出多款更适应市场发展需求的全彩色3D打印机——J8系列。 2月11日，Stratasys发布一款中端定位的全色彩PolyJet 3D打印机——J826™，这是继去年10月发布高端J850™之后的又一款全新力作。J826拓宽了全彩打印的边界，可同时加载7种材料，并更以现有J8系列打印机约一半的价格为中等建模需求企业和教育机构量身打造。本期，我们对Stratasys J8系列打印机进行介绍。

增材制造已不再仅用于制作原型件，越来越多的技术被用于制造可投入生产的零件，这迫使工程师开始考虑联合设计和组装过程。 许多打印的组件最终需要与其他零件或组件连接，而且，某些零件太大而无法在单个3D打印机上生产。无论是金属还是塑料，都可以通过传统的三种连接工艺来组装打印的零件：粘合剂粘合、机械紧固和焊接。通常，大多数塑料零件通过粘合剂连接，而许多金属零件是用螺钉和其他类型的紧固件组装。 双缸内燃机气动功能模型，采用不同性能树脂打印零件组装而成 增材制造的好处之一是零件整合。以前需要组装的复杂、多组件零件可以作为单个对象进行打印，这使工程师能够将多个零件或组件整合为一个零件，从而节省了时间和组装成本。增材制造的长期目标是简化或减少组装需求。实际上，许多塑料打印零件都采用卡扣配合，从而完全不需要粘合剂或紧固件。通常，卡扣配合保持在模具制造的几何约束之内，并利用塑料的能力进行弹性变形，然后通过卡扣成形。 3D打印的零件通过卡扣连接 当前采用增材制造技术的驱动因素之一是该技术可以生产高完成度的成品零件，它通常省去了多个组件，或优化了需加工零件或零件组的结构设计。与传统的机加或模制零件相比，通过增材制造生产的金属或塑料零件重量轻得多，并且几何形状更复杂，而它仍然可以使用与传统零件相同的紧固件。 随着越来越多的制造商开始打印可用于生产的金属和塑料零件，他们迟早需要将这些零件连接到采用传统制造技术（如模铸、注塑或机械加工）制成的其他组件或零件上。需要特别注意的是，不同的连接方式，组合体所能实现的功能是不同的，当然，根据需要的不同，也需要选择不同的连接方式。 一、航空航天应用中的连接方式 航空工业一直处于在生产中采用打印零件的最前沿，这些零件可用于从商用飞机座舱到喷气发动机的各种应用。打印的零件通常需要与铝或碳纤维复合材料组件连接主要的航空航天制造商，如波音、空客、通用电气和洛克希德·马丁公司等也都对该技术持乐观态度。 波音公司已经不止于卫星和载人航天器，而且已经将该技术用于导弹、直升机和飞机。随着增材制造成为主流制造方法，通过设计集成的机械系统，可以显著提高可制造性并降低成本。但是，如果没有足够的理解并将整个系统作为一个整体重新设计，就不可能优化增材组件。 1.紧固件连接 大多数航空航天增材制造应用涉及几何形状最优化的金属零件，而传统的加工技术是无法实现的。最终的零件仍具有与传统机加零件相同的功能，实际上，它通常具有与原始零件相同的尺寸范围，并且在连接界面处使用与原始零件相同的紧固件。在优化打印零件的同时，还有优化紧固件的巨大机遇。如果工程师采用最新的增材制造技术，那么也应采用最新的高性能紧固件。 空客将3D打印的钛合金支架连接到了A350 XWB客机的铝制挂架上（来源：空客） 2.开发先进粘合剂 随着增材制造技术的成熟，材料的性能正在大大提高，这为连接打印零件创造了新的机会。汉高公司在大规模定制可获益的行业中看到了更多的应用（如体育用品、医疗设备，还有很多应用是小批量制造工作，如航空航天和专用工业机械），为了应对这些应用，汉高一直在为各种增材制造技术开发先进的粘合剂。 3D打印大型汽车仪表盘，20余种零部件通过紧固螺钉和粘结剂“无缝拼接”（来源：华曙高科） 3.焊接连接—考虑材料性能差异 EWI结构完整性首席工程师表示：“连接打印零件的难度可能会有所不同，具体取决于所打印的材料和尝试将其连接的材料。但是，对于金属和塑料零件，最常见的材料选择很容易焊接到相似的材料上。”莫尔认为，异种材料的连接更具挑战性。总的来说，用于增材制造的合金是可焊接的，即使是用于不同的连接。关注的领域可能是变形、材料性能、性能下降和腐蚀。变形是由于直接来自增材工艺的零件通常已经具有高张力的残余表面应力，该残余应力会在连接过程中通过加热而改变。由于增材材料可能具有产生自沉积的微观结构定向效应，从而导致材料性能下降。 3D打印的零件通过焊接成为一个整体（仅示意） 就像任何需要集成到最终组装件中的工程组件一样，如果工程师对增材制造工艺的能力和局限性有充分的理解，那么连接打印零件就会相对简单。不同的打印技术将生产出具有完全不同特性的成品，即使是打印相同的3D模型也是如此。最终零件的尺寸精度和稳定性，以及表面光洁度和某些机械性能的各向异性都会对最终组装操作产生影响。在这些情况下，可能需要进行设计更改以生产针对整个制造周期进行优化的零件。 二、性能变量影响组装过程和零件最终使用效果 打印的零件会具有不同的性能，工程师应仔细考虑弹性、孔隙率和刚度。不同材料的腐蚀风险也不同，增材制造的材料在化学上往往会发生局部细微变化，从而加剧腐蚀效果。 与使用注射成型等传统方法制造的相同零件相比，即使使用相同的聚合物或金属，打印零件的物理和机械性能也可能有很大差异。从材料科学的角度来看，这不足为奇。例如，最古老、最常见的工程材料之一——碳素钢，可以通过回火或退火来改变其内部结构，从而产生截然不同的性能，3D打印也是如此。 在这种情况下，3D打印会制造出本质上具有各向异性的结构，而且其中还可能存在缝隙或空腔。这种孔隙会影响零件密封或容纳流体，而且零件的表面光洁度或粗糙度在不同方向上也很明显。工程师必须在打印过程中控制零件的方向，这最终将决定成品组装件的承重性能。表面和性能属性的变化也可能对粘合剂分配或组装过程产生影响。 后处理对零件表面质量造成影响，并影响组装连接 在许多情况下，使用增材制造来达到与铸造、锻造或机加零件相同的设计标准，利用工艺的灵活性可以减少总重，同时满足设计意图。这在航空航天应用中非常有益，重量节省直接与燃料成本相关。结构的优化将提高材料的有效利用水平，尤其是对弹性行为更敏感的材料。 3D打印零件的孔隙度对组装过程的影响与铸造零件相似，不同之处在于，打印零件的孔隙分布往往比铸件更均匀。对于在连接界面需要气密密封的情况，对均匀性的预期有助于其设计。此外，针对不同的焊接方式，打印零件的后处理也需要达到不同等级的要求。 三、多种方案，多种选择 粘合剂、紧固件和焊接都可用于连接金属或塑料打印件。用于传统模塑塑料零件的螺纹成形紧固件与打印塑料零件之间没有太大区别，都可以实现良好连接。 Stratasys也是采用这些常规的连接方式，但仍然对不同连接方式造成的影响进行了探索。采用FDM打印的零件可以与多种类型的环氧树脂和氰基丙烯酸酯粘合：二元的环氧树脂在固化的同时可以将粘合部分固定或夹紧；氰基丙烯酸酯的拉伸强度高于环氧胶粘剂，但它对高温、化学药品和溶剂的抵抗力很差，因此，与氰基丙烯酸酯的粘合可能会降低FDM零件的性能。 Stratasys等开发的3D打印无人机（机翼跨距约3m） 超声焊是另一种连接方式，特别是对于用热塑性材料打印的零件。当需要更高的强度时，可以将超声焊与其它方法结合使用。机械紧固是另一种有效的选择，连接FDM零件时，可以使用大量的机械紧固方法和硬件选择。机械连接零件的一种独特方法是在零件的制造过程中将紧固硬件放入零件内部，当打印完成后，可实现内外部的紧固。 注：本文由刘亚威先生编译，3D打印技术参考再编辑整理。 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.案例：3D打印如何用于工装夹具生产 2.近3000零件优化为68个，3D打印组装结构的要点有哪些 3.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 4.基于SLM的增减材混合制造新形式：激光熔融与超快激光切割相结合 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印零件如何实现更好的组装和连接

