金属3D打印的产出情况，相信从事这个行业的很多公司都做过计算，据国内某3D打印服务商提供的统计数据，其年度金属零件净重与材料的总消耗（同种材料）之比由于材料的不同从1:3.8到1：2.5不等；另一医疗行业研究机构的金属3D打印材料产出比为1:1.5，通过这两项数据，我们可以知道金属SLM的材料产出率约为26%-67%，实际上多数情况不足50%。当然这个范围并不具备权威性，但却具有一定的代表意义，笔者计算了本单位的产出率也在这个范围之间。 SLM产生的支撑结构和浪费的粉末 这意味着，3D打印虽说节省材料，但同样会造成大量的材料浪费。这些消耗的材料包括支撑结构、废件、被循环系统带走的金属粉末以及粉末筛分过程产生的损失，被循环使用多次的粉末，也需要混合新粉才能继续使用。 3D打印的高成本很重要的一个因素来自于材料，通常情况下，金属打印的支撑结构、废件以及污染的粉末无法再使用，企业多会丢弃而且要付处理费，也许有的企业会当做废金属变卖，也许还有其他的途径，但损失是极大的，我们也在此处做个统计。 在材料本身很昂贵的前提下，如此高额的浪费，造成了如今使用成本的高昂。那么这些打印后的支撑结构和废件，能否重复再使用呢？能用来做什么？金属粉末制造商6K Additive给出了答案。 ▌使用CNC铣削、磨削废料，3D打印支撑、废件生产优质金属粉末 6K所使用的工艺既不是已被广泛使用的气雾化法，也不是等离子旋转电极等方法，而是采用一种称为微波等离子体的制粉工艺。更为重要的是，它所使用的原料是CNC铣削和磨削的废料，并志在将功能扩展到3D打印的支撑结构、不合格的零件以及由于多次循环使用产生的不合格粉末。其目标是使用供应链中100％的3D打印材料，为增材制造应用端提供一种新的方式来管理项目成本和控制供应链，同时还可以促进增材制造向循环经济发展。 促进增材制造向循环经济发展 据6K CEO介绍，气雾化法至少有50％的成本来自粉末的产量损失，而微波等离子体工艺的制粉效率高达90-95％。该工艺能够非常精确地控制金属熔化成液滴的环境条件，通过调整时间、温度和流量大小，可以产生大量近乎完美的球形金属颗粒。 微波等离子体的制粉工艺原理 制粉原料的低成本及极高的制粉效率，导致了粉末成本的下降。进一步的，这种效益又蔓延至应用端，用户的使用成本也因此而降低，由于浪费造成的损失也得以降低。粉末成本，影响了整个生产周期的成本。 ▌可用于SLM、EBM、粘结剂喷射等3D打印工艺 上月，6K Additive推出了其采用微波等离子工艺和机加工废料为原料生产的高级In718镍基高温合金粉末，同时，基于该工艺6K公司还推出有钨、钼、17-4PH不锈钢、IN625以及TC4等粉末产品。除此之外，6K公司还在开发3D打印用非共晶合金粉末，如高熵合金、特种铝合金等。 6k微波等离子体工艺已生产的粉末 据介绍，由于微波等离子体的高度均匀性，该工艺生产的粉末具有高球形度、零孔隙率，高流动性和振实密度，并且消除了卫星粉。通过金属回收策略，6K将粉末分级为不同的制造工艺用粉，如SLM、EBM、粘结剂喷射、激光粉末沉积以及粉末冶金等工艺。其接近100％的细粉收得率是气雾化工艺的3-4倍。 使用Onyx In718打印的火箭喷嘴 在材料性能方面，美国领先的增材制造研究和先进制造解决方案提供商Castheon介绍，使用6K的In718粉末获得的材料强度和延伸率比此前都要高，热处理后可以获得各向同性的晶粒结构和性能。 Castheon使用Onyx In718打印的涡轮叶片 END 目前，6K Additive团队每年可以在航空航天、医疗和汽车行业回收和销售超过500吨的Ti-64，这为该公司提供了大量的工程原料。 回到话题本身，用于金属增材制造材料的匮乏是批量生产的重要限制因素，这是一个恶性循环：需求放缓意味着更少的材料开发，进而导致应用受限。虽然发展缓慢的原因很多，但成本一直备受诟病。6K所提供的3D打印废料再利用方案，不仅仅防止了材料浪费，降低了企业成本，更在于真正将金属打印打造成为循环经济。 本期上传内容：6K公司工艺与产品详解PDF 往期上传内容：粉体特性及杂质对打印质量的影响，粉末循环使用的寿命问题、航天用高品质粉末、材料形态对制件性能的影响等 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.3D打印金属粉末成型工艺 2.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 3.粉末一致性对3D打印的意义 4.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

当前，增材制造已成为材料制备科学和先进制造技术学科领域国际前沿研究和竞争热点之一，也是企业实现数字化制造期待实现的首选制造技术。它改变了产品的制造方式，得到了多领域制造业巨头的青睐。本期，我们来看西门子如何使用这一技术，并介绍其端到端的增材制造解决方案。 制造行业对工业新技术的需求 ▌西门子端到端的增材制造解决方案 目前市面上的增材制造功能软件功能单一，只注重3D打印的制造输出部分，缺乏面向增材制造特点的设计、仿真和流程管理，众多客户只能选择很多不同厂家的软件拼凑在一起，这种多个软件的来回繁琐操作会带来数据转换丢失，流程和数据管理困难，无法实现仿真拓扑优化快速实时修改设计的闭环，生产效率无法提高，大大制约了增材制造的大规模工业化应用。 增材制造产业化的现状 一个完整的增材制造平台已经成为工业领域普及增材制造技术的关键。西门子公司把软件和机床系统解决方案同增材制造进行集成，已经为增材制造开发了一个端到端的设计建造开发平台，涵盖从概念、设计、制造到车间操作及自动化的所有过程。在西门子提供的增材制造系统平台中具备传统三维CADCAECAM能力，同时推出了拓扑优化设计、针对多种3D打印方式的工艺辅助设计准备、输出、校验，增材制造设备连接处理器等崭新专业功能。 西门子完整的一体化增材制造系统平台，通过重塑设计、重组制造、重构业务，着力于实现增材制造的工业应用。 西门子增材制造端到端解决方案 ▌面向增材制造的创成式设计 西门子采用创成式设计技术，可以从产品设计开始就将性能需求纳入考虑，生成可以满足所有性能需求的最优轻量有机形状，在设计零件的几何图形和拓扑时提供不受限制的自由度。新的创成式设计技术可以减少重量和材料，甚至具有性能优势。 对传统设计零件进行重塑的工作流 拓扑优化技术-西门子的拓扑优化包括面向设计师直接集成于NX CAD的Topology Optimization for Designers和面向分析师的Simcenter Nastran Topology Optimization，两者都提供在特定的设计空间生成满足各种产品性能、材料和制造需求的创新性结构，通常所产生的结构形状更适合于增材制造技术。 