「 点 击 下 方 图 片 即 可 查 看 」欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：先进3D打印工艺汇编3D打印特种材料汇编 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：3D打印先进应用范例

惠普在3D打印领域可谓来势汹汹，去年发布了尼龙机还不算完，近期又推出了金属粘结剂喷射成型系统，整个行业在感到错愕的同时，Metal Jet的推出又在意料之中，惠普势要搅动整个3D打印市场的神经。 就惠普所推出的技术形式来说，最为红眼的估计不是3D Systems，也不是Stratasys，而是主流技术市场被侵占的EOS，以及其他从事粉末床成型技术的设备商们。在惠普推出金属打印机的同时，传统老牌金属打印机厂商EOS几乎同期发布了新款的M300-4，但引起的关注度却很小。至于两家竞争意味浓烈与否我们不去深究，但惠普公然宣称Metal Jet将生产率提高了50倍，成本还远低于其他金属粘结剂喷射技术，这就有点过分了。下面笔者以目前公开的资料对比HP Metal Jet和EOS M300-4。成型方式惠普Metal Jet的本质，和去年Desktop发布的DM production一样，都是先采用粘结剂喷射成型，再进炉烧结。HP黏结剂是一种水基聚合物液体剂，通过热喷墨打印头喷射，粘结剂在粉末床上通过毛细作用力浸入粉末间隙，实现均匀分布，在高温辐照下将金属颗粒结合在一起，同时溶剂部分挥发。打印完成之后，零件要进炉烧结，粘结剂在此过程中分解，据惠普公开的资料显示，零件的致密度为93%。至于EOS M300-4，是基于激光成型，此处不再赘述。成型效率EOS M300-4成型尺寸为300 x 300 x 400 mm，具备四激光系统，与单激光或双激光系统相比，M300-4绝对可以提高生产效率。根据资料披露，该系列打印机速度相比M290提升了4-10倍，零件成本降低近50%。 与激光逐点扫描相比，面成型自然要快很多。惠普金属机成型尺寸为430 x 320 x 200 mm，配备两排打印头，每排有三个108mm的打印头，交错排列，产生320mm宽的打印带。两排打印头四倍冗余喷嘴有5280*2个孔，可有效抑制缺陷产生（更详细资料可进QQ群自行下载）HP热喷墨打印头已在多种打印机上得到应用，每秒钟可将6.3亿毫微克大小的粘结剂滴到粉末床上，精确确定零件横截面。而且该技术是双向铺粉，粉层厚度也比SLM要高出很多，从而又进一步提高了生产率。但如果仅仅是因双向铺粉和面成型，就声称生产效率提高了50倍就有些牵强。毕竟SLM的慢，慢在逐点扫描和漫长的铺粉过程，而喷射技术的慢在于后面的烧结过程。但纵观整个制造工艺，SLM的零件还得需要退火，也是很花时间。同时，若将惠普和desktop的喷射打印机一起比较，两者的效率差别还是要体现在打印头上面。相较来说，惠普的喷射技术具有更高的制造效率是毋庸置疑的，至于快出多少，50倍听听也就罢了。材料若论材料，喷射技术所采用的粉末只需要注射成型的规格即可，不需要很宽的粒度分布（0.5～20μm)，近球形即可，这也就造成惠普用金属粉末的成本比SLM用粉要低。具体原因分析请查看Desktop Metal 打印材料及产品总结。零件性能、精度以及表面质量基于激光的SLM打印工艺，零件具备极好的打印精度和表面质量，性能方面的研究也已经持续了二三十年，具有较好的应用基础。而喷射技术作为新兴工艺，当前还鲜有研究作为支撑，直接用于生产的案例也很少。两种工艺晶粒结构：左图Metal Jet，右图SLM可以知道的是喷射技术成型的零件在后烧结过程中会产生严重的收缩，这对于零件精度控制是一大难点；而且零件的致密度可能不及SLM；相对SLM打印的一项优势是喷射打印的零件经后烧结后具有较好的各向同性，而前者的性能则对成型方向具有依赖性。大众汽车采用HP Metal Jet 打印的换档杆无论哪种成型方式，成型的零件都需要经过机加工和抛光，才能满足尺寸和表面光洁度的要求。设备价格基于激光的SLM系统的设备价格较为昂贵，以EOS M300-4为例，根据配置不同，价格从81万美元到186万美元不等，而惠普金属机的价格还不到40万美元。