2019年12月10日，中国工程院战略咨询中心、科睿唯安以及高等教育出版社在中国工程院联合发布《全球工程前沿2019》报告，遴选出年度全球工程研究前沿93项和全球工程开发前沿94项。其中3D打印技术覆盖七大领域，11项工程直接相关，不少于7项工程涉及3D打印。 2020年3月3日，科技部、发展改革委、教育部、中科院、自然科学基金委联合制定《加强“从0到1”基础研究工作方案》的通知。方案中提到，面向国家重大需求，对关键核心技术中的重大科学问题给予长期支持。重点支持人工智能、网络协同制造、3D打印和激光制造、重点基础材料、先进电子材料、结构与功能材料等重大领域，推动关键核心技术突破。 “从0到1”原创性突破，既需要长期厚重的知识积累与沉淀，也需要科学家瞬间的灵感爆发；既需要对基础研究进行长期稳定的支持，也需要聚焦具有比较优势的领域，进一步突出重点，有所为、有所不为。 建立有利于原始创新的评价制度。一是推行代表作评价制度；避免唯论文、唯职称、唯学历、唯奖项倾向。二是建立国家重点实验室新的评价制度；三是建立促进原创的基础研究项目评价制度。 鼓励科学家围绕重要方向开展长期研究，不追热点，把冷板凳坐热。鼓励和支持科学家敢于啃硬骨头，敢于挑战最前沿科学问题，在独创独有上下功夫，努力开辟新领域、提出新理论、设计新方法、发现新现象。 强化国家自然科学基金的原创导向。稳定支持面上项目、青年科学基金项目和地区科学基金项目，鼓励在科学基金资助范围内自主选题。 注重青年人才和创新团队的培育，激发青年人才创新活力。不唯帽子、不唯名气、不唯团队大小。 准备支持一批30—40岁具有高级职称或博士学位、有志于长期从事科学研究的优秀青年科学家，瞄准重大原创性基础前沿和关键核心技术的科学问题，按方向选人，按人定项目。青年科学家人选由一线科学家推荐。 抓住中青年时期这一实现原创性突破的峰值年龄，在重点研发计划中加大对35岁以下青年科学家的支持。国家自然科学基金加强对“青年科学基金项目”“优秀青年科学基金项目”“杰出青年科学基金项目”等资助计划的支持。 《方案》原文如下：加强“从0到1”基础研究工作方案  为贯彻落实党的十九大精神和《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》（国发〔2018〕4号），切实解决我国基础研究缺少“从0到1”原创性成果的问题，充分发挥基础研究对科技创新的源头供给和引领作用，制定工作方案如下。一、总体考虑当前，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，国际竞争向基础研究竞争前移，科学探索不断向宏观拓展、向微观深入，交叉融合汇聚不断加速，一些基本科学问题孕育重大突破，可望催生新的重大科学思想和科学理论，产生颠覆性技术。加强“从0到1”的基础研究，开辟新领域、提出新理论、发展新方法，取得重大开创性的原始创新成果，是国际科技竞争的制高点。“从0到1”原创性突破，既需要长期厚重的知识积累与沉淀，也需要科学家瞬间的灵感爆发；既需要对基础研究进行长期稳定的支持，也需要聚焦具有比较优势的领域，进一步突出重点，有所为、有所不为。（一）指导思想。以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，面向世界科技前沿、面向国家战略需求、面向国民经济主战场，围绕重大科学问题和关键核心技术突破，以人为本、深化改革、优化环境、稳定支持、创新管理，强化基础研究的原创导向，激发科研人员创新活力，努力取得更多重大原创性成果，为建设世界科技强国提供强有力的支撑。（二）基本原则。突出问题导向。围绕基础前沿领域和关键核心技术重大科学问题，坚持需求导向和前瞻引领。从国家战略需求出发，强化重点领域部署，鼓励跨领域、跨学科交叉研究，形成关键领域先发优势。坚持以人为本。遵循人才成长规律，创新人才评价制度，深入实施人才优先发展战略，注重青年人才和创新团队的培育，激发青年人才创新活力。不唯帽子、不唯名气、不唯团队大小。注重方法创新。适应大科学、大数据、互联网时代科学研究的新特点，注重科研平台、科研手段、方法工具和高端科学仪器的自主研发与创新，提高基础研究原始创新能力。优化学术环境。遵循基础研究的规律与特点，推动基础研究分类评价，探索支持非共识项目的机制。鼓励自由探索，赋予科研人员更多学术自主权。弘扬科学精神，营造勇于创新、敢于啃硬骨头和学术民主、宽容失败的科研环境。强化稳定支持。优化基础研究投入结构，依托国家重点实验室和国家科技计划等，对关系长远发展的基础前沿领域加大稳定支持力度，努力取得重大原创性成果和关键核心技术突破。二、优化原始创新环境（三）建立有利于原始创新的评价制度。一是推行代表作评价制度。对人和创新团队的评价，注重评价代表作的科学水平和学术贡献，让论文回归学术，避免唯论文、唯职称、唯学历、唯奖项倾向。二是建立国家重点实验室新的评价制度。坚持定期评估和分类考核制度。将完成国家任务情况和创新效能作为重要的评价标准，建立以创新质量和学术贡献为核心的评价制度。三是建立促进原创的基础研究项目评价制度。基础研究项目重点评价新发现、新原理、新方法、新规律的原创性和科学价值，注重评价代表性成果水平；应用基础研究项目重点评价解决经济社会发展和国家安全重大需求中关键科学问题的效能和应用价值。在高校、科研院所开展评价试点。（四）支持高校、科研院所自主布局基础研究。高等学校与科研机构结合国际一流科研机构、世界一流大学和一流学科建设，遵循科研活动规律，自主布局基础研究，扩大高等学校与科研机构学科布局和科研选题自主权。鼓励科学家围绕重要方向开展长期研究，不追热点，把冷板凳坐热。鼓励和支持科学家敢于啃硬骨头，敢于挑战最前沿科学问题，在独创独有上下功夫，努力开辟新领域、提出新理论、设计新方法、发现新现象。推动科教融合，围绕重大科技任务加强科研育人。（五）改革重大基础研究项目形成机制。根据改革完善科技计划项目形成机制的有关要求，完善国家重大基础研究项目形成机制，在指南编制方式、有效竞争、开放性、项目评审机制、评审专家队伍建设等方面完善基础研究项目形成方式和管理方式。充分重视科学研究过程的灵感瞬间性，对原创性课题开通项目申报、评审绿色通道，建立随时申报的机制。对于在重大原创性突破研究过程急需解决的关键问题实行滚动立项。国家重点研发计划对港澳机构开放，国家自然科学基金进一步研究向港澳特区科研人员开放基金项目申请的具体方案并逐步实施。（六）深化国际合作与交流。深化政府间科技合作，建立国际创新合作平台，联合开展科学前沿问题研究。加大国家科技计划开放力度。鼓励国际科研合作交流，积极参与国际大科学计划和大科学工程。（七）加强学风建设。提倡学术自由和学术民主，坚持严谨、求实的良好作风，力戒浮躁张扬之风，树立诚信、严谨的正确导向，弘扬爱国奉献、诚实守信、淡泊名利的科学精神。加强科研活动全流程诚信管理，对违背科研诚信要求的行为责任人开展失信惩戒，加大对科研造假等学术不端的惩治力度。三、强化国家科技计划原创导向（八）强化国家自然科学基金的原创导向。稳定支持各学科领域均衡协调可持续发展，加强对数学、物理等重点基础学科的支持，稳定支持一批基础数学领域科研人员围绕数学学科前沿问题开展基础理论研究，夯实发展基础。坚持自由探索、突出原创，科学问题导向和需求牵引并重，引导科学家将科学研究活动中的个人兴趣与国家战略需求紧密结合，实现对科学前沿的引领和拓展，全面培育源头创新能力。坚持学科建设的主方向，推进跨学科研究，强化学科交叉融合，培育新的学科发展方向。稳定支持面上项目、青年科学基金项目和地区科学基金项目，鼓励在科学基金资助范围内自主选题。