西门子面向设计师和分析师的拓扑优化技术 收敛建模™技术：对于工程师而言，这一创新技术大大简化了由小面体、曲面和实体组成的几何图形的处理过程。这个创成式设计方法可以帮助工程师优化用于 3D 打印的零件的设计，并且加快整个过程。 从扫描到打印-通过使用收敛建模技术，用户可以立即开始用扫描的数据来设计产品。通过将收敛建模与直接由 NX 提供的 3D 打印制造零件的能力结合起来，简化了增材制造过程。这个新的“扫描 -编辑 - 打印”工作流支持 3D 制造格式（3MF）和微软的 3D 打印功能。 收敛建模实现了“扫描到打印”工作流 晶格设计：集成的晶格结构设计，使用晶格命令可创建轻量级结构收敛体，这些收敛体可以使用增材制造技术生产。您可以选择多个不同单元格类型，并指定单元边长度和杆径。还可以指定晶格的放置和方位等。 NX晶格设计 3D打印设计规则：验证用于 3D 打印的设计是整个过程中的一个关键步骤。NX 提供了用于检查下列内容的验证工具： •可以规定最小壁厚，确保零件的可打印性 •可以用悬垂角度来识别在打印时需要支撑的零件区域 •可以识别全封闭体积，确保对这些区域可进行高效的打印后处理 •可打印体积能够快速计算零件是否与打印机打印体积匹配 这些验证工具可以帮助进行数据准备，确保设计零件的可打印性。 拓扑优化考虑基于增材制造工艺的产品设计规则，以确保产品的可制造性。 基于增材制造工艺的产品设计规则 ▌面向增材制造的性能及工艺仿真 仿真工程师能够用 Simcenter™ 产品组合进行增材制造产品的性能仿真，以确保产生的结果满足所有必要的性能标准。工程团队可以用 Simcenter™ 产品组合满足结构强度、热、流体动力学、振动噪声、电磁、多体动力学、疲劳等各种性能要求。 基于增材制造设计的产品性能验证和优化迭代 Atlas 3D面向设计师的增材制造工艺仿真： 3D 打印的高失败率是企业利用增材制造实现批量生产需要面对的关键挑战之一。零件通常需要经历多次设计和分析迭代，才能确定最优构型取向和优化的支撑结构。通常，结构设计师无法胜任同时考虑零件设计的优化、结构变形和散热均匀性的多学科综合分析，于是解决这些问题的重担便落到了工程专家的肩上。 西门子近期完成了对Atlas 3D, Inc. 公司收购协议的签署。Atlas 3D 公司的 Sunata™软件通过为前端设计师提供一种简单快捷的自动化方法，使其能够更接近“首次即正确”的创成式设计，从而解决这一问题。 • Atlas 3D 可帮助设计师确定最优零件制作方向，实现3D 打印“首次即正确”。 • 基于云的 GPU 加速…

近年来，3D打印材料市场随着需求的增加正在迅速增长，越来越多的企业购买打印机并扩展增材制造技术的使用量。2019年，3D打印材料市场的规模超过15亿美元。在未来五年中，这一市场它有望突破45亿美元。在这一巨大市场增长的驱使下，材料供应商尤其是巨型化学公司和金属材料生产商，越来越多地参与该行业，除了开发新材料外，它们还为3D打印技术的产业化做出了巨大贡献。 本期，3D打印技术参考深入介绍本行业材料市场在2019年的发展情况，哪些公司正在推动市场发展，哪些趋势正在塑造未来。 聚合物是最常用的3D打印材料就市场份额而言，聚合物仍然是最为领先的3D打印材料。从2014年到2018年，全球3D打印材料收入的80.6％来自聚合物，2018年达到34亿美元。捷普公司对308个3D打印用户进行的调查显示，2018年有74％的用户正在使用或使用过聚合物3D打印材料。 3D打印材料市场分布（来自Wohlers Report 2019） 聚合物材料的高市场占有率得益于此类材料打印设备的最为便利的安装和使用基础，无论是SLA还是FDM，操作和使用都更容易，成本更低。 ▌更多地关注高性能热塑性塑料 尽管光敏树脂、PLA和ABS等中低性能聚合物占据市场主导地位，但目前市场对能够承受高温、腐蚀等恶劣环境的高强度、功能性材料的需求正在不断增长。3D打印行业正在通过开发高性能热塑性塑料（如碳纤维增强复合材料，ULTEM，PEEK和PEKK）来响应这一趋势。 这些材料不仅能够用来打印功能原型，甚至可以直接制造各种工业应用的最终用途零件。在整个行业中，化学公司正在越来越多地开发这些先进材料，特别是用于增材制造的材料，如巴斯夫、索尔维和赢创等。 3D打印PEEK 许多3D打印设备商也在与这些公司紧密合作，以适应这些材料所需的3D打印硬件。例如，知名的高性能聚合物3D打印机制造商Roboze与SABIC合作开发了一种名为EXTEM AMHH811F的非晶热塑性聚酰亚胺长丝。这种新材料具有高达230°C的热变形能力，耐高温性能出色，其玻璃化转变温度为247°C的，被合作伙伴认为这是所有可3D打印的材料中最高的。此外，该材料还具有出色的阻燃性能，良好的耐化学性，并能够在高温下保持机械强度。 高性能热塑性塑料的开发对于3D打印的产业化至关重要，它们加快了该技术在医疗和航空航天等关键行业从原型到高级应用的过渡步伐。   3D打印的空客直升机ULTEM零件 目前，PEEK 已经开始用于创建患者的特定植入物，在此方面取得的进步及高增长潜力，促使赢创投资了中国上海Meditool公司，后者作为一家中国初创企业，专门从事用于神经和脊柱外科手术的PEEK 3D打印植入物制造。 ▌复合材料兴起 复合材料是高性能聚合物的又一个显著增长的领域。复合材料由热塑性基材和增强纤维组成。目前，用于3D打印的增强材料有碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉尔纤维增强。这些材料以粉末、粒料或长丝形式提供，短切纤维增强是最常见的复合材料形式，而连续纤维增强也在获得越来越多地探索。十一月，Desktop Metal宣布了其最新的Fiber 3D打印机，它能够用连续碳纤维增强尼龙、PEEK和PEKK材料。 SmarTech分析报告预测，未来五年全球3D打印复合材料市场将以22.3％的复合年增长率增长，此类材料在医疗、航空航天领域以及消费领域（如下一代汽车、能源和运输领域）的应用扩展中变得越来越重要。 3D打印的波音777X大型复合材料零件（20％碳纤维增强ABS） 在过去的12个月中，复合材料3D打印市场一直在发展，材料种类和应用都在迅速增加。今年早些时候，Continuous Composites与阿科玛合作，前者的专利连续纤维3D打印技术将与阿科玛的光固化树脂解决方案相结合，从而为连续纤维复合材料3D打印提供新的选择。