未来的飞机是什么样子？采用什么结构、材料，动力来源如何？为了验证“大飞机”上的技术，通常会采用“小飞机”进行实验，只有经验证机验证过的技术，才能安全地应用于其他飞机上。因此，称验证机为技术先驱毫不为过。基于此，中国商飞“灵雀”项目应运而生。 灵雀H设计与试飞过程 中国商飞下属的北京民用飞机技术研究中心，便是专门开展未来飞机设计、研发与验证的机构，简单的说，就是研究未来30年以后的民机。据笔者了解，该中心承担的灵雀H验证机大量采用了3D打印技术，本期，3D打印技术参考就带来该项目实施过程中在使用3D打印技术时遇到的困难与挑战。 ▌灵雀H—次承力部件和起落架舱均采用先进3D打印技术 “灵雀H”验证机翼展6米，创新性采用氢燃料电混合动力技术，旨在验证以氢燃料电池为主、锂电池为辅的混合动力技术在飞机上使用。“灵雀H”验证机机身大量运用复合材料，次承力部件和起落架舱均采用了先进的3D打印技术。 ●材料工艺：尼龙玻纤，SLS ●打印部件：主要为机头、发动机短舱、起落架舱 这些部件都有同样的特点，即外部是复杂的曲面，内部有大量的系统结构，非常复杂且难加工。采用传统的玻璃纤维复合材料，需要制造模具，成本高、周期长。而且有可能零件变形过大，造成超差，装配困难。采用3D打印工艺，可以一次成型整个部段，无需开模，成本低、周期短，无需装配，还减轻了结构重量。 ▌面临的挑战与应对策略 若采用3D打印直接制造传统结构零部件，则无法充分发挥3D打印的优势，甚至可能放大该技术的局限性。项目团队在充分认识了3D打印技术的特点和局限性之后，在满足结构功能、性能、重量等的基础上，开展了飞机系统部件的集成化和轻量化设计。在项目实施的过程中，也遇到了一些挑战： 1、结构一体化设计：不仅要考虑到飞机系统的布置、载荷工况、结构强度，还要考虑3D打印的工艺约束，对于设计来说有一定难度。 2、轻量化设计：为了减轻每一克重量，都做了大量的优化设计工作，包括拓扑优化、点阵结构、尺寸优化等等。 3、活动面设计：起落架舱门在飞机起降过程中要打开或关闭，SLS虽然可以打印活动结构，但是对于精度、间隙、变形等问题，研发团队仍然做了大量试验后才找到最佳方案。 3D打印的灵雀H验证机机头 根据3D打印技术参考对比其他应用开发过程以及笔者自身的经验得出结论，任何设计团队在进行结构优化的过程中，不仅仅要考虑结构的问题，更要考虑工艺问题。设计团队只有详细了解具体的3D打印工艺，设置合理的设计约束，才能实现部件既能做的出来，又能实现功能性。 3D打印的铰链的测试件 灵雀H活动结构件的间隙设置最能体现这一要求，如果活动间隙设计的太大，两个结构就会发生相对位移，不利于活动面的精度控制；如果活动间隙设计的太小，那么活动阻力就会特别大，甚至在打印的过程中粉末会被烧结到一起，根本无法活动。设计团队因此做了几十组不同间隙的试验件，最终才找到最佳的间隙设计值。 灵雀H整体打印的活动结构 在材料方面，经过玻璃纤维增强的尼龙，其机械强度、尺寸稳定性和耐热性能都会有显著的提高，尤其具有良好的耐摩擦性和耐耗性。玻璃纤维的加入也会提高复合材料的导热、导电性能，从而可以制备出功能复合材料。 ▌3D打印为飞机减重，加速迭代改进 2019年1月-3月，“灵雀H”新能源验证机开展了4个构型10架次的试飞任务，充分验证了氢燃料电池动力系统，标志着中国商飞未来民机在新能源领域的探索取得实质进展。 起飞过程降落过程 在本项目中，验证机机头、发动机、短舱等复杂机构件均通过3D打印技术制造，飞机总重不足30公斤，复合材料和3D打印技术的使用显著降低了飞机结构重量和部件数量；同时基于快速制造的特点，从立项到首飞，仅用了5个月时间。经过快速迭代改进，“灵雀H”验证机航时超过24小时，实现了向飞机减重和工程应用的方向发展。 关于尼龙材料以及玻璃纤维增强尼龙材料的相关资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 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 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738  

尊敬的航空航天产业同仁：北京航展组委会诚邀您参加第十八届北京国际航空展（2019年9月18日-20日，国家会议中心）。本届航展以“智慧、科技、合作、融合”为主题，展示内容涵盖精密制造、维修与工程、合金与材料、发动机及燃气轮机、机场与空管、商业航天等专业领域，打造航空航天新技术新产品发布平台。为进一步提升展会专业性，航展同期举办国际航空发动机论坛、高温合金产业峰会、地月空间经济论坛、机场新技术创新与发展论坛、航空航天材料表面处理技术与产业发展论坛、商用飞机增材制造技术应用论坛、民用飞机材料产业峰会以及多场中外航空航天圆桌会议，届时数千名国内外专家学者莅临各论坛峰会，在新中国成立70周年之际，为您奉上一场航空航天科技盛筵。在此，我们诚邀您及贵单位参展参会参观，共襄行业盛会。扫描下方二维码，进行参观预登记2019北京航展官方门票（纸质版）现已正式发布，若有需要的单位请咨询组委会。咨询电话：010-87730880分机8008 魏先生 林先生了解更多详情请登录北京航展官网：www.beijingaviation.com北京国际航空展欢迎转发长按复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：参观预登记 | 2019年第18届北京国际航空展将于9月18-20日在京举办