为原创项目开辟单独渠道，采取专家或项目主任署名推荐、不设时间窗口接收申请，探索实施非常规评审和决策模式，着重关注研究的原始创新性，弱化对项目前期工作基础、可行性等要求，优化完善非共识项目的实施机制。（九）国家科技计划突出支持重要原创方向。坚持全球视野，把握世界科技前沿发展态势，在关系长远发展的基础前沿领域前瞻部署。在重大专项和重点研发计划中突出支持基础研究重点领域原创方向，持续支持量子科学、脑科学、纳米科学、干细胞、合成生物学、发育编程、全球变化及应对、蛋白质机器、大科学装置前沿研究等重点领域，针对重点领域、重大工程等国家重大战略需求中的关键数学问题，加强应用数学和交叉研究，加强引力波、极端制造、催化科学、物态调控、地球系统科学、人类疾病动物模型等领域部署，抢占前沿科学研究制高点。创新“变革性技术关键科学问题重点专项”的组织模式和机制，加强变革性技术关键科学问题研究，支持我国科学家取得原创突破、应用前景明确、有望产出具有变革性影响的技术原型，加大对经济社会发展产生重大影响的前瞻性、原创性的基础研究和前沿交叉研究的支持，推动颠覆性创新成果的产生。（十）国家科技计划突出支持关键核心技术中的重大科学问题。面向国家重大需求，对关键核心技术中的重大科学问题给予长期支持。重点支持人工智能、网络协同制造、3D打印和激光制造、重点基础材料、先进电子材料、结构与功能材料、制造技术与关键部件、云计算和大数据、高性能计算、宽带通信和新型网络、地球观测与导航、光电子器件及集成、生物育种、高端医疗器械、集成电路和微波器件、重大科学仪器设备等重大领域，推动关键核心技术突破。四、加强基础研究人才培养（十一）建立健全基础研究人才培养机制。要创新人才培养、引进、使用机制，真正选对人、用好人。加快培养一批在国际前沿领域具有较大影响力的领军人才，赋予领军人才技术路线决策权、项目经费调剂权、创新团队组建权。重视培养基础研究领域的青年人才，对青年人才开辟特殊支持渠道，重点支持淡泊名利、献身科学、潜心研究的优秀青年人才。推动教育创新，改革培养模式，把科学精神、创造能力的培养贯穿教育全过程。重视素质教育养成，加强基础研究人才创新能力的教育培养，培育一批具有基础研究创新能力的人才。支持高校、科研院所、企业多方引才引智，广聚天下英才。（十二）实施青年科学家长期项目。统筹利用现有渠道，聚焦重点研究方向，准备支持一批30—40岁具有高级职称或博士学位、有志于长期从事科学研究的优秀青年科学家，瞄准重大原创性基础前沿和关键核心技术的科学问题，在数学、物理、生命科学、空间科学、深海科学、纳米科学等基础前沿领域和农业、能源、材料、信息、生物、医药、制造与工程等应用基础领域开展基础研究。按方向选人，按人定项目。青年科学家人选由一线科学家推荐。被推荐人根据确定的重点方向提出项目。项目负责人自主确定研究内容和技术路线。对项目进行全程跟踪、服务。承担单位对项目团队成员可实行年薪制等灵活分配方式。（十三）在国家科技计划中支持青年科学家。抓住中青年时期这一实现原创性突破的峰值年龄，依托国家科技计划培养青年人才。在重点研发计划中加大对35岁以下青年科学家的支持。国家自然科学基金加强对“青年科学基金项目”“优秀青年科学基金项目”“杰出青年科学基金项目”等资助计划的支持，鼓励青年科学家自主选题，开展基础研究工作，构建分阶段、全谱系、资助强度与规模合理的人才资助体系，加大力度持续支持中青年科学家和创新团队。加大对博士后的支持力度，积极吸引国内外优秀博士毕业生在国内从事博士后研究。五、创新科学研究方法手段（十四）加强重大科技基础设施和高端通用科学仪器的设计研发。聚焦空间和天文、粒子物理和核物理、能源、生命、地球系统与环境、新材料、工程技术等世界科技前沿和国家战略急需领域，布局建设一批重大科技基础设施。依托重大科技基础设施开展科学前沿研究，解决经济社会发展重大科技问题。充分发挥设施的集聚作用，吸引国内外创新资源，促进科技交叉融合，形成国际顶尖科研队伍。培育具有原创性学术思想的探索性科学仪器设备研制，聚焦高端通用和专业重大科学仪器设备研发、工程化和产业化研究，推动高端科学仪器设备产业快速发展。（十五）大力支持科研手段自主研发与创新。加大力度支持科研平台、科研手段、方法工具的创新，提升开展原创研究的能力，大力加强实验材料、数据资源、技术方法、工具软件等方面的创新。着力开展高端检测试剂、高纯试剂、高附加值专用试剂研发和科研用试剂研究，加强技术标准建设，完善科研用试剂质量体系。完善科技资源库（馆）的建设和运行管理机制，提升科技基础资源整理加工、保藏鉴定以及对科技创新和经济社会发展的支撑保障能力。鼓励研发国产高端设计分析工具软件，保证研发设计过程自主安全可控。在重大研发任务中加大对高端试剂、可控软件研发和基础方法创新的支持。六、强化国家重点实验室原始创新（十六）发挥国家重点实验室的辐射带动作用。发挥国家重点实验室创新平台作用，作为国家重大科技任务的提出者和组织者，牵头组织全国相关领域的科技力量，发挥集群优势，开展协同攻关，承担起行业领域的辐射带动作用。探索建立国家重点实验室作为独立责任主体申请和承担国家科技任务的机制。（十七）支持国家重点实验室长期积累。支持国家重点实验室围绕孕育重大原始创新、推动学科发展和解决国家战略重大科技问题，在特定优势领域长期持续开展科技创新，在重点学科领域和关键技术领域形成持续创新能力。强化国家重点实验室的独立性和自主权，鼓励国家重点实验室在重要领域开展前沿探索，提出新方向，发展新领域。加大对国家重点实验室稳定支持力度，聚焦前沿、长期积累、突出原创。七、提升企业自主创新能力（十八）推动企业加强基础研究。鼓励企业面向长远发展和竞争力提升，前瞻部署基础研究。鼓励企业与高等院校、科研机构等基础研究机构合作，共建各类研究开发机构和联合实验室，加强企业实验室与高校、科研院所实验室紧密衔接和实质性合作，促进基础研究、应用基础研究与产业化对接融通，提高企业研发能力。重视企业内部创新环境建设，鼓励企业引进高层次人才，与高等院校和科研院所共同培养基础研究人才。发挥国家科技计划的导向作用，在重大专项、重点研发计划论证和实施过程中，组织企业家、产业专家和科技专家共同凝练来自生产一线、关系经济社会发展的关键重大科学问题，支持企业承担国家科研项目。（十九）引导企业加大投入。切实落实企业研发费用按75%比例税前加计扣除等财税优惠政策。在具备条件的企业建设国家重点实验室，衔接基础研究和应用需求。做强国家自然科学基金企业创新发展联合基金，推动科研院所与高等院校围绕企业技术创新需求，解决企业发展中面临的重大科学问题和技术难题。八、加强管理服务（二十）加强组织协调和统筹实施。组建基础研究战略咨询专家委员会，加强基础研究顶层设计和统筹协调，研判基础研究发展趋势、凝练基础研究重大需求，在推进重大工作部署中发挥战略咨询作用。建立部门间沟通协调机制，统筹各类科技计划支持基础研究的资助政策与管理机制。强化中央和地方协作联动。发挥知识产权制度激励作用，推动知识产权权属改革，加强知识产权运用和保护。（二十一）加大中央财政的稳定支持力度。中央财政加大对基础研究的稳定支持力度，建立健全稳定支持和竞争性支持相协调的投入机制。探索实施中央和地方共同出资、共同组织国家重大基础研究任务的新机制。（二十二）加大地方政府和社会力量对基础研究的投入。鼓励和支持地方政府结合自身优势和特色，制定出台加强地方基础研究和应用基础研究的政策措施，加大对基础研究的支持力度。探索共建新型研发机构、联合资助、慈善捐赠等措施，激励企业和社会力量加大基础研究投入。北京、上海、粤港澳科技创新中心和北京怀柔、上海张江、合肥、深圳综合性国家科学中心应加大基础研究投入力度，加强基础研究能力建设。（二十三）改进管理部门工作作风。科技管理部门要提高站位、做好统筹，坚持“抓战略、抓规划、抓政策、抓服务”，进一步推进政府职能转变和“放管服”改革。科研院所和高等院校的科研管理部门全面提升微观管理服务水平，在放权上求实效，在监管上求创新，在服务上求提升，努力营造有利于基础研究的科研生态。