同样，山特维克（Sandvik）创建了世界上第一个用于3D打印的金刚石复合材料，该材料具有出色的硬度和导热性，以及低密度、耐腐蚀和良好的热膨胀性，这种材料对太空应用特别有益。 复合纤维打印机具有双料盘：左树脂右纤维 石墨烯是地球上最坚固的材料之一，同时具有很高的电导率和导热率，其应用覆盖电池制造到航空航天等多个行业。10月，3D打印线材生产商Terrafilum与石墨烯纳米复合材料的设计和制造商XG Sciences合作，开发了用于挤出3D打印的石墨烯增强材料。此外，自2016年以来，弗吉尼亚理工大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员也一直在开发一种使用石墨烯进行3D打印复杂对象的新颖方法。石墨烯对于3D打印仍然是非常具有挑战性的材料，而且价格昂贵且难以生产。因此，石墨烯先进材料的3D打印仍处于初期阶段，但进展非常显著。 3D打印的高强度石墨烯，比不锈钢高10倍，密度仅为5%，结构是关键▌弹性材料呈现爆炸性增长 越来越多的公司将3D打印应用于消费品、医疗和工业应用，这些应用需要兼顾柔性、韧性和灵活的特点。这种需求推动了TPU和有机硅等柔性材料市场的增长。仅在过去的六个月中，就3D打印的柔性材料就发布了多条公告。 3D打印的tpu软管 7月，全球化工公司Huntsman推出了用于鞋类应用的柔性IROPRINT 3D打印材料系列。材料分为树脂、粉末和丝材三种形式，可用于生产鞋类、软管和垫圈，机器人抓手、密封件以及其他类似橡胶的应用。 9月，EOS推出了新的柔性TPU 1301粉末，从而扩展了其聚合物材料产品系列。该材料变形后具有出色的弹性和减震性，并且工艺稳定性极好。特别适用于运动领域防护装备和鞋底制造以及汽车领域的缓冲元件和防护齿轮等零件制造。 3D打印的TPU减震鞋垫（点击阅读） 10月，德国化学公司科思创对其TPU材料开发了新的应用：3D打印矫形鞋垫。由于其良好的性能范围，TPU是该应用的首选材料。科思创的TPU产品涵盖了广泛的硬度范围，可以通过改变鞋垫设计的结构来进行调节。这意味着制造商可以打印具有软硬接触区域的鞋垫，从而实现最终定制。 此外，有机硅弹性体科学的全球领导者陶氏还推出了两种新型的液态硅橡胶3D打印材料。该公司与Nexus Elastomer Systems以及德国RepRap公司合作，为3D打印用户提供3D打印的具有彩色和功能性的硅橡胶零件。 3D打印的彩色硅橡胶 显然，柔性材料的可用性使企业可以扩展新的应用，并从3D打印中受益更多。 ▌具有阻燃性的聚合物 在业内具有特定性能的材料正在获得较快的发展，阻燃性就是其中之一。这种趋势可能是受到来自交通和电子等对消防安全有严格要求的行业需求所推动的，这些行业正开始大量使用3D打印。 帝斯曼Novamid AM1030 FR是经UL认证的阻燃材料，可通过挤出3D打印成型，适用于汽车和电子行业。同样，Markforged也发布了自己的阻燃材料Onyx FR，同时它也是一种复合材料（尼龙填充短切碳纤维），是许多关键工业应用的理想之选。 Markforged短纤碳纤维复合尼龙阻燃材料Onyx FR 随着企业开发出越来越多的3D打印应用，特种聚合物材料的研究将继续发展，未来将出现的另一个高增长的领域可能会是具有更高抗紫外线性能的聚合物，这将有助于推动汽车领域的应用。 END 材料种类的多样化将为新兴公司和现有材料供应商带来高额回报，新材料进入增材制造市场的速度比过去10年要快得多。本期，我们介绍了聚合物材料的发展概况和发展机遇，下期，我们将推出陶瓷和金属材料篇，敬请期待。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读：1.先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 2.FDM 3D打印技术如何助力汽车行业应用 3.五大鞋类领导品牌使用3D打印引领鞋业制造的未来 4.TOP：10种最具创新性的3D打印医疗植入体

不久前，德国Fraunhofer IFAM（制造技术和先进材料研究所）与其合作伙伴共同开发了一款功能齐全的燃气轮机演示模型，其按照“西门子SGT6-8000 H”进行25倍比例缩小，整件模型除主轴外全部采用3D打印制造，实现了多结构一体优化、多工艺和多材料集成制造。借此，我们提出3D打印组装结构的概念，并对此进行介绍。 ▌考虑功能和基于增材制造的设计要求，进行零件集成或重新设计 SGT6-8000 H燃气轮机演示模型原始结构包含近3000个单独部件，这些零件无论单独进行传统加工还是3D打印，都极其耗时。研究人员通过根据结构功能的划分结合实际打印要求，对这些部件进行了一体化集成或重新设计，最终所有组件减少为68个。 据Fraunhofer IFAM介绍，这些组件实际生产之前的准备阶段也特别重要而且非常复杂。工程师必须考虑零件精度和表面粗糙度，还必须考虑支撑结构的必要性、数量以及零件各位置的特征尺寸。 西门子SGT6-8000 H燃气轮机 演示模型实际上是一个复杂的组合装置，其功能性是所有准备工作的前提，而3D打印的组件在大多情况下需要结合传统机械加工才能满足零件要求。例如，轴和涡轮必须能够在定子之间自由旋转，并且组合装置的各个组件必须以最简洁的方式彼此连接，3D打印的零件必须保证足够的加工余量，结合后续机加，才能满足不同连接方式、精度和表面粗糙度的要求。 零件在设计过程中得到了工艺工程师的充分配合，结合后者的制造经验，设计师在原零件的基础上进行了结构性修改，以此能够更加符合3D打印的结构取向同时又能够保证组件的功能性。其中，采用316L不锈钢制造的壳体结构在经过优化后完全不需要支撑。 ▌3D打印制造定标组装结构面临的材料问题 使用3D打印制造定标燃气轮机的主要限制在于材料。Fraunhofer IFAM及其合作伙伴使用了多种可商购的金属粉末，然而由于目前可打印材料种类的限制，实际部件的打印材料并非完全都与燃气轮机的目标材料相一致。 优化后的组件分别采用SLM和EBM两种技术进行3D打印，使用的材料包括铝合金、不锈钢和钛合金。其中，带有定子台的壳体组件使用Arcam Q20电子束熔化Ti-6Al-4V制造，涡轮和其他壳体组件通过激光束熔化打印。最终，Fraunhofer IFAM及其合作伙伴共同完成了这款功能齐全的燃气轮机演示模型。 3D打印的燃气轮机演示模型 采用3D打印制造组装结构，其实在历次展会期间已经多次出现，但它们大多不具备功能性。而此前我们介绍过的国内航发团队打印的微喷发动机则经过了试飞验证。 ▌中国航发采用3D打印制造组装结构的案例 中国航发动研所以一款微型涡喷发动机为技术验证平台，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。