但是，千万不要以为惠普品牌就更便宜，因为后面的烧结炉也是一笔不小的数目（据国内易制资料，烧结炉的价格比其打印机的价格还要高）。总结粉末粘结成型工艺自去年开始备受关注，它所带来的不仅仅是制造效率的提高和生产成本的下降，更是一种新制造方式的产生。然而对于哪种工艺更具有性价比，更适合自己，还得看具体的应用领域。不用盲目迷信惠普，适合自己的才是最好的。更多喷射技术对SLM的制造优势，可查询《技术竞争：喷射技术比你想象的更加重要》结论部分。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：技术竞争：喷射技术比你想象的更加重要Desktop Metal金属机---DM productionDesktop Metal 打印材料及产品总结 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：正面PK：HP Metal Jet和SLM谁更快，更具性价比

9.10 致敬各位老师！作为中国三大国有骨干航空运输集团之一，东方航空公司运营超过 600 架客货飞机组成的现代化机队，航线覆盖全球 177 个国家、1062个目的地，新引进的B777宽体客机更是加密北美主要大中城市航线，为旅客提供更有品质的飞行享受。为了保证每一架飞机的安全飞行，旗下的东方航空技术有限公司承担着航线维护、定检维修与部件维修及采购的重要任务。航空业因其超高的安全标准，常被视作较为“保守”的行业，东航是如何会想到引入增材制造这种新技术呢？2015年东航引入第一架全新波音777客机，出现了飞机座位指示牌印刷错误，该缺陷会让该排座位的旅客左右秩序发生混乱。如向原厂采购备件，需等待180 天，费用约为1000美元，小小的错误所带来的时间成本不菲。面对这样小批量的定制化零部件需求，东航的工程师最终决定采用3D打印技术寻求解决方案。在三天时间内就就完成了制作，解决了小错误带来的混乱影响，而折算成本仅需 50 元人民币。正是那一次成功的尝鲜，让东航技术公司看到了增材制造技术的实际应用价值，也坚定了成立实验室的计划。东航建增材制造实验室成果显著2016年东方航空技术有限公司成立增材制造实验室，利用满足FAA和CAAC相关要求的ULTEM TM9085材料，搭配Stratasys Fortus® 450mc 工业级3D打印机，建立起了增材制造生产能力。在实验室团队努力下，东航完成了国内航空业首个将 3D 打印的客舱内饰件应用到民航客机上的技术创新。在当年半年的时间内，增材制造实验室已经陆续开发出客舱零件30多种，共生产了300多件成品零件装配在飞机客舱内，实现了3D 打印客舱部件的标准生产流程。利用小批量低成本快速制造的优势，定制化的设计、开发、生产零部件，解决了过去易损零件订货周期长、成本高的问题，弥补了航材供应连的短板，保障了公司机队的安全飞行，同时提高了乘客乘坐体验。据东方航空技术有限公司增材制造实验室工程师陈之易介绍：“过去，在公司欠缺零部件生产能力时，在航线的例行维护上，客舱件出现开裂等损坏，只能通过原厂采购新零件，这样一般需要 60 天甚至三个月以上的时间，甚至根本定不到货。由于每种部件单次的需求数量有限，如果找工厂开模制作，成本上单价非常昂贵。同时在这个等待的时间内，飞机上带有缺陷的部件会给乘客带来不良的乘坐和使用体验，这样的问题在客舱中非常普遍，而原厂零件的售价也远比利用3D打印出来的零件要高好几倍。因此，目前我们利用 3D 打印技术，得以很好的为这个问题提供一种全新且高效的解决方案。”3D打印模型号客机驾驶舱“电子飞行数据包”支架增材制造实验室的高效运作，让东航技术成功建立起从提出方案、部件设计、打印制造到审批安装等一整套完整的增材制造部件生产使用流程，是东航技术公司转型路线上的一只劲旅，在公司逐步形成专业化生产与产业化集成的竞争优势后，得以向行业领先的飞机全生命周期综合维修服务商迈进一步。典型案例：3D 打印“电子飞行数据包”支架与商务舱大型书报架在成立三年不到的时间内，实验室已开发了众多 3D 打印客舱部件，比如座椅扶手、飞机舱门手柄盖板、行李架锁扣等内饰件，其中有两个比较突出的应用案例：其一为驾驶舱内的电子飞行数据包支架。