近些年来3D打印行业的相关统计非常多，进行这些数据调研的机构不乏德勤、安永这样的世界著名会计事务所，也有SmarTech Analysis、AMPOWER等增材制造行业领先的市场研究和行业分析提供商。 本期，3D打印技术参考罗列了国外某知名结构总结的40余项行业统计数据，重点介绍该行业的最新发展情况，并对主要细分进行分析。 行业现状 在过去的十年中，3D打印行业一直在稳定增长，尽管仍不到全球制造业的1％，但该技术正在成为重要的生产的工具。如今，3D打印解决方案正在日趋成熟，它的作用已经不再仅仅局限于原型制造。 1. 2019年，全球增材制造市场规模将超过104亿美元，近40年来首次突破百亿美元大关。（SmarTech Analysis《2020年增材制造市场前景和机会摘要》） 2. 2018年，3D打印相关初创企业的风投资金超过3亿美元，并且所有投资均涉及工业解决方案和应用。（3DHubs，《2019年3D打印趋势报告》） 3. 3D打印市场规模将每3年翻一番，分析师预测年增长率在18.2-27.2％之间。（3D Hubs，《2019年3D打印趋势报告》） 4. 71％的公司表示，缺乏对技术的了解是影响项目实施方案最终选择3D打印还是传统技术的最大障碍，而29％的公司则是因为对3D打印的可靠性缺乏信心。（捷普，《2019年制造业3D打印利益相关者调查》） 5.从行业的组成结构来看，尽管服务商的数量已急剧增长到34%，但设备制造商仍是该行业最大的组成群体（38％）。（安永2019，3D打印：炒作还是改变游戏规则？） 行业应用 许多行业正在采用3D打印技术来更快地、生产更好的产品，并借此优化生产流程。然而，各行业对3D打印的采用率有很大差异。航空航天、医疗、汽车和工业品行业是该技术最成熟的使用者，也是3D打印产业化的关键贡献者。 同时，3D打印的应用在世界各地也不均衡。目前，北美和欧洲保持领先地位，不过，亚洲市场正在迅速崛起，欧美正面临失去全球3D打印行业领先地位的风险。 6. 据SmarTech Analysis报告，2019年鞋类3D打印收入约占全球该行业市场收入的0.3%。（SmarTechAnalysis，2019年鞋类3D打印市场报告） 7. 据SmarTech Analysis报告，2018年骨科3D打印市值6.91亿美元，该市场在2027年将增长到37亿美元。 8. 据SmarTech Analysis报告，目前，包括材料、服务、软件和硬件在内的医疗3D打印市场估值约12.5亿美元。 9. 据SmarTech Analysis报告，牙科3D打印的收入在2021年将增长至37亿美元，到2027年，这项技术将成为全球牙科修复的领先技术。 10. 美国、英国、德国、法国和中国是3D打印采用率和投资率最高的5个国家。（Ultimaker，3D printing sentiment index） 11. 德国在2019年创造了约10亿欧元的增材制造行业相关收入。 12.美国拥有全球最大的3D打印机安装基地，年出货量达42.2万台。（Ultimaker，3D printing sentiment index） 13.安永调研数据显示，2016-2019年，所有受访者中购入打印机的企业数量从9％跃升至40％，翻了两番。（安永2019，3D打印：炒作还是改变游戏规则？） 14. 2019年超过70％的受访企业在使用3D打印开发新应用，而60％的企业使用到了CAD、模拟和逆向工程。数据表明，3D打印在全球的应用都在增长（Sculpteo，《2019年3D打印现状报告》） 15.概念验证和原型设计，仍然是2019年3D打印的主导应用（Sculpteo，《 2019年3D打印现状报告》） 16.自2018年至2019年，使用3D打印进行大规模生产的制造商数量增长了一倍：分别为21％和40％。（Essentium，《A survey of manufacturers》） 17. 79％的受访公司预计，他们在未来3-5年的零件和商品制造过程中使用3D打印的比例至少会增长一倍。（捷普，《2019年制造业3D打印利益相关者调查》） 18.在航空航天和国防工业中，3D打印最主要的应用是仍是原型制作（72％），其次是维修和保养（44％），研发的比例为43％，零件生产占比为39％。（捷普，2019年5月对航空航天和国防OEM的调查，已上传） 3D打印设备（硬件） 3D打印机的发展可谓日新月异，相关设备正在变得更快、更可靠、更具生产能力。 在技术方面，金属3D打印发展迅速，粘结剂喷射和紧凑型金属机往往比粉末床熔融系统更便宜。 聚合物3D打印设备仍然具有最大的细分市场。像选择性激光烧结、多射流熔融和立体光刻等技术已经发展到可以大批量生产上万个零件的程度。 陶瓷和电子3D打印机市场仍然处于初期发展阶段。新技术的发展—如XJET纳米陶瓷喷射技术和DragonFly电子产品数字制造技术（LDM），为这些细分市场在不久的将来达到成熟奠定了基础。 19. CONTEXT预计，2019年金属3D打印机出货量相比上一年将增长49％以上。 20. 据SmarTech Analysis报告，金属增材制造设备销售额到2024年将达到40亿美元。（SmarTech Analysis，《金属增材制造2019》） 21. AMPOWER统计发现，全球已安装的所有粉末床熔融金属3D打印设备有62％来自德国供应商。（AMPOWER，《2019年金属增材制造报告》） 22.在金属粉末床熔融工艺中，原始零件成本的20-40％与材料成本有关；在金属粉末激光能量沉积技术中，材料占据原始零件成本的70％，而电弧沉积技术的这一比例为80％。（AMPOWER，《2019年金属增材制造报告》） 23. 2018年，全球金属增材制造市场价值15.1亿欧元，并将以25％的复合年增长率增长。（AMPOWER，《2019年金属增材制造报告》） 24.粉末床熔融技术仍然是金属3D打印的主流工艺，占全球所有金属增材制造系统的80％。 25. 到2027年，紧凑型工业金属打印机的销售额将突破10亿美元。 26.安永《2019全球3D打印报告》显示，72％的受访企业正在使用聚合物增材制造系统，使用金属3D打印的公司占49％。 27.惠普MJF技术已成为市场上增长最快的聚合物3D打印工艺。2018年，使用MJF 技术生产的零件超过1000万个。…

微型涡喷发动机主要用于装备无人侦察、攻击飞行器，包括机载弹药、巡飞弹药、小型无人机等小型飞行器。在现代战争中，军方的需求从大型、昂贵的载人武器平台更多的转向小型、便宜的无人系统。动力先行是发展武器系统的原则，微型涡喷发动机技术的发展制约了微型飞行器武器技术的发展，3D打印则为航空和军事大国的发动机研究提供了新的制造工艺。 本期，3D打印技术参考介绍中美俄三国采用增材制造进行微型涡喷发动机再设计和制造的应用实践。 ▌俄罗斯采用国产耐热金属和铝合金3D打印微型涡喷发动机 2019年12月，俄罗斯 “西蒙诺夫设计局”成功通过了一台由3D打印制造的小型燃气涡轮飞机发动机的台架试验。 该测试是俄罗斯高级研究基金会和全俄航空材料研究所于2015年启动的联合项目的一部分，旨在开发用于飞机和火箭发动机结构零件增材制造技术的新一代材料。 3D打印的微型涡喷发动机 该小型发动机的推力高达1471N，关键部件采用俄罗斯国产耐热金属和铝合金3D打印（SLM）而成。由于使用了新技术，主要引擎元件的制造时间减少了20-30倍，生产成本降低两倍以上，而且许多合金的强度超过国外同类合金20％以上。 110N级遥控模型飞机引擎点火测试（2018） 俄罗斯高级研究基金会是为了保证俄罗斯联邦的国防安全和武装力量现代化，军民两用技术和产品的研制和发展，建立起来的独立机构。