最为重要的是，这款发动机具备功能性，实验团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验，并取得成功。 中国航发3D打印的微型涡喷发动机内部结构 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%，发动机本体质量减轻17.3%。 2016年GE 3D打印的微型涡喷发动机测试过程 ▌工艺进步释放更高的结构设计自由度 在这些案例中，我们多次提到零件的重新设计或结构优化要满足增材制造的打印要求，这实际上就是在迎合金属3D打印目前仍难以克服的难点，即支撑的添加与去除。支撑的添加限制了金属3D打印更加复杂的结构的能力。 SLM从传统有支撑打印到无支撑打印的工艺进步 从今年的SLM的发展趋势看，设备商似乎对此问题有了更多的重视。多个品牌在宣传中提到，其目前可以打印45度以下的结构，甚至能够实现低至15度的无支撑结构打印。在这些宣传中最引人注目是来自velo 3D的近乎无支撑的金属打印工艺。 SLM技术在大规模减少支撑的前提下，必然会给复杂零件的设计进一步带来灵活性。这些案例也再一次告诉我们，3D打印的优势在于生产那些传统加工方式难以加工出来的产品，从改变产品设计的源头创造产品附加值，而工艺的进步将使产品附加值进一步提高。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.中国航发：基于增材制造的微型涡喷发动机轻量化设计及试验 2.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 3.全球最大一体式3D打印火箭燃烧室，获美空军150万美金资助 4.velo 3D SLM无支撑智能系统

2019年11月29日，北航侯慧龙副教授以第一作者身份在世界顶级期刊《Science》发表了最新研究成果，论文发现3D打印的制冷材料镍钛合金，可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了3D打印在优化固态制冷技术中的潜力。本期我们不仅要介绍这项研究，还将介绍能够开发超级材料的3D打印工艺。 北航Science最新成果封面 ▌制冷技术介绍 空调和制冷每年消耗全世界约五分之一的电力资源。更高效、更环保的制冷技术在最近十几年发展迅速。固态制冷技术（包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他）近年来引起关注。 弹性冷却效应 应力制冷技术（或称弹热制冷，是机械热制冷的形式之一）是通过外应力场的施加和移除可逆地改变材料的晶体结构对称性的引起材料放热和吸热。该技术发明于2012年，因其巨大的潜热效能，在2014年美国能源部统计的能够取代蒸气压缩式制冷的17种可选技术中排在首位。同时，应力制冷样机和应力蓄热热泵也在不断开发，以期接近实际应用。然而，应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率，并且其对制冷性能的长期稳定性影响也未得到解决。 ▌增材制造镍钛合金：首创性地为长寿命材料制造、选取和工程设计提供科学依据 增材制造镍钛合金能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料。通过精巧设计的“工艺-微结构-属性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉积技术中的局部熔融和快速冷却的特点，调节元素粉末的比例达到近共熔成分混合，实现在二元合金基体中镶嵌富镍金属间化合物的纳米复合微结构。所获得的应力制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后，相比于通常情况，其材料效率提高了4-7倍，并且在一百万次循环中拥有可重复的应力制冷性能。 图一：A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图；B. 镍钛合金相图；C-H. 作为范例展示，获得了柱状、管状和蜂窝状结构；F. 等温加载时各材料行为的对比；G. 绝热加载时各材料行为的对比；H. 各材料的滞后特性和效率的对比 先进的原位加载同步X射线衍射表征手段辅以微观力学模型揭示了二元合金基体和富镍金属间化合物的相互作用机制。基于实验观测创建了应力制冷材料输入能量耗散率与功能失效循环之间的唯象相关性，并且初步的实验统计显示该相关性可普适于固态制冷材料，首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。 图为3D打印抗疲劳、高性能制冷材料的示意图，作为范例展示，蜂窝状构件的形状和高度依次形成 增材制造应力制冷材料可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了增材制造在优化固态制冷技术的潜力。该项工作后续的研究将服务于国家在航空航天飞行器特种制冷技术的重大需求，结合北航航空科学与工程学院特色专业（包括飞行器结构强度和人机与环境工程），并与材料科学与工程学院、机械工程及自动化学院以及国内外相关单位合作进行。 注：研究全文已上传QQ群。 ▌激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力 在《采用人工智能和3D打印设计超级材料》一文中，我们提到，德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所借助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，并使用激光粉末堆焊技术，在具有挑战性的工作中开发新的超级合金。 通过激光粉末堆焊，可以整体制造由不同材料制成的部件，它可以将特定材料准确放置在需要其性能的位置。该技术为航空航天、燃气轮机开发更轻、更强和成本降低的部件提供了广阔的前景结合我们上周报道的中国留学生博士后Duyao Zhang发表的nature文章，也是采用了激光能量沉积技术制造超强材料钛铜合金。对比北航的最新成果，我们可以发现，这些研究普遍使用基于送粉的激光定向能量沉积技术开发超级材料。 激光能量沉积技术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，不同的粉末可以在激光的作用下实现共熔，构件的不同部位可实现不同的性能特点。因此，激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.采用人工智能和3D打印设计超级材料 2.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 3.大尺寸金属制造--激光熔化沉积技术 4.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法