起初，引进的飞机上并没有这个支架，因如今的飞行员遇到问题后不用再翻阅厚厚的飞行手册，可以在配备的电子飞行数据包上进行查询，于是需要有一个支架作该系统的支撑与固定，实验室受公司委托开发了该产品，借助 3D 打印技术的快速制造特点，产品设计迭代很快就定下了生产方案。目前，该支架已经用于空客330、320、波音737等公司机队上。作为一个通用的辅助性零件，这个产品让驾驶员得以更加安全方便的查询飞行资料，同时满足各种机型的安装需求，灵活支持用户选择。目前已有多家航空公司咨询与购买这套方案和产品。3D打印B777 驾驶舱电子飞行包支持装置装机使用第二个应用是客舱座椅后的书报架，在 B777 商务舱的旅客大型书报架，由于常会发生与餐车的碰撞，比较容易开裂损坏，容易划伤乘客手指。由于该部件订货较为困难，实验室立即着手对书报架进行建模、打印，然后经过后期处理与相关审批，将此 3D 打印部件安装到飞机上，弥补了供应体系的短板也保证了乘客的舒适体验，乘客本身可能并不会意识到这是 3D 打印的部件，但是对于东方航空而言，以最短的时间解决实际运营中的问题正是这项新技术所带来的最大改变。B777 商务舱书报架开裂后处理完的 3D 打印书报架以上两个案例都是在东航技术公司增材制造实验室的帮助下完成的，在弥补自身短板和提升机舱维护品质，保障乘客乘坐体验方面，具有积极的意义。ULTEM TM 9085 系列材料：唯一通过 FAA 认证的航空材料东方航空技术有限公司之所以选择 Stratasys Fortus®系列 3D 打印机，关键原因是Fortus ®系列机型支持众多的材料之中，有一种ULTEM TM 9085材料，作为一种经过检验的高性能热塑性材料，通过了美国联邦航空管理局(FAA) 的认证，具备超高的强重比及 FST 评级（火焰、烟雾和毒性），适用于航空航天。陈之易工程师介绍：“东方航空技术有限公司严格执行飞机制造商的标准，波音公司与空客公司皆接受并认可ULTEM TM 9085材料作为打印零部件的耗材并通过测试得以在飞机上安装使用，相关 3D 打印航材的力学、阻燃性等测试皆由制造商完成并上报当地民航局。出于对规章的遵守和安全标准的考量，东航技术所使用的3D打印材料必须要满足中国民航的相关规章，目前Stratasys的ULTEM TM 9085 材料满足了这一材料标准，而Fortus®系列稳定的打印表现也满足需求，这也是东航选择与 Stratasys 合作的重要原因。”未来计划：从增材实验到最终生产东方航空技术有限公司的增材制造实验室将从满足公司内部需求的试点机构转型发展成为一个具备产品研发、打印制造、后期处理、审批装机为一体的先进制造部门。从实验室到研发中心到成为拥有航空零部件生产资质的供应体系，为公司找到一个新的盈利点。该实验室未来将继续扩大规模、提升产能，向零件小批量定制化生产迈进。陈之易工程师表示：“今后将引进的空客350新型客机，从公开资料显示，装有1000 多个3D打印的零件，当我们具备一定的3D打印能力之后，得到波音和空客的认可，就有可能直接在本地进行零件的小批量快速制造。在未来，3D打印和传统加工技术一样会变得普及，积极做好技术储备在当前非常有必要”。于此同时实验室也将继续挖掘增材制造在航空的应用，比如安全销、收纳盒、3D打印模具类应用、超大型部件的制作，以及定制各类飞机维修培训教具等，不再局限于维修用途，不断开拓更多的可能性。利用增材制造技术，实现部分零件的零库存管理，按需制作，在数字化管理和智能制造上迈出坚实的脚步。欢迎转发更多资料获取Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：空客为未来航班生成仿生设计看波音如何在集成机械设计中应用增材制造点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：看东方航空如何将增材制造运用到民航维修改装领域