作为金属3D打印的主要耗材，金属粉末对打印产品的质量有着至关重要的影响。航空、航天和国防等领域精密复杂零件的3D打印对粉末质量的要求尤其高，它甚至在某种程度上决定了该技术能否在这些行业深入应用。 上期我们谈到了真空气雾化和等离子旋转电极法制备的金属粉的特性差异，但是在不同粒度分布造成的打印质量问题，甚至是成分问题可能造成的质量问题方面我们提的并不多。本期3D打印技术参考从这两个角度展开讨论。 ▌同一设备、同一工艺、同一材料，产品质量差异大 在三项条件都一致的情况下，打印的效果理应不会有太大差距，但研究人员发现的现象却并非如此。来自兰州理工大学的研究团队不仅发现了不同粒度分布造成的打印质量问题，还提出微量元素的成分问题也会造成极大的影响，这一理论同时也得到了中航迈特的印证。 ●材料来源 研究人员采用的是国外H.C.Starck公司和国内公司生产的SLM成形用IN738金属粉末，前者是标准的商用粉，后者是通过将同一批次生产的粉末筛分为15～30μm（细粉）和30～53μm （粗粉）两种粒径规格之后，按照不同比例混合调配而成。其目的就是对比不同粒度条件下SLM的成型效果，以及国外粉和国内粉的成型差异。 ●粒度特征与成分比较 两种粉末的对照组（1#和4#粉末，即国外粉和国内4#粉）在粉末粒度分布特征，D10、D50、D90数据方面基本吻合，粉末流动性和堆积密度比较接近。其他组粉末的差异体现在粒度分布方面，如14～31 μm、18～59 μm、27～61 μm等，具体可查看研究文本。 IN738合金粉末粒度分布图：左侧为国外粉，右侧为调配最接近SLM比例的粉末   N738合金粉末粒度分布特征量（μm） 在成分方面，除了O、H、N含量在标准中没有规定外，两类粉末的化学成分均符合标准值，O含量也都符合航天航空领域对3D打印用高温合金粉末中O含量的要求（< 0.02 wt%）。不过国外粉末中杂质元素的种类和含量均少于国内粉末，尤其是Si和Zr元素含量，所以 国外粉末相比国内粉末纯净度更高。 IN738 合金粉末化学成分（质量分数，%） 在本研究中，1和4这两种粉末可以当做同种的标准SLM用粉进行对待。 ▌结果：国产粉打印样品裂纹多，性能差 研究人员采用同样的工艺参数分别打印这两种粉末，并对样品进行了分析。通过对裂纹密度进行计算，发现国外粉末打印的样品裂纹密度最低，XOY面和XOZ面分别为0.21%和0.15%，国内粉末则因粒度分布的偏差造成裂纹密度的急剧变化。与国外粉末最为相似、且最为标准的4#样品的裂纹也远多于国外粉末打印的样品。 1～6#粉末SLM 成形件裂纹密度（1#为国外粉，4#为对照组）   样品内部的裂纹情况 此外，研究人员还对打印件的性能进行了测试，国外粉末的拉伸强度达到1110Mpa，国内粉末最优的数据却是5#粉末，也仅仅是690Mpa。 ▌原因分析与讨论 针对国内粉末不同粒度分布造成的打印质量问题，显示出粗细颗粒粉末只有以恰当的配比混合，才能得到良好的3D打印效果，而这种比例的搭配需要大量时间去研究。单纯搭配出相近分布特征的粉末，可能并不能达到良好的打印效果。 笔者通过与业内工程师的讨论得知，EOS对粉末的粒度分布或配比非常严格，需要做很多试验，直到打印稳定为止。具体怎样调配需要用试验件性能考核来确定，最后才能固化粒度分布和打印参数。而每一种粉末材料的搭配比例并不固定。 对于使用同样工艺打印国外1#粉和类似的国内4#粉出现的巨大差异问题，研究人员将其归因于微量元素。相对于国外粉末，国内粉末的杂质元素种类多，含量高。这些杂质的存在会改变所制备零件的特性甚至致使打印无法进行，粉末的纯净度直接影响到3D打印的成形质量。在以往的研究中，研究人员对Si元素的影响进行了深入分析，发现它对成形件裂纹敏感性有很大的影响。而在新的研究中，兰州理工大学的研究团队正在把焦点放置在Zr元素上。 实际上笔者在此前也曾看到过有关研究，微量元素的差异会造成打印质量的显著变化，同样是对比了国外粉末，将某种元素的含量调至相同的指标之后，一直存在的打印问题消失。而且据中航迈特的最新研究，也验证了这一观点。所以，微量元素的种类和含量可能也是造成打印质量问题的背后原因。 END 基于并不完全一致的粉末粒度分布和成分问题，国外粉末的打印工艺可能并不能完全适用于国内同牌号粉末；同样国内不同厂家制造的同种粉末也会存在这样那样的差异，是应该根据具体粉末优化参数。 粉末粒度的搭配、成分的差异可能也并非仅高仿出表象特征而已，一些更细致的问题可能是造成打印质量的关键因素。 因此也可以更深入的理解为什么国外设备总要绑定材料。   关于研究原文和粉体特性及杂质对打印质量的影响相关资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 粉末一致性对3D打印的意义 金属材料选区激光熔化过程中的冶金问题和质量控制 南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 PREP制粉技术正在粉末品质和价格上双重挑战传统气雾化制粉技术 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