随着3D打印在制造领域的普及，很多企业已经开始使用外发服务或内部购买设备来开启3D打印应用。然而在当前情况下，终端用户3D打印设备的开机率或使用率仍然偏低，3D打印所制造的零件成本较高，且以传统零件居多。如何遴选适合3D打印的零件，让产品创造更高的价值，成为传统企业使用新技术无法绕过的问题。本期，笔者将从三个维度分析3D打印对零件的应用性和发展性。 ▌为什么3D打印机用不起来？ 用户在购买设备的时候往往有很大的期许，销售商会宣称这台设备可以打印手板、夹具、甚至功能产品，其展示的PPT和国外案例也非常高端。然而现实是，用户把设备买回之后用起来或用的好的却不多，其主要原因有以下几个方面： 1. 应用受限 目前，3D打印虽然在航空航天、汽车、医疗等领域获得了很大的发展，但这些行业往往存在相当大的壁垒，绝大部分用户无法进入这些领域。普通用户的大部分3D打印应用仍集中在手板行业，而手板的实际需求量以及已经存在的较多的服务商，使得服务利润微薄，设备投资商靠量回本变得困难。 2. 只看表面成本，忽视其他利好 这涉及到对3D打印价值的认同度，如果将其视为与传统加工一样，用于制作传统零件，3D打印所使用的材料和工艺形式天然的导致其制造成本高昂。实际上，3D打印应该去做传统加工手段无法做到的事情。使用3D打印制造零件仅是最初级的意义，用户还需要利用其快速制造和复杂制造的特点提高研发速度，更快的占有市场，同时利用它去优化供应链；如果从业者把设计和创新思维融合进去，3D打印所制造的零件将会有更高的附加值。但很多的用户目前仅关注到材料成本很贵、维护麻烦、用不起，看不到后续价值。 3D打印产品的增值空间 3. 不知如何扩展应用 在很长一段时间内，用户购买设备的初心往往是采用一种新技术来制造传统零件，如开发新产品，快速占领市场，或者单纯的做3D打印服务。对产品持续创新能力的缺失，使3D打印应用一直停留在低端制造；而服务商通过拼价格的方式争取客户，经营也面临困境。实际上这都是不知如何扩展应用的表现。 以上几种情况都是笔者根据从业经验所看到的现象，这些原因都影响了内部3D打印机的使用率，而且还有可能是内部的3D打印机满足不了自己的全部需求，如买了塑胶的机器就打印不了金属等等。但无论是持有设备还是外发抑或是组合方案，对于想在自身业务上发展3D打印应用的公司来说都存在着一个困惑，即缺少一套有效的方法来最大化地使用3D打印，缺乏提高产品价值的能力。 哪些零件适合使用3D打印 接下来笔者将阐述EOS在遴选适合3D打印零件和提高产品价值方面的方法策略，希望能帮助到读者快速地评估自家业务的产品，匹配3D打印应用。 ▌零件的筛选要评估技术和经济适用性 技术适用性要明确3个问题： ●零件的尺寸是否符合设备的成型尺寸？ ●3D打印的材料是否跟零件的原有材料接近或相同？某些低强度要求的金属零件是否可以“以塑代钢”？ ● 3D打印是否能满足零件的性能要求？包括机械强度，表面粗糙度，尺寸精度和使用环境或者认证（如航空、医疗）等。 判断3D打印的零件能否满足性能要求 经济的适用性，也须明确3个问题： ●零件是否足够复杂使得3D打印的成本小于传统工艺 ●3D打印的单件成本跟传统工艺对比差多少？ ●3D打印使得零件可产生哪些增值效果？ 3D打印对于形状复杂而小批量的零件更具优势 3D打印的单件成本应该通盘考虑，包括设计优化和前处理的人工成本，设备的分摊和材料成本，后处理的设备分摊和人工成本，客户的订单量以及达到零件要求的后加工成本等。 3D打印的单件成本受到以上不同因素的影响 实际上很多时候我们计算出来的3D打印成本比传统加工高，是否采用3D打印进行生产就要计算增值效益能否抵过超出来的成本。可以叠加产品经过创新后获得的利润和效率收益以及运营效率提升后获得的经济和时间收益，计算整体的净收益然后比对溢出的3D打印成本。 ▌如何判断3D打印产品的增值效益 一是创新性，主要体现在新的设计、轻量化、定制化和多部件合并。 在模具制造领域，注塑模具的随形冷却系统完全是因为3D打印而诞生的新产品设计；在汽车和航空航天领域，特斯拉的金属打印车门支架和宝马I8通过MJF技术打印的车窗导轨以及航空航天工业的金属打印支架，均使用了拓扑优化使零件实现了轻量化；在医疗领域，根据踝关节损伤的病人个体特点定制的足部矫形器，使用3D打印获得了个性化、轻便且透气的功能，增加了佩戴的舒适性；而在航空发动机和燃气轮机制造领域，多部件合并一体化设计，增强了原来组装体的结构稳定性还减少了紧固件的成本和组装工时。这些都是通过产品创新实现的增值。 3D打印产品的创新性体现 二是运营效率提升，主要体现在：制造周期缩短、装配步骤减少、轻资产化和库存减少。 3D打印快在直接制造产品，减少了需求申请、外发等待时间和物流时间等中间环节，真正做到有需求马上能按时按量及时生产；通过多零件合并的部件，可以减少组装工序，从而减少相对应的产线成本，并使效率提升；相比传统的注塑成型，3D打印不需要模具且可以一次性加工不同设计的产品，从而对资产的投入仅是一台3D打印设备而已，减轻了资产负担；而3D打印快速生产的特点，可大幅地降低库存甚至做到零库存，也可减少大量成本。 3D打印带来运营成本的降低 ▌如何量化3D打印产品增值效益 采用一个简单快速的评估表即可检验零件是否适合应用3D打印。我们以一个机械设备操纵杆的案例进行说明。首先根据填写技术和经济适用性等级表格，得出指标等级。 通过表格评估技术和经济适用性 接下来是采用九宫格评估表格得出是否有必要采用3D打印制造，或是需要通过二次开发获取增值效益，后者需要探究轻量化、部件整合以及面向增材制造者的设计等优化策略。 通过九宫格快速评估零件 以上内容就完成了“零件的筛选”阶段。而如果零件需要进行二次开发，则这一流程将进入第二阶段，即通过面向增材制造的设计来优化产品和发展应用，并评估这些零件的业务量。如果零件的需求达到一定的程度，那么可进入第三阶段，即量产阶段。 END 对以上主要内容进行总结，可以得出EOS采用“三部走”的策略来发展3D打印应用，首先是筛选出合适的零件；第二步是针对某些适用性在临界点的零件进行优化，扩大应用量；第三步是利用杠杆加大3D打印零件的产量。这是从三个维度分析3D打印对零件的应用性和发展性，更详细内容将以PPT展现，欢迎进入QQ群下载。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.2019年度3D打印市场发展关键词：增长与活力 2.3D打印产业链：正在由导入期迈入成长期，行业整体毛利率较高 3.专门的增材制造业务部门对整个公司采用新工艺的重要性 4.当前工业企业对于增材制造的五大误解