其负责人表示，小型发动机的测试结果证实了使用增材制造技术生产复杂结构产品的有效性，这些技术不仅在飞机行业，而且在石油和天然气、汽车、造船和医药等其他行业也将发挥重要作用。 根据研制计划，完成台架试验后的发动机，将于2020年1月至2月在轻型无人机上进行飞行测试。 ▌GE成功测试3D打印的微型涡喷发动机，为工业3D打印从原型制作过渡到制造，树立信心 GE是最早进行工业3D打印的众多航空航天公司之一，从喷气发动机到涡桨发动机，3D打印的零件已经在GE产品系列中获得大量应用。2014年，GE成功点火测试3D打印的微型喷气式发动机，为工业3D打印从原型制作过渡到制造，树立了信心。 GE微型涡喷发动机测试过程 这次尝试也是来自于一项附带计划，工程师主要想了解3D打印零件的使用潜力，研究是否能制造出一种几乎完全用增材制造零件运行的小型发动机。 发动机某部件的打印过程 项目团队由GE 航空的工程师和技术人员组成。很显然，将整个复杂的商用飞机发动机全部采用3D打印制造尚不可能实现，他们最终以一台遥控模型飞机引擎为蓝本，对其重新设计和3D打印。发动机组装完成后，在通常用于试验全尺寸发动机的测试单元内并进行点火，经测试，3D打印的微型喷气式发动机每分钟转速可达到33000转。 GE 3D打印的微型涡喷发动机零件 在接下来的数月和数年内，通用电气航空集团采用增材制造工艺为其新一代LEAP、GE9X、Catalyst等发动机生产了数以万计的燃油喷嘴和涡轮叶片等部件，并成为3D打印航空制造的领导者。 ▌中国航发获得一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机 2017年，中国航发团队开发了全3D打印的涡喷发动机，2019年首次公开研究细节和进展。项目团队以一台200N级微型涡喷发动机作为技术验证平台，开展了基于3D打印的航空发动机结构集成化及轻量化设计研究，并针对3D打印的零部件及整机开展了验证试验工作，获得了一款经试验初步验证、可靠、零件全部采用3D打印制造的微型涡喷发动机。 中国航发微型涡喷发动机集成化设计对比图 在此项目在实施过程中，实验团队充分理解项目目标及航空发动机在结构、性能、工艺、强度、刚度、重量等各方面的要求，实现了复杂零件的集成化设计、结构优化设计和一体化打印。与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数量减少81%，重量减轻17.3%。 实验后发动机分解图 最为重要的是，这款发动机具备功能性，经串装后完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。为验证3D打印发动机的场外工作能力，项目团队将其装在航模飞机上，并对航模飞机进行改装，开发专门的数据传输系统，进行了飞行试验，并取得了成功。 串装发动机航模试飞 END 如今，更高的性能、更轻的质量、更低的油耗、更低的成本以及更小的尺寸成为微型涡喷发动机的发展趋势。从3D打印的制造实践来看，新工艺几乎同时满足了这五项诉求，因此具有重要的发展潜力。 此外，从各国的开发过程来看，项目的研究主要还是在于探索新技术的使用潜力，并验证推广应用至高性能发动机研制的可行性，项目的成功无疑能够为3D打印的应用进一步指明方向。最后，我们也应当看到的是，俄罗斯的增材制造技术和材料发展正在加速，这一老牌航空大国能否在新技术背景下继续创造奇迹，我们拭目以待。 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 2.3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 3.外军：突破发动机等复杂系统的设计局限，改进武器装备性能 4.3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例

航空发动机叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成。由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。近些年来，3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。 激光增材制造修复叶片 然而，3D打印材料凝固过程冷却速度快的突出特点，极易造成高残余应力和高位错密度的亚稳态微观组织结构。这种亚稳态结构在标准热处理或服役过程中容易发生再结晶，导致材料高温力学性能下降，造成安全隐患。 2月20日，由西安交通大学、美国麻省理工学院以及美国约翰霍普金斯大学组成的研究团队刊文指出，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制热处理制度，可以解决单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。 3D打印镍基单晶的微观结构演变，与研究的新型高温还原退火相比较图 高温合金的标准热处理制度一般由固溶、时效组成，实践证明该工艺流程会导致3D打印高温合金发生再结晶。研究团队经过系统的文献调研与综合分析，提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。 经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。因所发现的现象与高温合金在高温蠕变条件下发生的筏化效应（Rafting）相似，且在事实上起到了回复的效果，故将其命名为“筏化-回复”效应（Rafting-enabled recovery）。 镍基高温合金叶片 这一发现为防止3D打印单晶由于残余应力未消除而开裂提供了一种实用方法，为增材制造修复、恢复和重塑其他高温合金单晶产品铺平了道路；突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据，并表明新的热处理制度完全能满足3D打印单晶叶片修复的需求。 注：文章题为《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》，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.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 2.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 3.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