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SLM金属打印技术作为一项关键的3D打印技术，持续获得科研界和工业界的关注，目前在国内，传统制造企业正开始主动接触这项技术。相较于国内的迟缓，国外还是要超前一些。本期，以高温夹具的制造为例，介绍3D打印的在材料测试系统（MTS）中的应用。由于一些特殊行业对材料超高温情况下的力学性能有较高的要求，现有的拉伸试验机夹具多由金属材料压力加工而成，在高温加压过程中会过早出现屈服失效的现象。例如，在测量IN718合金的高温蠕变性能（700℃）时，标准钢夹具很容易断裂；再者，不稳定的夹具在进行性能测试时，数据的准确性和一致性也无法保证，这对于本就存在一致性风险的3D打印零件测试，更是雪上加霜。为了准确量化性能，美国空军技术学院（AFIT）的研究人员对MTS夹具进行了重新设计，并利用SLM技术制造，使其具有了更高的热转换率，减小了高温蠕变过程中夹具的热应力，从而降低了夹具开裂的概率。MTS夹具优化设计3D打印在制造具有复杂内部结构的零件方面具有优势，这种优势不仅可以用在随形冷却水路模具的制造方面，同时也可用来制造具有冷却流道的夹具。优化设计：左边为3mm的三回路流道，右边为5mm的单回路流道起初，研究人员设计了内部直径为3mm的三回路流道，发现过通道内粉末不易清除。经过优化，改进为直径为5mm的单回路流道，加工方向也进行了优化，减少支撑的使用。改进后的设计粉末清除方便，也为实验测试提供了最合适的流体环境。CFD模拟散热为了对比3D打印和传统制造的MTS夹具的散热效果，研究人员对此进行了仿真。将两种模型零件导入ANSYS Fluent软件，进行基于动量、能量和连续性方程额系统焓值计算，总焓值的变化即为系统的散热效果。散热效果模拟通过比较两种模型的温度分布情况，发现3D打印的MTS夹具的焓值变化更高，是传统工艺夹具的2.87倍，温度分布也更为均匀。MTS夹具制造制造所采用的设备为Concept Laser M2 Cusing, 模型留有4mm的余量，用于补偿与基板分离时的偏差，基板材料为钢。打印采用孤岛扫描策略，后处理过程包括线切割，表面磨削，以及关键位置的钻孔等。SLM成形件实验测试AFIT研究人员将SLM成形的MTS夹具安装于22 KIP 810 MTS®，去离子水作为冷却剂，流速为13.5mL/sec，冷却剂温度为22℃，夹紧压力为6.8 MPa，拉力为1000N，蠕变温度为700℃。在蠕变测试过程中，金属夹具表面涂覆Aeroglaze Z306，FLIR® SC7650红外摄像机被用于监测3D打印夹具和传统制造夹具的热图像。热量分布比较：（a）传统工艺制造夹具，（b）SLM制造夹具结果显示，3D打印成形的夹具具有更好的热转换效果，传统工艺制造的夹具冷却过程中，平均温度为31.7℃，而3D打印的只有27.7℃。总结金属3D打印随形冷却水路，为模具提供了更广阔的设计空间，同时这种优势也可应用到其他领域。AFIT研究人员利用SLM制造的IN 718 MST夹具，在高温蠕变测试中具有很低的热应力，降低了夹具在高温和压力环境下开裂的可能性。为进一步提高冷却流道的散热能力，设计更为复杂的螺旋流道，创造湍流环境，提高热传换效率，这种设计也适用于其他类似应用。欢迎转发长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：案例：3D打印如何用于工装夹具生产利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：案例分析∣SLM制造MTS高温拉伸夹具

3D打印用于医疗已经不是什么新鲜事，从医疗导板、护具、牙桥牙冠到替换人体内部零件的金属植入物，涵盖范围不一而足。如果说上面这些看起来比较呆板，那么像心脏、血管这些活性组织器官打印则要更加神奇。关于实际案例我们已经看到了很多，本篇我们来看一个非常唯美的科普视频，来了解生物陶瓷打印是如何帮助修复脊椎损伤的。 脊柱是身体的支柱，由脊椎骨及椎间盘构成，是一个相当柔软又能活动的结构。作为生命的脊梁、健康的立柱，一旦出现问题，将会严重影响人体生命信息的感传和气血能量的即时通达。由于现代人的工作和生活方式的改变，脊柱疾病正在呈现逐年增多并逐渐年轻化的趋势。现代医学的发展的确可以治愈和减缓很多疾病，但由于脊柱内部自上而下有一条纵行的脊管，内含脊髓，当受到损害时常难以治愈。而生物陶瓷3D打印的发展，为脊椎损伤修复带来了新的希望。