由于人口老龄化、消费升级和政策扶持，中国骨科植入物市场近年来发展迅猛，市场规模从2009年的67.4亿增长至2018年的262亿，保持了较高的年度复合增长率。其中，创伤类、脊柱类和关节类是最主要的骨科植入耗材。 由于价值较高、对人体生命和健康有重要影响，植入物的生产和使用受到了严格监管。由于制造方式的进步，医疗器械的制造方式已经多种多样，近些年来3D打印的快速发展为医疗植入体的制造提供了新方式，同时也正在被国家药监局大力推进。然而，作为一项新的加工方式，3D打印的医疗器械也面临一项重要的安全性挑战—消毒灭菌，这对于高分子材料尤其重要。 3D打印正在逐步提高到一系列医疗器械更高的生产水平 ▌反复的热灭菌过程导致钛合金、高聚物等材料失效 医用材料在使用过程中需要经常消毒，然而一些聚合物可能符合化学稳定性或强度方面的规定，但可能会因长时间反复暴露于热灭菌过程而过早分解；钛合金植入物经受长期反复高压蒸汽灭菌也会造成材料疲劳引起断裂（氢脆失效）。对于使用特定温度形成聚合物的3D打印工艺，需要高耐热性也就意味着更高的加工温度。这可能需要特殊的高温打印机、加热床等设备，并可能需要一个封闭的内部空间来控制环境条件以防止医用材料被破坏。 钛合金植入体也存在疲劳断裂风险 3D打印的PEEK植入体（来源：陕西聚高） 在医用材料消毒中，挑战不仅仅是加热。用消毒剂擦拭设备等简单的操作会随着时间的流逝而降解聚合物。如下表格是熔融沉积（FDM）工艺可接受的相关卫生消毒方法，目前来说这可能是一种经济高效的零件制造与灭菌方法，可以针对医疗应用进行适当的灭菌。 常见的可消毒材料 材料 制备技术 灭菌方法 ABS M30i 熔融沉积建模（FDM） 伽马射线，环氧乙烷 PC-ISO 熔融沉积建模（FDM） 伽马射线，环氧乙烷 PPSF 熔融沉积建模（FDM） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 PA12(nylon) 选择性激光烧结（SLS） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 17-4PH Stain-less Steel 选择性激光熔化（SLM） 环氧乙烷，等离子体，伽马射线，化学试剂 ▌开发专门用于医疗领域3D打印的更高等级材料 目前全球有多家公司正在努力开发专门用于医疗领域3D打印的更高等级的聚合物。美国某公司去年提出某些材料特性是耐高温、耐化学腐蚀和耐磨损的并且同时宣布了三种新的用于医疗领域材料： 1.KetaSpire PEEK AM Filament NT1 HC； 2.KetaSpire PEEK AMFilament CF10 HC； 3.Radel PPSU AM Filament NT1 HC. PEEK打印机采用高温喷嘴 同年某化学公司一直在追踪医用设备中的聚合物，发现使用溶剂和其他化学物质对聚合物进行消毒可导致过早失效。为此，该公司开始了一项测试，该测试正在被更多公司采用。测试由不同半径的刚性夹具组成，将测试和对照样品安装到选定的夹具上，测试样品暴露于消毒剂中24小时，然后对测试和对照样品进行冲击测试，惊人的发现可以使用任何消毒化学品进行此测试。该公司目前正在与其他公司合作，以帮助医疗原始设备制造商（OEM）将正确的材料用于医疗应用，或了解在不同产品上应使用哪种消毒剂。 END 随着材料供应商越来越意识到对聚合物进行消毒的挑战以及3D打印在医疗行业中的优势，一些供应商正在大步迈进，将更高强度和耐化学性的塑料推向市场。除了灭菌之外，从3D打印原型制作到生产还有其自身的挑战。当然要使用灭菌材料，医疗市场的定制量和有限的投放量还需要进行一定的管制。 本期上传内容： 1.《国产骨科植入物制造中小企业供应链分析》 往期上传内容： 1.《定制式医疗器械监督管理规定》 2.《定制式医疗器械团体标准》 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 延伸阅读： 动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程 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 3D打印医疗植入体的安全性、国内审批流程及存在的问题医疗：PEEK相较金属植入物的优势与不足

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。 报告围绕机械与运载工程、信息与电子工程、化工冶金与材料工程、能源与矿业工程、土木水利与建筑工程、环境与轻纺工程、农业、医药卫生、工程管理9个领域，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。3D打印技术参考统计发现，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。 ▌机械与运载工程 机械与运载工程领域所研判的Top10工程研究热点和Top10工程开发前沿中新兴前沿与传统工程科技并驾齐驱，智能化、绿色化、微型化成为发展趋势，3D打印的制造形式恰好复合这一发展目标。 工程研究前沿 工程开发前沿 基于工业物联网的智能制造 临近空间高超声速飞行器推进系统 高能固态锂电池 基于深度学习的人机智能交互系统 超声速流中的减阻减热研究 基于3D打印的生物组织再生技术 多机器人系统的协同控制 高效燃气涡轮发动机设计与制造技术 高性能微纳生物传感器 面向无人驾驶的视觉传感与识别 车联网信息安全与隐私保护 波浪能发电与能量收集 基于拓扑优化和增材制造的设计与制造一体化 反小型无人机系统 空间机器人自适应目标捕获控制 新型高效氢燃料电池 基于可再生能源/燃料电池的混合动力系统 船舶电力推进系统 智能电网的资源调度和风险评估 飞行器电磁隐身超材料开发与应用 ▌信息与电子工程 需求牵引成为信息与电子工程的主要驱动力，工程前沿也在应用场景中不断得以强化，同时大数据、人工智能引发的安全和治理问题也日益受到关注。与此同时，该技术的发展也为增材制造深入发展、智能控制提供了契机。 