几天前，微信朋友圈流行用FDM技术打印口罩，笔者一直觉得用3D打印来做这些实在杯水车薪，一是量起不来，二是因为质量比较糟糕。笔者当时觉得，3D打印可能为这次疫情做不了什么。然而，随着设计共享、品牌商联合、工业机的介入，3D打印终于被推向制造前沿、发挥作用。 本期，3D打印技术参考要讲述的是匹克体育联手惠普、华曙高科等3D打印企业在口罩扣设计和生产过程中所做的部分工作。 ▌匹克体育：从设计、材料到工艺，改善产品佩戴感受 匹克体育科技创新部副总监黄征介绍，牛奶箱提手本身硬度很高，其尺寸和两侧牵制绑带齿的设计会造成长期佩戴不适。基于此，匹克对该产品进行了多达九次优化，先是给自己的员工试戴，后给北京医院的医护人员使用，得到了积极反馈。 从牛奶箱提手到专门的口罩扣设计 第一个版本的产品有很多问题，如尺寸不通用、佩戴以后会往下滑等等。匹克针对这些问题进行了设计改进，从最开始的两个齿，到后面三个齿、四个齿，以适应不同的尺寸需求；同时，匹克设计师还在口罩扣的内面贴上了魔术贴，它能够使口罩扣很好地固定在无纺布制造的防护服上，从而解决了滑落问题。口罩扣和魔术贴结合在一起就是一个完整的配件。经实际使用，医疗人员的佩戴感受大大改善。 使用FDM工艺打印的具有魔术贴和不同齿数的口罩扣 在材料方面，匹克使用的是热塑性聚氨酯，也就是TPU。相比牛奶箱提手会柔软很多，安全环保，可以亲肤，而且可以百分百回收。但目前由于医疗资源产能有限，需要反复使用，因此免不了定期消毒。医院每天使用完以后，会集中回收，统一消毒和存放。然而TPU本身并不耐高温，目前所用的方法是紫外线照射和酒精消毒，能够做到很好的处理。 在打印工艺方面，匹克最初所采用的是FDM技术，面临的最大问题是速度慢，一次打印只能制造有限的几个产品，匹克所有的设备加起来同时打印，每天产量也远远不到1000个。产能不足的问题促使匹克设计人员不断的优化打印文件，将效率提升了30%-40%，以前用10分钟可以打印一个，现在只需要六七分钟就可打印完，而且不需要后处理。 使用FDM工艺批量制造的口罩扣 然而真正实现大批量制造，仅仅依赖FDM技术是远远不够的，开模又根本来不及。后期匹克找到了惠普、华曙高科等企业，真正开启了口罩扣产品的3D打印批量制造。 ▌联合惠普、科恒，采用MJF技术实现批量制造 惠普3D打印设备的突出特点是面向批量、直接制造的应用，通过替代中小规模的注塑手段，来提升3D打印规模化生产的精度和经济性。在传统注塑行业，开模将是一大笔费用，均摊到单个产品上面不仅成本高昂并且费时费力；而惠普MJF技术，则可以低成本且快速地批量生产这种中小批量的产品。 采用MJF工艺批量排版口罩扣，一次可打印近千个 基于匹克此前使用TPU材料，惠普计算发现采用MJF技术制造TPU口罩扣的成本要高于尼龙材料很多，而由PA12打印的口罩扣却同样得到了医生的正面反馈。最终，由惠普出资，委托3D打印服务商科恒采用PA12进行了口罩扣的批量打印。 由MJF技术打印的PA12口罩扣具有良好的韧性 目前，惠普联合科恒已捐赠900个3D打印口罩扣给武汉和黄冈等地的定点医院，仍有大批产品仍在制造过程中。 ▌携手华曙高科，采用SLS工艺一天可打印近千支口罩扣 SLS工艺也是面向批量制造的3D打印技术，以华曙高科403P系列为例，一台3D打印机一天可打印近1000支口罩调节扣。相对FDM技术来说减少了反复的多台机器操作过程，大大节省人工，缩短加工周期。 采用SLS工艺批量排版口罩扣 华曙所采用的也是尼龙材料，柔软、耐磨，满足了口罩佩戴过程中的强度及弯曲程度要求，并且可消毒重复使用。以此制成的口罩调节扣能贴合头部表面，不产生勒痕，使用者佩戴帽子时也可达到良好的包裹效果。 采用SLS工艺打印的口罩扣 目前，华曙高科与湖南省工信厅联合捐赠的第二批500个3D打印口罩调节扣已发往湖南援鄂医疗队，后续还将打印多批发往湖北地区。 END 对于口罩扣的需求是很大的，一些企业也找到了匹克进行产品定制，数量达到几千个，一部分企业自用，一部分进行捐赠。除了一线的医务人员，一些需要长期佩戴口罩的交警、民警、保安、消防队员等同样有很大的使用需求。企业，在这时候也可体现自己的人文关怀。 然而3D打印要在此次突发疫情中发挥作用，制造出合格产品，还需要从产品本身的痛点出发（如新产品亟需批量制造），配合设计、材料、工艺，还要考虑成本，才能真正发挥作用，这些要点缺一不可。 除了匹克、惠普、华曙高科、科恒这些企业外，还有塑成科技、易生、创想三维、光韵达等3D打印企业贡献着自己的力量。随着设计共享、品牌商联合、工业机的介入，3D打印在小批量快速定制方面的优势将被重新认识。 ---致敬前行者--- 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打印医疗器械所面临的挑战—灭菌与失效 2.3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题 3.国内对3D打印医疗器械的生产、应用有哪些严格要求和限制 4.医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活

增材制造的工艺参数（如激光功率、扫描速度、搭接间距、扫描策略等）对成型后的微观组织和力学性能的稳定性有着极大的影响。因粉末物性及成形工艺的差异，基于时空约束下的成形过程中，高能激光束与粉末在多场耦合交互作用下粉末的熔化/凝固行为极为复杂，导致难以有效调控成形过程及质量。 理解具有多个变量物理过程的一种方法是使用过程图，这可以帮助显示多个参数之间的经验关系。该技术此前已应用于激光焊接工艺，目前也已用于了解增材制造工艺，包括实际的机器设置、无量纲参数的使用等，从而有助于比较增材制造工艺之间的关系。采用合适的工艺窗口来更好的控制制造过程，同时能获得制造过程中的热模拟模型，以便掌握零件制造过程中的受热变化。 多材料SLM工艺标准化处理图谱（来源已上传） 而热模型可以用来模拟增材制造材料凝固过程中的微观组织变化、热梯度变化以及固液界面的液体流速变化等，最终可获得对应的增材制造过程中的微观组织变化规律。但是这不仅忽略了凝固过程中的形核与长大过程，而且还忽略了凝固组织取向的变化对力学性能带来的影响。 2月15日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员在金属材料领域顶刊Acta Materialia上发表题为“Solidification-driven Orientation Gradients in Additively Manufactured Stainless Steel”的论文。研究表明，在凝固方向上，晶粒内部存在一定的取向差，并且其取向差与成分偏析有关，这对3D打印的材料设计提供了一种思路（论文已上传）。 研究简介 作者基于LENS增材制造技术制备样品，利用基于飞秒激光TriBeam系统、FIB以及EBSD技术对样品进行逐层扫描，获得每一断层的EBSD数据，再进行三维重构，从而得到晶粒组织的三维形貌。利用K均值聚类算法，获得晶粒的形核位置，以形核位置的取向为基准，标定晶粒在生长方向上的的取向差，并讨论了三维晶粒形成的原因，发现随着晶粒在热梯度方向上的凝固，晶粒最后凝固的部分具有最大的取向差；并结合Scheil-Gulliver凝固模型，分析得到取向差与元素分布的存在对应关系。 晶粒组织的三维形貌重构 增材制造过程中形成的偏析很难通过后续的热处理消除，而偏析对于材料的性能具有不利影响，如材料的耐腐蚀性能。材料中形成的局部取向差可能会导致应力集中，这对材料的力学性能不利，进而降低材料的使用寿命。 通过调整增材制造工艺参数，控制材料的凝固过程可作为减小凝固形成取向差的一种方法，从而提高材料寿命。同时，可根据传统材料的成分，调整成分配比，减小凝固过程中低温条件下的液相体积分数，从而减少偏析。这为增材制造的材料成分设计提供了一种思路。 元素分布于取向差的对应关系 增材制造控形与控性 增材制造具有丰富的科学内涵，主要体现在：围绕“增”字，涉及“工艺调控基础”，对于激光增材制造则涉及高能激光与金属粉体作用机理及复杂构件逐层堆积工艺调控机制；围绕“材”字，涉及“材料设计基础”，主要涉及增材制造金属、合金、陶瓷及复合材料设计制备方法及成形机制；围绕“制造”一词，则涉及“结构与性能基础”，尤其是增材制造构件微/宏跨尺度组织与结构优化及性能调控机理。 美国国家增材制造创新研究院发布的新版美国“增材制造技术路线图”将设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个技术领域设定为关键技术领域，并按照技术成熟度分别对各领域在2020年前的发展重点进行规划。路线图特别强调：在设计方面，需对增材制造结构、工艺、组织及性能/功能进行广义的设计与调控；在材料方面，实现增材制造现有材料及新材料的系列化；而在工艺与性能方面，需提升工艺调控及性能评价能力。可见，激光增材制造构件要实现控形与控性，需通过材料—结构—工艺—性能一体化调控与优化，这是由增材制造技术自身的科学内涵所决定的。 增材制造凝固过程的晶粒取向梯度研究，无疑是从微观尺度进行成型过程控制的工艺研究和材料研究，最终的结果将是有助于增材制造控形和控性的实现。 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.金属材料选择性激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 2.采用人工智能和3D打印设计超级材料 3.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 4.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金