高品质金属3D打印要求材料必须具备颗粒细小、低氧含量（质量分数小于 0.01%）、高球形度、高松装密度、无空心粉、夹杂少等特点。目前常用的方法有气雾化法（分为VIGA和EIGA 法）、等离子旋转电极法（PREP）以及等离子火炬雾化等技术。 VIGA 法制备的粉末经过筛分和摩擦电选或静电分离去除夹杂物后基本可满足要求；PREP 法、等离子火炬法以及 EIGA 法均能较好地满足高品质3D打印对粉末的要求。随着金属3D打印在国内应用的深入，终端用户越来越关注粉末的质量问题。目前，VIGA法和PREP法是中国目前应用比较成熟的两种高品质金属粉末制备工艺，通常来说后者制备的粉末品质更高，但成本更高，但从目前的情况看，PREP法正在材料品质和价格上同时挑战传统VIGA制粉技术。本期我们以镍基合金粉末为例来比较这两种制粉技术的材料特性、成本和价格现状。 ▌粉末形貌 从VIGA法制得粉末的显微形貌和截面形貌看，粉末以球形为主，大尺寸粉末表面为枝晶组织，表面附着明显的卫星粉；小尺寸粉末主要为包晶组织，粉末球形度较高，表面较为光洁，但仍附着少量卫星粉。此外，VIGA粉中存在少量异形粉和空心粉。 VIGA粉的显微形貌（a、b）和截面形貌（c） PREP粉表面主要为细的枝晶组织，没有卫星粉，粉末球形度较高，表面光洁，且组织均匀，表面质量优于VIGA粉。 PREP粉的显微形貌 ▌粉末粒度分布 从VIGA法和PREP法制备的镍基合金粉末的粒度分布可以看出，VIGA 法的细粉收得率相对较高，小于50μm的粉末可达到16.5%（质量分数），但粉末粒度分布范围较宽，粒度在200μm以上的粉末仍存在21.7%，应根据粉末粒度分级利用。 VIGA和PREP法从制粉角度对比粒度分布 PREP粉粒度分布范围较窄，特定尺寸的粉末收得率较高，粒度主要集中在63～150μm，在该粒度范围内的粉末达到83.3%（质量分数）。相对于其他制粉技术，PREP法的细粉收得率仍然保持在较低的水平，因此制备细粉的成本也会较高。 实际上粉末粒度的问题并不需要用户过度的考虑，目前市面上已经有很多采用PREP发制备的15-53μm的SLM用金属粉。虽然笔者亲测其D50和D90数据确实比气雾化法粉的要大，但差距极小（具体数据可与笔者讨论）。下图为两种工艺制备的同种商用粉末的粒度分布，在粒度分布方面，这样的差距是极其微小的。 市场上两种工艺同种SLM用粉粒度对比 ▌粉末氧含量 粉末的氧含量对后续生产的打印产品有着重要影响，氧含量高，氧化物夹杂的数量和尺寸都会增加，从而降低合金的塑性。粉末氧含量除了部分来自母材外，主要由雾化时采用的气体带来。对某镍基合金粉末的研究发现，采用VIGA 法制得的粉末氧含量（质量分数）达到 0.0079%，而采用 PREP法为 0.0040%。这是由于PERP制粉中惰性气体使用量为0.01m3/kg粉末，远低于VIGA 法的0.30～0.50m3/kg粉末。 高端应用对粉末的质量也要求更高 此外，粉末氧含量还和粉末粒度相关，随着粉末粒度的减小，氧含量增加。对VIGA 法和PREP法制备的镍基合金粉末进行比较，VIGA粉和PREP粉均能满足3D打印对金属粉末的基本要求。然而，两种粉末又具有不同特点，PREP 粉表面光亮，洁净度高且组织均匀，流动性好，松装密度高，具有较好的物理性能，但细粉收得率低，生产率比VIGA 法低；VIGA 法细粉收得率较高，生产率高，但存在较多的片状、空心和粘结粉以及椭圆形和泪滴状粉，致使其物理性能略差于PREP粉。 设备商要求材料绑定 也是为了打印过程和产品质量的稳定性考虑有研究表明，粉末尺寸大，则松装密度低、流动性差；而粉末尺寸小，则比表面积大，流动性差；只有中等尺寸的粉末松装密度高，流动性好。中航工业商发有研究人员曾指出，在3D打印时，粒径50μm左右的粉末具有较好的成形性能（原文内容已上传QQ群）。而VIGA法制备的粉末粒度分布较宽且表面光洁度较差，PREP法制备的粉末粒度分布窄，表面质量和物理性能优于VIGA粉，更适合生产优质的3D打印用金属粉末，但还需进一步优化工艺，提高细粉的收得率。 END 通过以上的比较也可以看出，PREP法的粉末质量是显而易见的，即便它的细粉收得率低但制造商仍可以通过技术手段搭配出合适范围的SLM用粉。也是基于此，PREP法制备的SLM用粉的价格理论上会更高，这虽是事实，但随着竞争的加剧，这种价格差异似乎已经被极大的缩小。根据笔者拿到的国内两种不同工艺供应商能给到笔者的、多类型粉末的最低报价，两种工艺制备的材料价格几乎没有差别。 两种工艺制备的粉末虽有差距，但并不能说VIGA法的粉末质量就坏，就不能用，实际上目前绝大多数的3D打印金属粉末是通过气雾化法制得，国外大型金属机制造商的官方用粉也多是采用气雾化法制备，它在一定范围内完全能够满足金属3D打印的应用需求。对于用户来说，可以选择更适合自己的用粉。 关于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资料已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 粉末一致性对3D打印的意义 3D打印金属粉末成型工艺 激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