工程研究前沿 工程开发前沿 类脑智能 毫米波高速通信技术 天地一体化组网 超精密仪器技术及智能化 脑成像技术 图像视频分析识别系统与技术 感知、通信、计算、控制协同融合理论与方法 基于微纳电子技术的传感器开发 混合增强智能 手术机器人技术 面向光互联、光计算及光传感的硅基集成光子器件 高能效人工智能芯片技术 面向5G的大规模天线无线传输理论与技术 基于石墨烯等纳米新材料的传感器单元及测量技术 人工微纳结构对光及电磁场的调控 柔性可穿戴光电子器件应用技术 量子化精密计量/测量技术与相关理论 物联网安全检测技术 新一代神经网络及其应用 基于合成孔径雷达的图像处理、目标识别以及特征学习 ▌化工、冶金与材料工程 化工、冶金与材料工程领域组的Top11工程研究前沿和Top12工程开发前沿中呈现出与信息、生物等多学科融合趋势。其中，高性能金属材料、难熔材料以及先进陶瓷，也是3D打印材料业已发展的趋势，它们在航空航天、军工等领域具有重要的应用潜力。 工程研究前沿 工程开发前沿 可再生能源系统 人工智能与化工过程深度结合 高温合金 高分子材料的生物基替代 材料生命周期工程 军用难熔金属材料 人工智能设计催化剂 微反应系统开发 航天航空用高性能C/C复合材料 可穿戴柔性电子器件 膜生物反应器及膜污染防控技术 煤转化制化学品 生物质催化转化 计算机辅助的材料“靶向”功能设计 化学生物技术 极端服役环境下性能与服役行为检测与表征技术 多孔有机材料在CO2捕集中的应用 生物质炼制化学品及材料 高性能分离净化吸附-催化材料开发 国防重大需求先进结构功能一体化陶瓷材料关键制备技术 化学固氮 智能仿生自修复涂层技术…

本文所叙述的不仅仅是打印幅面超过400×400×400mm的SLM设备品牌及产品，还包括大尺寸打印不得不关注的几点问题，国内在大尺寸打印幅面方面呈现火爆现象的内在驱动力，以及大尺寸打印所具有的的优势和面临的风险。 ▌国产大尺寸SLM打印机品牌 铂力特 据铂力特相关资料介绍，该公司目前已推出两款具有大成型幅面的SLM设备。其中，BLT-S500成型尺寸400×400×1500mm，首次在全球实现单向1500mm级大尺寸SLM 3D打印，主要面向航空航天长轴类零部件定制开发。目前，已实际打印出最大尺寸1200mm的世界最大单方向尺寸的钛合金制件，是目前全球范围内可见报道中打印高度最高的设备。 BLT-S500打印的航空发动机风扇叶片，钛合金，400*400*780mm，200h BLT-S600主要面向航空航天大型回转体类零部件定制开发，实现了三向600mm大尺寸3D打印，是目前全球可见报道中最大回转直径商业化金属3D打印设备，目前已打印出直径近600mm的高温合金零件，成形尺寸、成形精度处于国际先进水平。 铂力特大尺寸金属3D打印产品 铂力特自2015年启动上述设备研发工作，设备拟自用为主。截至2019年上半年，公司生产自用转固S600 2台，在产S500 12台、S600 6台，实现S500设备销售1台，在手订单2台，S600尚未有对外销售订单。 易加三维 2016年，北京易加三维“大尺寸粉末床选区激光熔化增材制造工艺与装备研发”项目获得该年度国家重点研发计划“增材制造与激光制造专项”1985万元的经费支持。今年10月，易加三维在其金属增材制造用户大会上首次对外公布大尺寸金属打印机EP-M650，该产品系定制机型，成型尺寸为600×600×600mm，目前已成功应用于航空航天、军工和轨道交通领域。 易加三维大尺寸SLM研发机EP-M500 上海探真 2016年，来自华中科技大学武汉光电国家实验室的技术团队通过湖北省科技厅“大型金属零件高效激光选区熔化增材制造关键技术与装备”的成果鉴定。同年，上海探真成立，针对日益增长的以航空发动机叶片为代表的大尺寸工件的3D打印需求，该公司于2018年发布成型尺寸为500×500×1000mm 的大型SLM设备TZ-SLM500。实际上该设备即当年科技转化的成果，目前已迭代2次，生产多台，自用1台。 TS500打印的商发全尺寸航空发动机风扇叶片，304L不锈钢，308*341*724mm，170h 华曙高科 华曙高科目前已上市的大尺寸SLM设备为FS421M，成型尺寸425×425×420mm。FS721M是该公司已开发但未发布的最大型SLM设备，成型尺寸720x420x400mm。 其他及在研设备 此外，天津镭明开发的最大成型尺寸的SLM设备为420×420×530mm，苏州西帝摩为500×500×500mm和750×750×500mm两款。汉邦正在研发的一款最大成型尺寸的金属打印机为600×600×1000mm，苏州倍丰在研600×500×500mm成型幅面的设备。 ▌大尺寸SLM打印机须关注的问题 大尺寸SLM打印机大都突破了四光束联动扫描与拼接等关键技术，采用可移动成型缸。但用户还需考虑设备是采取上送粉还是双缸送粉，双向铺粉还是单向铺粉，毕竟如此大型的设备，粉末的固定成本亦是相当高昂，采取双缸送粉将限制实际的打印高度；而采取单向送粉，则会限制大幅面打印情况下的制造效率。同时也须考察设备是否具备在线监测功能，四象限加工的质量均一性和稳定性，重合区的制造质量控制等问题。 四激光打印分区 在此前我们也曾关注光束的稳定性问题。在打印超高零件时，不稳定的光束可能会造成零件打印错位；多激光的扫描次序与分配方案会直接影响残渣在风场条件下能否被全部带离打印平面；随着打印高度的变化，多激光、振镜系统能否在设备硬件热量变化和环境温度变化状态下一直保持较好的稳定或平衡状态，等等这些问题均会影响到实际的打印质量。 ▌为什么国内的大尺寸SLM打印机研发呈繁荣态势 目前，国际知名的SLM设备生产商拥有的大尺寸打印机分别有EOS M400(400 × 400 × 400 mm)，SLM Solutions的SLM800(500 x 280 x 875mm)、concept laser X line 2000R(800×400×500mm)、1000R(630 × 400 × 500 mm)，以及3D Systems DMP Factory 500等等。 3D Systems DMP Factory 500 国外的大型设备虽不少，但这并不是国内设备商纷纷开启研发的根本原因。在国内SLM设备领域，业内人员基于对EOS品牌的信赖而一直是其产品的跟随对象，但后者最大成型尺寸的打印机也不过如此。造成今天如此情形的根本原因还是在于来自于用户的需求，这也表明国内设备商正在跳出对标EOS产品的设计局限以及国内应用市场的强大潜力。大型 SLM 设备将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。 ▌打印一体化的大型零件有哪些优势和风险 我们以世界首台大规模、大尺寸采用3D打印的型号发动机为例来说明问题。 