2019年11月21日，在德国不来梅举办的欧洲航天技术博览会上，一些航天设备制造商表示他们完全看好3D打印将带来制造技术的革命，但也指出大家对这项技术的期望不要过高。这到底是为什么呢？ 3D打印经过30多年的发展早已不再是什么新鲜事物，小到儿童玩具和纪念品，大到火箭、飞机的承力结构，都有它的身影。在如今的航天产品制造过程中，可以说采用3D打印早已不是新闻，不采用3D打印才是新闻。 航天领域新旧运营商均积极拥抱3D打印 在液体火箭发动机制造领域，3D打印的应用已经非常普遍。国内民营航天领域，深蓝航天和蓝箭航天率先开启了全3D打印的火箭推力室的制造和实验，两家公司在去年均完成了不同科目的热试车。 中国深蓝航天采用选区激光熔化3D打印工艺制造的液体火箭发动机推力室 国外火箭制造领域，应用3D打印最激进的当数Rocket Lab的电子火箭。该公司的卢瑟福发动机主要部件均采用3D打印，每次打印需要24小时。截至2019年7月，Rocket Lab取得了里程碑式的进展，成功完成了第100台3D打印火箭发动机的制造，其中70台已经投入太空使用。 Rocket Lab 3D打印的火箭发动机 此外，老牌航天公司也积极拥抱3D打印。以美国液发领域最具代表的洛克达因公司为例，该公司的拳头产品之一RL-10系列膨胀循环氢氧发动机，服役超过半个世纪。但一直以来，该发动机的制造成本始终居高不下，单台采购报价曾高达3000万美元。 2017年，洛克达因公司在RL-10C-X项目中使用3D打印制造铜合金推力室和喷注器，替代了原有的钎焊不锈钢管阵列，周期缩短一半，不仅零件数从28个减少到6个，还消灭了上百条焊缝，并经历了超额定功率试车的严峻考验。 含有3D打印核心部件的RL10C-X火箭发动机热火测试 NASA多年来一直在开发面向增材制造的火箭发动机高温合金，并相继有GRCop-84（Cu-8% Cr-4% Nb）和GRCop-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）等材料面世。2019年5月，卫星发射公司Virgin Orbit采用GRCop-84铜合金和增减材一体制造工艺为NASA打印了发动机燃烧室，其几何形状与传统设计相同，但工程师能够使用不同材料更快地构建腔室。3D打印为推力室的制造节省了数月时间，热火试验证明基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。 采用增减材一体制造工艺生产的火箭发动机推力室 对于复杂零件，采用传统的“车钳铣刨磨”等材料去除方式时，需要逐个加工零部件，再经装配而成，而3D打印能够一体成型，甚至支持不同材料混合打印，免去了繁复的机加工、焊接和装配流程，使成本和制造周期呈几何倍数下降。 在原型阶段，3D打印可节省工装、开模等成本，能快速适应设计团队的变更。而在实际产品阶段，尤其是基于金属粉末和激光烧结技术的成品，不仅能够快速成型出一体化零件，同时其凝固组织亚结构细小，不但没有因3D打印而降低力学性能，反而零件的力学性能普遍优于铸造件，部分甚至接近同成分锻件。 3D打印正逐步介入到安全和可靠性要求最为严格的载人航天器上。 基于该技术的逐步成熟和应用的不断深化，一些企业开始将3D打印应用于载人航天器。 2020年1月19日，SpaceX“龙飞船”高空逃逸测试成功，验证了载人飞船在发射过程中遭遇最极端状况时的逃生能力，这是其进入太空前的最后一个重要测试。“龙飞船”逃逸发动机—SuperDraco也大量采用了3D打印技术。因为发动机紧贴航天员所在的加压舱舱壁，对安全性和可靠性要求极高，而同时其内部几乎所有的冷却通道、喷油头和节流系统采用传统工艺都很难制造，而采用3D打印则可以自由成型。此外，发动机的核心部件—燃烧室，采用镍基超合金实现了选区激光熔化3D打印制造，蜂窝状的燃烧室喉部支撑结构一次成型。 spaceX“自爆”测试成功 除Spacex外，洛克达因公司为“猎户座”制造的姿控发动机喷管延伸段也采用了增材制造技术。该发动机是洛克达因公司首次将3D打印应用在载人飞船上。 “猎户座”姿控‍发动机热火测试‍ 但我们也要看到，3D打印发展至今仍有其局限性，在航天领域并不是“万物皆可打印”。 其中的原因首先在于3D打印局限于工作原理，在材料上有适用范围。以液体火箭发动机为例，3D打印对零件的体积和结构都有要求，高能激光束反复熔融过程不亚于对金属进行反复热处理，累计的应力和冷却不均匀等问题会导致大尺寸或承力零件内部出现裂纹和孔隙。 其次，目前的3D打印成品受限于技术水平，很多时候精度有限，在实际装配之前大多离不开传统机械加工。从结构复杂性看，3D打印技术确实可以用来制备结构复杂的大型零件， 然而结构越是复杂，其后续机加工步骤也同样越复杂。因此采用3D打印技术制备复杂结构件对机加工技术同样有强烈的依赖性。对于一些无法进行机加工的复杂结构件来说，即使采用3D打印技术制造出了近净成形的毛坯也没有任何意义。 3D打印的产品尚离不开机加工等后处理手段 还有，某些型号产品进入大批量生产后，相较传统专用工装、模具支持下的批量生产模式，只能逐一制造的3D打印在生产效率上的优势会迅速丧失；而且随着批次的增加，传统设备和模具成本被不断摊平，3D打印产品在成本上也很可能优势不再。即使对于小批量产品，3D打印工艺与常规变形工艺的原材料制备成本差异也很大。 最后，某些结构复杂的3D打印零件也为质检工作带来了新的挑战，比如喷注器，以往只需要在装配前对零件进行逐个检验，但一体成型后只能一次完成，难度陡升。 相比而言，3D打印技术更适合于原材料成本高、战略意义重大、形状结构复杂的金属材料。 END 在航空航天领域的各类型号产品中，除去部分铸造、粉末冶金结构件外，大部分金属结构件都是由板、棒、管等型材和异型材组合而成，这些型材可通过传统的变形工艺得到。因此，通过传统的变形制造工艺，基本可以满足绝大部分金属结构件的制造和性能指标。 只有在结构特别复杂或外形独特、常规方法不便制备、结构件成形一体化（无焊接或其他方式连接等）等需求时，才可能有必要尝试3D打印的方法进行制造。从目前来看，在火箭、卫星等产品制造领域，3D打印是绝佳的补充，暂时称不上彻底颠覆和替代，只有根据产品本身需求和特性合理组合运用增材制造和传统制造，才能最大化两者优势，真正节省时间和成本。 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.Rocket Lab生产第100台3D打印的火箭发动机 2.采用3D打印工艺--深蓝航天液体火箭发动机整机变推力长程试车圆满成功 3.航天529厂助力中国卫星3D打印产品在轨应用常态化 4.2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