增材制造技术的发展为航空发动机的设计和制造带来了诸多便利，但其在航空发动机上的应用大多局限于单个零件的加工制造，如何在整机的范畴上对增材制造技术加以利用，满足提高性能、可靠性、集成化和轻量化的需求，无疑是未来研究的重点方向。 微型涡喷发动机测试过程（GE2016） 近日，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。本期，3D打印技术参考对该项目进行介绍。 全3D打印的涡喷发动机（中国航发2017） ▌项目总体思路和方案 该项目的预期目标是与采用传统加工工艺的发动机相比，发动机本体零件数减少50%以上，发动机本体减轻质量不低于15%，推力提升不低于10%。整个项目分为三个阶段实施：发动机集成化设计、发动机轻量化设计，以及为提升发动机性能的创新型冷却构型设计。 3D打印发动机研究总体思路（航发动研所2019） ▌发动机集成化设计研究 当前的微型涡喷发动机采用了大量螺栓连接和焊接等形式进行零件装配。如果采用3D打印直接制备传统结构零部件，则无法充分发挥增材制造技术的优势，甚至可能放大该技术的局限性。为此，项目团队须结合3D打印技术的特点及局限性，打破传统工艺下发动机设计的思维定式，在满足结构构型约束、性能约束、工艺约束、强度约束及刚度约束等多约束的基础上，开展发动机零件结构集成化设计研究，实现一体化打印，从而省去连接件和焊接件的使用，减少零件数量，降低装配难度，提高发动机寿命及可靠性；同时，省去部分零件安装边的设计，达到减轻零件质量的效果。因此，最终确定零件整合方案，以减轻发动机质量、提高结构可靠性为目标。 集成化设计思路 创新团队在详细剖析传统发动机零件结构、功能、材料及装配关系后，制订了多种零件集成化方案。针对集成化结构开展了性能评估、结构强度评估、转静子间隙评估及增材制造工艺可行性评估，突破了可提升结构可靠性的集成化设计技术，实现发动机本体零部件数量减少81%。 发动机集成化设计对比图（航发动研所2019） 微型涡喷发动机原模型结构优化及相应零件实物示例（中国航发2017） ▌发动机轻量化设计研究 结合发动机零部件结构功能与承载性能约束，创新团队将面向增材制造工艺的拓扑优化技术应用至零件的轻量化设计中。利用变密度拓扑优化设计驱动材料分布，从而获得零件高效、轻量化的创新构型。在此基础上考虑增材制造工艺约束性，对拓扑优化构型进行重构，优化零件结构形式，实现拓扑构型的可制造性及工程适用性。针对拓扑空间较小的集成化静子件，则利用增材制造可实现高度复杂构型成形的特点，对集成化零件进行结构适应性改进，在确保结构刚度和强度的基础上，实现静子件的轻量化设计。 轻量化设计方案 创新团队采用面向增材制造工艺的拓扑优化技术完成了发动机主要零部件轻量化设计，包括转子件和静子件等，最终实现整机减轻质量17.3%。 集成化静子件轻量化设计前后（航发动研所2019） 发动机结构优化前后质量对比 ▌空心叶轮盘冷却设计研究 根据拓扑优化设计后的转子件空腔结构特点，创新团队提出了一种新的气冷叶轮盘结构。其基本原理是从离心叶轮背腔引冷气，通过空心涡轮轴，到达叶轮盘内部进行冷却，从而达到叶轮盘温度降低的效果，可以显著提升发动机性能。 新型冷却结构设计方案 ▌整机验证 发动机的转子件仍采用传统工艺制造，其他零部件均采用3D打印，串装后的发动机已完成两次点火试验，性能达标，状态稳定。 3D打印的涡喷发动机零件成品状态（中国航发2017） 实验后发动机分解图（航发动研所2019） 为验证串装3D打印发动机的场外工作能力，创新团队将其装在航模飞机上，进行了飞行试验。 串装发动机航模试飞（航发动研所2019） END 中国航发动研所团队以微型涡喷航空发动机为技术验证平台，探索3D打印技术在航空发动机设计和制造领域的应用研究，从本项目获得的集成化、轻量化设计技术对提升发动机设计和制造能力具有重要意义，可推广应用至高性能发动机的研制。 项目的实施无疑能够使技术团队得到很好的训练，能够有效提高增材制造技术水平，积累更多的设计经验，有助于提升增材制造技术在国产大涵道比涡扇发动机中的工程化应用水平。 欢迎转发 延伸阅读： 3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例 3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3D打印如何助力巡航导弹等高超声速武器制造 采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