GE Catalyst是世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机，新型的结构设计因为3D打印降低了制造复杂性，它将此前通过传统工艺制造的855个零件经过结构优化减少为12个部件。零件的大尺度合并意味着尺寸的急剧增加，传统尺寸的打印机便无法再满足制造需求，这是应用的刚需，打印尺寸不够，设计的再完美也无济于事。 3D打印的GE Catalyst涡桨发动机中框组件（点击阅读）该发动机最具代表性的集成优化部件就是中框组件，该部件在过去的传统制造中包含了300个单独的零件，通过焊接、螺栓连接等方式构成一个部件。工程师通过结构优化，最终将该零件集成在了一起，形成了一个复杂的单一结构，它无法通过传统铸造或机械加工制造，唯有3D打印能够实现一体成型。由此产生的结果在于该部件不再需要装配，不仅减轻了重量，更排除了磨损的可能性，发动机两次维护的时间更是被拉长了1000小时。 除此之外，大尺寸的超燃冲压发动机、火箭发动机、大飞机风扇叶片，此类结构也非常适合一体化打印。这些案例足以说明大尺寸一体化制造的优势，而后续由此带来的燃油效率提升、制造效率提升、供应链结构优化同样非常明显。 然而大尺寸制造的成本也是相当高昂的，金属粉的准备需要以吨计，这确实是非一般用户能玩得起的产品。同时，大尺寸设备的制造风险也很高，在打印过程中出一丁点的问题，零件就可能报废。想象一下，某用户打印了7天的零件，还剩最后某个部位出现了裂纹或卡刀，所造成的损失不仅仅是浪费的材料、金钱，还有时间，更可能因此造成更大的损失。所以此类设备的稳定性更加重要。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738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 3.3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战 4.多激光无缝拼接的大尺寸粉末床激光熔化自动化设备是怎么工作的？

3D打印的钛合金已经在许多领域获得应用。然而，该材料在和激光的相互作用中，高冷却速率和高温度梯度通常会产生非常精细的微观结构，并趋向于几乎完全的柱状晶粒生长。复杂的热力学环境使得钛合金在3D打印过程中容易变形和开裂，并且材料通常具有各向异性。即使通过对工艺参数的优化也难以促进晶粒等轴生长。与其他常见的工程合金相比，目前还没有商业化的钛合金晶粒细化剂能够有效地细化其组织。 新型3D打印超强钛合金—TiCu 近日，Nature刊载了由皇家墨尔本理工大学、俄亥俄州立大学、英联邦科学和工业研究组织以及昆士兰大学等多家机构的联合研究成果，他们共同开发了一款新型的钛铜合金3D打印材料，它的打印态显示出与常规使用的Ti6Al4V相当的机械性能，并且不易变形和开裂。而第一作者Duyao Zhang疑似中国留学生。 ▌3D打印过程获得完全等轴细晶粒组织，具有更高性能 这种专门开发的钛铜合金因在凝固过程中的元素分配而具有较高的组织过冷能力，它可以克服激光熔化过程中的高温度梯度，而无需任何特殊的工艺控制或其他热处理手段，在3D打印的过程中就可以形成完全的等轴细晶粒组织。相比于传统3D打印的柱状晶结构，这种结构的性能更加优异。 实验用的通快3D打印机 3D打印的Ti6Al4V和TiCu8.5组织结构，上图为沿打印方向粗大的柱状晶结构，下图为细密的等轴晶 与在类似加工条件下的常规合金相比，完全等轴晶粒组织显示出优秀的力学性能，如高屈服强度和均匀的伸长率，这归因于高冷却速率和多次热循环而形成的超细共析微结构。这种具有微观结构的合金可以承受更大的力，在制造过程中也不太可能出现裂纹或变形等缺陷。 不同成分的TiCu合金机械性能 同时，研究人员认为这种方法也将适用于其他能够形成共析金属的合金材料，并将在航空航天和生物医学行业中得到应用。 ▌不易变形和开裂，为3D打印更加复杂结构提供可能 一个典型的案例是，飞而康在采用SLM技术打印C919钛合金薄壁结构的过程中，就遇到了严重的变形和开裂，整个参研团队花费2个月时间终于解决问题，这突出显示了钛合金在极限特征条件下的制造困难的特点。由于材料的特殊属性，新开发的钛铜合金在打印过程中不易变形和开裂，这为打印更加复杂和具有极限特征的零部件提供了可能。 3D打印的TiCu合金试样 这项研究属于材料设计的范畴，它为开发一系列新的钛基合金开辟了可能性，同时它也专为具有特殊性能的3D打印材料而开发。关于研究太过于学术的内容不宜展示，有兴趣的读者可进QQ群下载研究原文。 打印样件的成分 ▌Nature2017，一种新型的3D打印高强铝合金，已商业使用 早在2017年，Nature刊文，美国休斯研究实验室（HRL）研究人员通过在打印材料中引入纳米颗粒形核剂进行表面修饰，来抑制3D打印中的热撕裂行为，控制金属固化方式，从而在急剧的温度梯度下实现等轴晶体的生长。 纳米颗粒附着在金属粉末表面 研究发现，以往不适合3D打印的7075和6061系列高强度铝合金可以通过SLM技术实现3D打印，且产品具有无裂缝的、等轴、精细结晶微结构，使得3D打印的铝合金和锻造铝合金强度接近。 实际上，上述所讲的钛铜合金，研究中也提到是通过引入形核剂来促进等轴晶的形成。这种方法适合一系列合金材料和3D打印工艺，具有良好的普适性，为不可焊接的超级镍合金或镍基间金属提供了3D打印的可能。 3D打印的高强铝合金回旋结构热交换器 今年10月，HRL开发的3D打印用高强铝合金正式投放市场，从而成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。随之而来的，是NASA马歇尔太空飞行中心开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产。HRL还与合作伙伴开发了一项能够突出该材料传热和流动性能优势的应用—拓扑回旋换热器，基于材料更高的强度，可减少零件制造中的材料用量，因此整个结构重量更轻，性能也更高。 由此可见，高性能的材料具有更好的应用潜力。由HRL开发的高强铝合金从发表文章到实现商业化用了两年多时间，我们期待新型的钛铜合金也在解决当前钛合金面临的变形开裂问题的同时，也可获得更多实际应用。 本期上传内容： Nature刊文3D打印钛铜合金新材料 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 2.3D打印+拓扑优化制造542*542*141mm的钛合金无人机框架 3.钛合金和PEEK颅骨修复体的传统和3D打印制造方式及面临的问题