选择性激光烧结（SLS）是工业应用中最受欢迎的聚合物3D打印技术之一。自30年前问世以来，SLS技术已经逐渐成为一种能够进行功能原型制作的成熟技术，近些年来还被用于最终用途部件的生产。硬件和材料领域的持续创新促进了该技术更加广泛的应用，以及终端用户开发新应用的意愿。 本篇文章，我们将概述SLS的发展历史及最新发展，以了解有关该技术当前和未来更多的机会信息。 SLS发展简史及新技术 激光烧结使用大功率激光逐层将粉末熔化，该技术的主要优点之一是其打印过程不需要任何支撑结构，极少的内应力和来自粉末的自支撑，使SLS打印件能够自由成型。 尽管SLS打印的概念在1980年代就已诞生，但第一台SLS工业打印机直到1992年才被DTM（Sinterstation 2000，DTM后来与3D Systems合并）商业化。随后，1994 年EOS推出了EOSINT P350。此后，越来越多种类的打印机开始进入市场，标志着工业环境下更快、更大规模打印时代的开始。 1.EOS SLS技术的发展 德国聚合物和金属3D打印公司EOS可能是市场上最大的SLS设备生产商。2016年，该公司在全球安装了约3000台设备，其中51％是SLS系统。 在其30年的发展进程中，EOS已经将SLS技术发展到成熟的技术水平，适用于原型设计和生产中的多种应用。EOS于2006年推出了FORMIGA P100，该系统在引入塑料行业多年后，为塑料行业的工业3D打印质量设定了标准，具有里程碑式的意义。 FORMIGA 110 Velocis 3D打印机 2012年，EOS推出FORMIGA 100的后继产品FORMIGA P110，该产品在3D Hubs的《2018年3D打印机指南》调查中被评为最佳激光烧结打印机。P110的总构建尺寸为200×250×330mm，可实现更具成本效益的小批量打印，并用于中等尺寸的原型构建和具有高度复杂形状的零件。 快进到2018年，EOS通过对P110升级改造推出了FORMIGA 110Velocis，它具有改进的加速加热系统和重复铺送粉技术，并使用软件控制以更高的速度用30瓦激光束预热聚合物材料。通过进一步的技术改进，Velocis的生产率提高了20％，并且打印区域的温度分布更佳，从而使零件质量更加均匀。 高温SLS 尽管SLS中最常用的材料仍然是尼龙，但EOS还希望能够打印更高级的材料，如PEEK，该材料需要更高的温度才能打印。 2008年，EOS第一个高温SLS平台EOSINT P800面世，内部操作温度可高达385°C，从而将SLS技术扩展到了PEEK等热塑性塑料的新范围。 EOSP810激光烧结系统 10年后，EOS推出高温3D打印机P810，该打印机据称是世界上第一款针对碳纤维增强PEKK材料的高温激光烧结系统。 持续创新：FDR和LaserProFusion技术 EOS在SLS技术领域的改进和创新获得了持续发展。在2019年Formnext展会期间，EOS展示了其基于聚合物的具有精细细节分辨率（FDR）的3D打印技术。FDR工艺使用CO激光进行聚合物烧结，部件具有精细的细节分辨率，最小壁厚可达0.22mm。该技术打破了传统上的CO2激光烧结技术，EOS也因此成为第一家开发用于粉末工业3D打印的CO激光解决方案的制造商。 a. EOS采用CO激光打印的复杂零件；b. 两种激光打印的零件表面光滑度比较 FDR技术专注于精致组件，而EOS的另一个解决方案（尚未商业化）LaserProFusion技术旨在最大程度地提高生产率。该技术使用多达100万个二极管激光器，能够产生超过5千瓦的累积激光功率。这项技术的主要目的是满足批量生产的要求，EOS表示它可以在许多应用中替代注塑成型。 LaserProFusion技术整个截面同时烧结 自26年前第一台SLS 3D打印机问世以来，EOS一直是SLS技术取得巨大进步的主要推动力之一。它一直在推动SLS成为批量化的生产解决方案，并最终获得成功。 2. 华曙高科Flight光纤激光烧结技术 另一家深耕SLS技术的公司是华曙高科。为了使SLS更快、更精确，华曙高科于2019年推出了Flight技术，即使用光纤激光器代替标准的CO2激光器。 光纤激光能够向粉末床输送更多能量，并改善材料的能量分布。这是因为光纤激光能够实现更小的光斑尺寸，从而转化为更高的功率密度，允许在更短的时间内烧结粉末，同时可实现更佳的细节。 华曙高科Flight技术与EOS LaserProFusion技术产能对比 在效率方面，Flight技术在相同的时间内相比传统的SLS工艺在产能方面提高了数倍，比HSS高速烧结工艺提高了3倍。Flight高分子光纤激光烧结技术，在效率、产能、打印细节品质方面，把SLS工艺带到了新的发展阶段。然而由于高分子材料对光纤激光固有的低吸收率，该技术的关键点可能在于材料技术的改进。 3.Aerosint混合材料SLS 3D打印 尽管EOS和其他知名的SLS厂商主要致力于光源系统方面的创新，但比利时初创公司Aerosint已经采取了更为激进的方法来开发SLS系统，它能够使用两种不同的粉末进行打印，其中一种廉价粉末用作支撑材料。 通常，SLS机器仅能使用一种材料，其中未熔化的粉末起到支撑作用，然而往复的高温加热使材料的性能大打折扣。当前，克服此问题的唯一方法是将旧粉与新粉混合，根据一家服务商提供的数据，其每月购买的500公斤粉末中，有25％成为最终部件，25％被浪费，剩下的50％需要不断混合新粉进行使用。作为SLS的打印材料本身往往价格非常昂贵，如果粉末可以100％重复使用，将会节省大量成本。 Aerosint选择性粉末沉积技术使用特殊装置来沉积两种或多种材料 在这种情况下，引进一种可以使用的、便宜的支撑材料，并使用第二种材料进行零件打印，可以为该工艺节省大量资金。Aerosint“选择性粉末沉积”技术，是通过有选择地从旋转的转鼓上沉积粉末材料来实现的，该转鼓穿过整个打印区域，一个转鼓沉积一种材料，因此至少使用两个转鼓来实现多材料沉积。 Aerosint可以实现高达200mm/s的打印速度，与铺粉辊送粉速度基本一致。该技术的成熟将为制造商带来大量机遇，包括减少粉末浪费，节省材料成本和减少后处理时间等等。 4. 台式SLS 3D打印机的诞生 2014年，随着SLS原始专利的到期，市场上涌现了许多新公司，最典型的一项转变就是台式SLS打印机的涌现。虽称为“台式”，但其体积并不小，而且足够紧凑以适合车间环境。台式SLS打印机的出现为无力承担工业激光烧结系统的生产者和小型企业降低了使用该技术的门槛。 这些新兴的企业包括波兰公司Sinterit、意大利公司Sharebot、瑞士公司Sintratec以及美国Formlabs公司。Sinterit一直是这个不断增长市场的领先者，其推出的其中一型设备的成型尺寸为150x200x150mm，最小层分辨率为0.075微米，非常适合希望引入SLS技术而无需在大型设备上投入过多成本的小型企业。Sharebot推出的100x100x100mm尺寸的打印机，仅用300g的粉末就可以进行打印，特别适合材料开发应用。 Sinterit Lisa Pro 台式 SLS 3D打印机 该细分市场的一项潜在重大创新当属Formlabs在2017年推出的Fuse打印机，它具有165x165x320mm的成型尺寸，采用光纤激光成型，价格约为10000美元，计划于2020年中上市（光纤激光打印尼龙，华曙高科和Formlabs谁更早？）。 廉价的台式FDM、SLA / DLP 3D打印机在2010年后大量涌入，在对增材制造行业的发展做出重大贡献的同时，也造成了行业的混乱。SLS技术的低成本转化才刚刚开始，相信最终会在更广泛的行业和企业中得到应用。 下期，我们将介绍SLS新材料和新应用的演变。 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.EOS与惠普的批量化制造技术之争：LaserProFusion与MJF 2.中国高分子材料3D打印发展现状概览 3.高速烧结技术是怎么回事 4.惠普多射流熔融技术与激光烧结技术谁优谁劣，该如何选择