3D打印技术在个性化骨科医疗植入物领域已有很多应用案例，如3D打印的颅骨、下颌骨、肩胛骨、胸骨、脊柱笼、髋臼杯、膝关节、截骨融合器等，均已在临床手术中获得了应用，部分产品也已实现了稳定的批量化生产。 由于骨科植入物直接与患者的生命健康息息相关，因此在手术植入之前必须完成大量的研发试验，包括原材料的选取和测试、结构形式的确定、动物试验的验证、临床手术的实施等等。经过多年实践，3D打印骨科医疗植入物在应用过程中积累了很多宝贵的经验。本期，我们对3D打印医疗植入体的安全性及国内审批流程和注意事项进行介绍。 ▌材料、设备、认证三位一体 材料是金属3D打印植入物的核心部分之一，使用第三方的粉末材料意味着需要承担更多的产品一致性风险，也需要重新梳理工艺流程。而用绑定原厂进口的粉末材料则会增加产品的成本。因此，医疗器械制造商需要在最开始时就要考虑材料成本和安全性的问题。 SLM制造的髋臼杯 设备也是实现产品稳定制造的重要因素，对于医疗产品的打印，应当一台设备专门用来生产一种材料，一机多用不仅无法保证安全更无法通过医疗认证。工艺品质的一致性也很重要，减少人机交互时间并确保高标准的系统安全性，使得许多医工所完成了众多高标准的定制化植入体制造。 Materialise公司创始人表示，医疗认证是一个复杂过程，它不仅是一台设备需要认证，而是整个制造流程都需要严格审查。这造成了医疗审批的困难，也限制了3D打印植入体的普及应用。接下来我们来了解国内是如何做的。 ▌国内3D打印医疗植入物审批流程 骨科医疗植入物属于三类医疗器械，国家食品药品监督管理局（NMPA）规定对其实行生产许可证和产品注册制度，此类产品需经过严格的临床试验过程和审批流程，取得产品注册证需要较长的周期，普遍长达3-5年。 金属打印的脊椎植入物 国家食品药品监督管理局的审批流程如下：在收到完整的申请资料后，开具受理通知书。之后于50个工作日内，做出是否给予批准的决定。对不予批准的应书面说明理由。申请者对NMPA的审批结论有异议的，可在收到审批结论后30日内提出复审申请。若有违反规定，办理医疗器械新产品申请时，提供虚假证明、文件资料、样品，或者采取其他欺骗手段取得医疗器械新产品证书的，NMPA将撤销其新产品证书，两年内不受理其新产品申请。 3D打印的陶瓷植入物 对骨科医疗植入物的要求包括材料的生物相容性和生物毒性、植入物与局部解剖组织的匹配程度、植入后与原组织所构建的生物力学环境等。考虑到上述因素，医用3D打印材料的种类就受到诸多限制。其中常用的金属植入物材料包括钛合金和钴铬钼合金。常用于SLS技术的生物高分子材料有４种：左旋聚乳酸、聚己内酯、聚醚醚酮（PEEK）以及聚乙烯醇（PVA）。生物活性陶瓷材料则包括羟基磷灰石（HAP）和β-磷酸三钙（β-TCP）等。 ▌国内3D打印医疗植入物审批过程存在的问题 按照现行的医疗器械审批制度对3D打印产品进行审核，目前还有两个突出的问题亟待解决。既有3D打印技术本身需要解决的问题，也有管理制度创新的问题。就3D打印技术本身而言，用该技术生产出的关节假体、脊柱固定系统等，目前较多考虑的是其静力学性能，对于其磨损性能、疲劳性能则关注较少，需要进一步的验证。此外，目前关于3D打印产品的研究主要集中在前期结构设计方面，较少关注产品成形过程中组织结构的变化。如何将3D打印技术结构设计与成形过程中的组织研究结合起来，客观评价产品的安全性能是未来研究的重点。 3D打印的椎间植入物 从行业监管的角度来看，目前这套审批制度是根据批量产品的生产特点设计的，但个性化骨科医疗植入物不可能针对每个个体进行临床试验，关于这方面的法规指导缺失，导致医生、企业家、工程师无所适从。建议监督的重点从临床试验往前推移，深入到产品生产的流程中，从选用的打印材料是否符合安全性，生物相容性标准、打印成型产品是否有效（与预期的相应功能重建、替代、补偿的实现程度）、植入人体后是否可靠（有效性在多长时间内能稳定发挥作用）等方面进行更加全面、细致、深入的考察，从管理制度上加以创新，从而解决3D打印骨科医疗植入物的监管难题。 END 目前，FDA已批准的3D打印骨科植入物达百余个，其中不乏国内产品。同时国内的研发应用也取得了很多成果，在材料选择、认证流程制定、配合主管部门审查等方面积累了很多经验。国内定制式医疗器械的法规标准同样进步很快，3D打印植入性器械的技术工艺已被纳入监管范围，相关的收费标准也不断在得到明确。 欢迎转发 延伸阅读： 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 3D打印如何辅助医生手术，如何宽慰患者 医学3D打印的主要类别及其改变该行业的方式 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 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

组织工程，是以细胞生物学和材料科学相结合，在体外或体内构建组织或器官的技术，按照3D打印圈儿里的话，就叫做生物打印。然而组织工程的良好设想是能够以生物支架为基础，采用生物活性成分（如细胞等）立体的长成为组织或器官，而一直以来3D打印给我们的认识却是层层叠加最终成型，这是完全不同的两种形式。 体外培养的人体耳廓组织 如果传统上提到的3D打印还只是二维打印的纵向叠加，那轴向光刻则能称得上是真正的三维成型。这项今年上半年才被外界认知的新型3D打印技术，采用多激光和计算机轴向光刻从不同角度同时曝光，使材料能够从模型的“内核”逐渐向外部固化，实现了真正的立体打印。而将这项技术用于组织工程，则会带来飞跃。 轴向光刻体积打印 ▌体积打印—快速制造生物组织 近日，来自瑞士和荷兰的研究团队采用该技术原理，使用仅仅几秒钟时间就在含有干细胞的生物水凝胶内“雕刻”出了复杂的组织形状，并通过添加内皮细胞实现了组织血管化。该团队在《Advanced Materials》刊发的文章中提到，这项技术将改变细胞工程专家的工作方式，使他们能够创造出一种新的个性化、功能性的生物器官。 生物组织体积打印 体积3D打印的可以理解为无数个微小DLP工艺的微积分，但由于在整个过程中光都是穿越材料内部在特定位置成型，因此该过程又类似激光玻璃内雕。技术的关键在于体积打印的分辨率及能量分布，投影图像在构建体积中心的有效像素和位于保持分辨率的光学聚焦深度共同决定了成型的位置和形状。 生物体积打印技术原理 在成型过程中，光源会将水凝胶圆柱形容器包裹在内，能量沉积其中，在容器不断旋转过程中光源同步照射的二维断层图像选择性的区域固化，最终实现整个组织的成型。该过程的关键还在于需要非常仔细地确定在光场内对水凝胶进行固化的最小曝光时间。 ▌生物体积打印的技术特点 值得注意的是，与传统的3D打印形式相比，体积打印的时间消耗似乎并不会受到构件尺寸的显著影响。为了量化和比较打印时间，研究人员将一个解剖人体耳廓模型分别缩放三次（0.15cm3，1.23cm3，4.14cm3），三个模型的打印时间均可以限制在22.7s，这远远高于DLP甚至CLIP技术的打印速度。至于缩放后的打印时间控制，仅需要调节激光的输出强度。 除了速度快的优势，体积打印还不会出现传统3D打印的层叠纹或者伪影，而且还无需用到支撑，研究人员证明了自由浮动部件打印的可能性。此功能对于生成能够可逆修改的形状至关重要，例如4D打印的刺激反应材料结构。 ▌创建人体组织、器官   与传统的生物3D打印相比，生物体积打印可以在几秒时间内构建复杂的厘米级结构，这在很大程度上保持了细胞活性，对于满足临床需求具有重要意义。基于该技术已经开发出了心脏瓣膜、半月板移植体以及内含血管的骨组织。此外，它还可以创建生物互锁结构。 体积生物打印的空心小鼠肺动脉 人类组织的特性在很大程度上取决于高度复杂的细胞外结构，基于该技术可能会带来许多真正的临床应用，实验室也可以前所未有的速度大量创建人造组织或器官。在体外测试新药时，生物组织打印也至关重要，它可以替代对动物测试的需求，这从安全和降低成本的角度可能更有意义。 END 包括立体光刻和挤出成型在内的生物打印技术正在革新组织工程技术的模式，它们都致力于创建功能性的组织结构，而新技术则为扩大水凝胶基结构的生产及其在组织工程、再生医学和软机器人中的应用开辟了新途径。也期待未来能够采用该技术成功创建出可供人体移植的功能性心脏、肾脏等器官。 研究论文及更加详细的论述已上传QQ群。 欢迎转发 延伸阅读： 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 中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印 医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活 医学3D打印的主要类别及其改变该行业的方式 长按复制 联系笔者：2396747576 工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738

2019中国商用飞机增材制造技术与应用论坛2019年9月17日（星期二）2019年9月18日（星期三）论坛上午日程 09:00-12:00 论坛下午日程 13:30-17:302019年9月19日（星期四）参观第十八届北京国际航空展会议论坛报名联系人：北京航展组委会孙一豪 13381163706 ；010-87730641邮箱：bruce@cpbjlf.com张晶晶 18813063520；010-87730641邮箱：jessica@cpbjlf.com欢迎转发复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：2019中国商用飞机增材制造技术与应用论坛将于9月18日在京召开

高超声速武器是指以高超声速飞行技术为基础、飞行速度超过6倍声速的武器。这类武器航程远、速度快、结构简单、性能超卓，能够快速打击远程目标，在军事上具有很重要的意义，被军事专家称为继螺旋桨、喷气推进器之后航空史上的第三次革命性成果。▌高超声速武器与超燃冲压发动机高超声速武器主要包括高超声速制导炮弹、侦察机、巡航导弹、钻地弹、轰炸机等。作为高超声速武器的源动力之一，超燃冲压发动机的研制成为军事强国竞争的焦点。2015年，我国首次公开证实成功研制超燃冲压发动机并实现高超声速飞行器自主飞行实验，因此成为继美国之后第二个实现以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器自主飞行的国家。超声速飞行器与常规飞行器也不尽相同超燃冲压发动机与常规火箭发动机的不同之处在于，前者在攀升过程中直接从大气里获取氧气而不必携带氧化剂，发动机内部的流动是超音速的，因此燃料的点火无异于在龙卷风中点燃一根火柴。超燃冲压发动机工作过程超燃冲压发动机的整个结构在工作过程中整体会处于非常高的温度状态，当飞行速度为6倍声速时，燃烧室温度达2700 K左右，进口处的温度甚至也达到1500K。因此发动机各部分结构的热防护具有非常高的要求，目前在超燃冲压发动机各组成中，大量使用再生冷却热防护技术（推进剂先流过推力室内外壁间的冷却套，带走燃气传给室壁的热量，然后进入喷注器喷入燃烧室的外冷却）。超燃冲压发动机结构▌传统加工手段为何难以制造？以超燃冲压发动机燃烧室为例，该部件是整个推进系统中难度最高的零部件之一，决定了超燃冲压发动机技术的总体发展水平。其内部气流速度高、空气湍流现象严重，实现可靠点火与稳定燃烧极为困难。对于燃烧室而言，需要精密的流道尺寸控制来满足燃烧状态要求，足够的壁面耐烧蚀性来维持高速高温气流的冲刷，较高的结构强度来保证内部持续高压作用下结构完整性。对采用主动冷却的燃烧室而言，还需要结构留有细小狭长的冷却气 /液流通道，燃烧室结构更加复杂。再生冷却薄壁夹层结构这都为超燃冲压发动机燃烧室的加工提出了很高要求，即使采用传统工艺能够制备，也需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂装备得到，由此，复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度，而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室制备周期相对漫长，此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量，这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。▌3D打印成为解决结构问题的关键技术包含如此精密流道的超燃冲压发动机再生冷却燃烧室在几年前几乎无法实现，直至引入3D打印技术后才得以解决，而该技术也成为解决这一结构问题的关键所在。与火箭发动机再生冷却系统相比，超燃冲压发动机主动冷却系统中冷却通道尺寸更小 (水力直径约2 mm)，冷却通道入口流动 Reynolds 数更低。2016年，美国ATK公司采用激光粉末床熔融技术，实现了燃烧室的一次性整体成型，不仅大幅降低了设计与制备难度，而且有效提高了燃烧室的整体性能。超燃冲压发动机测试过程为了测试粉末床熔融工艺可以达到的强度，该型燃烧室在兰利测试中心进行了为期20天的风洞测试，其间对多个高超声速飞行工况进行了模拟试验，试验中燃烧室工况达到了前所未有的持续推进时长。根据测试结果，该型燃烧室成功通过了全部考核试验，而没有出现结构失效，甚至在超出预期实验条件的情况下仍然保持了良好的状态，超额达到了设计要求，充分说明了激光粉末床熔融技术的实用性。▌采用3D打印制造超燃冲压发动机全部零件，可能并非纯金属打印采用3D打印制造带有复杂冷却流道的推力室，同时满足了对复杂设计、低成本和快速交付的要求。今年7月，美国武器制造商雷神宣布开发一款新型吸气式高超音速武器，其中源动力超燃冲压发动机的全部零件将采用3D打印制造。笔者认为此处所谓的全部零件应当是全部的核心部件，如进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管，这在技术上是可行的。当前，激光粉末床熔融技术的最大成型尺寸达800×400×500毫米（Concept Laser X line 2000R），制造精度也可达到0.05mm；在材料方面，高温合金也常被用于制造再生冷却结构。但超燃冲压发动机的热防护是一个极复杂的工程，涉及的材料和结构要求繁多，金属打印和金属高温材料可能并不是唯一选择。HRL开发的3D打印陶瓷耐高温达1700℃受到军方重视2016年，休斯研究实验室创新性的提出了3D打印SiOC的方法，它采用一种新研制的预陶瓷化树脂为原料，将该型树脂通过3D打印固化成型后在惰性气体氛围中加热至接近1000℃高温，使材料中的树脂充分反应、形成完全的陶瓷化状态，从而得到需要的陶瓷基复合材料。该类 SiOC 材料具备的优秀性能，耐高温温度超过1700℃，有望达到航空器动力系统与高超声速飞行器的大型构件，电子设备与微机电系统中复杂部件等的使用要求，因此受到了美国空军实验室的重点关注。后者以此为基础进行了一系列的测试及风洞试验。美X-51A超燃发动机飞行器因此，对于采用3D打印制造超燃发动机所有零件的提法，国外公司所采用的可能并不是单纯的金属打印技术和高温材料。相对来说，更高级别的打印技术和更高性能的材料，应当是国内有必要关注的。END相对于国外的高调，国外显得很是默默无闻，然而这并不意味着中国真的就寂静无声。笔者在查询资料的过程中，美国的专家反复的提到中俄是否在开发同类技术，同样的，中国何尝不是把他们当做假想敌？由于国内的技术通常处于秘而不宣的状态，但从众多的研究资料和媒体报道来说，中国的水平并不能称之为落后，更有可能是保持在同步的水平。2018年12月，中国航空工业空气动力研究院发布消息称，我国10马赫超燃冲压发动机风洞试验获得成功↓。 欢迎转发延伸阅读：3D打印在固体火箭发动机上的研究现状及国内应用案例3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例3D打印火箭再生冷却推力室的材料、机遇与挑战采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造

2019年7月，由嘉思特华剑医疗器材（天津）有限公司自主研发的3D打印髋关节植入物产品通过国家药品监督管理局(已改名NMPA)审批，获得了医疗器械注册证。截至目前，国内通过审批的金属3D打印医疗器械生产厂商上升为两家，但覆盖产品实则仍是三种。爱康3D打印医疗产品审批的种类虽然少，但国内医疗机构对3D打印植入体（金属）的临床案例实则涵盖了各种各样的植入体类型，造成通过审批的定制式植入物种类少的一方面因素在于用于诊断治疗罕见特殊病损情况的预期使用人数极少，没有足够的人群样本开展临床试验，另一方面原因则在于相关标准的缺失和漫长的审查制度。近日，国家药品监督管理局公布《定制式医疗器械监督管理规定（试行）》，计划于明年1月正式实施，其中不仅对包括3D打印在内的定制式医疗器械的生产明确规定，更对应用场景做出了严格限制。本期，3D打印技术参考就对这些严格规定进行揭示。▌拥有同类注册证才能生产《规定》对定制式医疗器械生产企业进行了限定，包括：●有定制式医疗器械研制、生产所需的专业技术人员；●具备定制式医疗器械研制能力和研究基础；●有相同类型的依据标准规格批量生产的医疗器械注册证及相应生产许可证（境外生产企业应当持有注册地或者生产地址所在国家或者地区医疗器械主管部门出具的企业资格证明文件）；●有相同类型的依据标准规格批量生产的医疗器械的生产能力和生产经验，并符合相应的质量管理体系。嘉思特3D打印和传统方法制造的髋臼杯这意味着，定制式（包括3D打印）的医疗器械只能在传统的生产企业中产生。而如果具备定制式医疗器械生产资格的企业不具备相同类型的依据标准规格批量生产的医疗器械产品的有效注册证或者生产许可证时，企业不得生产，医疗机构不得使用。▌对医疗机构和医师进行严格限制在目前众多的临床案例中，正在进行或进行过定制式医疗器械手术的医疗机构覆盖范围非常广泛，但《规定》也对其进行了限定：●三级综合或者三级专科医院，具有与使用的定制式医疗器械相适应的诊疗项目；●有在医疗机构注册的、能够使用定制式医疗器械的主诊医师；●具备使用同类已上市产品的经验，已开展同种疾病研究和治疗，临床专业水平国内先进；●具备较高的医疗器械管理水平，已建立完善的医疗器械使用质量管理体系，具备医疗器械使用评价和医疗器械不良事件监测能力。国内3D打印植入手术走在前列的部分医疗机构以此看来，国家对定制式医疗产品的管理达到了非常高的程度，这可能会在一定程度上限制医师的发挥空间，也将病患的可选择范围缩小。这是否会对定制式医疗器械的普及应用带来阻碍，目前尚不得知。▌研制和生产须满足特殊要求定制式医疗器械的研制和生产除符合医疗器械生产质量管理规范及相关附录要求外，还应当满足以下特殊要求：●人员对于参与产品设计制造的医务人员和工程人员应当有明确的分工和清晰的职责界限，能够进行充分的沟通和交流。●设计开发制作订单应当全面、完整地反映所要设计的定制式医疗器械的参数特点，以纸质形式呈现；数据处理软件必须经过验证和确认；数据传递过程也须对交互平台进行验证，防止信息丢失；任何发生的更改，都必须记录在案，并完成相应的验证过程，与授权主诊医生确认。网格结构参数化设计●质量控制生产企业应当规定定制式医疗器械产品的放行程序、条件和批准要求。质量控制需要有明确要求▌生产记录保存覆盖产品寿命期《规定》要求生产企业建立每一件定制式医疗器械产品的唯一识别编号，并确保信息具有可追溯性。定制式医疗器械相关文件记录的保存期限应当不少于生产企业所规定的医疗器械的寿命期，对于植入性定制式医疗器械的文件记录应当永久保存，对于非植入的其他定制式医疗器械的文件记录应当自放行产品的日期起不少于5年。END今年7月，国内第一批定制式医疗器械团体标准正式实施，其中对定制式医疗器械的质量、设计、医工交互过程监控、力学测试方法等给出了具体要求，这意味着我国将3D打印植入性器械的技术工艺正式纳入监管范围，也预示着我国医疗3D打印应用开始走上快车道。《定制式医疗器械监督管理规定》的发布，则会使行业的发展更加规范。《定制式医疗器械监督管理规定（试行）》已上传QQ群。欢迎转发延伸阅读：标准初定，国内医疗3D打印的现状及未来发展的难题在哪里动画揭示：髋臼杯的机械加工、3D打印及植入过程医疗奇迹：3D打印如何改善我们的生活医疗：PEEK相较金属植入物的优势与不足复制联系笔者：2396747576工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：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