上面视频揭示了生物陶瓷3D打印修复脊椎缺损的全过程，下面我们解析一下：含椎管的多孔替代结构3D打印的优势之一就是可以制作几乎任意结构。该修复体的多孔结构有利于骨细胞快速长入形成骨组织，并能促进血管化区域的形成，内置的中央管则有利于促进血管组织的内向生长。生物类材料自是植入体内，所用材料必具有生物相容性。从视频中我们也可以看到，椎体结构的打印用了两种材料—生物可降解陶瓷和细胞。陶瓷材料形成了椎体的主体结构，而细胞材料则构成了内部的血管。植入物打印完成之后，经过医学处理便可以植入人体，通过钢钉等器械固定，使其更为脊柱的一部分，接下来便是上面提到的血管化、成骨的过程。生物可降解陶瓷的好处一是生物相容性，例如羟基磷灰石，在体内不会发生排异反应；二是这种材料可以降解，如视频中所展示的，植入体在细胞长入后逐渐降解，最终被自身新生成的骨组织替代。最终的结果，将是解除病患，给患者带来健康。关于医学方面的知识笔者专业能力有限，在此不班门弄斧。生物陶瓷3D打印的技术也已经发展了多年，笔者在读书的时候就看到中南大学帅词俊课题组已经开展了相关研究，相信这种功能植入物在近几年一定获得了更好的发展。视频中的治疗方式涉及到多材料生物3D打印技术，制造出来的是功能性的植入物，相信可以给患者带来更多希望。欢迎转发长按获取更多资料Share the World's 3D Printing Technology延伸阅读：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 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：推荐视频：3D打印如何助力修复脊椎损伤（画面唯美）

在去年德国法兰克福TCT展会上，Materialise宣布将引入Simufact的粉末床熔化工艺仿真功能，该功能将作为Magics的一个插件，帮助用户在熟悉的数据环境中更好地控制预构建过程。该功能目前已完成内测，将于本月正式发布。当前，仿真正在受到越来越多的重视和关注，无论是软件开发商还是直接应用部门，对于增材制造仿真功能正显得极为迫切。SOLIDWORKS Simulation 2018新增加了拓扑优化和应力检测功能，Netfabb 2019推出了基于云的仿真，EOS增强与模拟软件供应商Amphyon的合作，而GE Additive则直接收购了GeonX。除此之外，让人印象深刻的还有仿真大户ANSYS收购3D SIM推出了金属打印工艺仿真功能。 Simufact粉末床熔化工艺仿真功能相比专门的仿真软件，Materialise有着先天的优势，毕竟众多3D打印的从业者最熟悉的软件还是Magics。Magics完善打印前模型预构建功能从上图可以看出，Materialise是进一步完善了Magics的功能，从最初的模型处理、支撑生成，到后来的e-stage高效支撑处理模块，仿真功能的加入可以说是对Magics功能的极大完善。用户可以在数据处理和支撑添加完成之后直接进行工艺过程的预览，利用Simufact的热力学计算方法呈现打印过程中的热量情况，还能直观看到打印件的变形和支撑以及工艺调整对打印件的影响。Magics在线仿真功能增材制造的零件与铸造和锻造的金属具有不同的结构和性能，这些不同包括密度、残余应力、力学强度以及非平衡的组织结构等。激光熔化金属粉末成型零件，难以避免会在内部留下孔隙，而残余应力的产生则会直接引起零件变形。打印过程中通常会采用加热基板、添加支撑、修改激光参数和扫描方式的方法来减少影响，但这仍是一个试错的过程。此时仿真模拟的功能可谓有效，而Magics增加了这种便利。下面以集成前的原Simufact软件举个简单例子（来自louis.lu）：在mimics及geomagic软件中，对CT扫描得到的胫骨进行建模和修复建模完成后，在hypermesh等网格划分前处理软件中，对其进行网格划分。由于该构件是由增材制造来进行分层制造，所以网格划分也需要遵循一定的层次规律。网格划分完成后，将其导入Simufact中，进行分层设置，建立起扫描轨迹线，并一一对应。将计算得到的结果与计算之前的结果进行对比，得到其增材制造后的冷却阶段模型的总体变形。从结果可以看出，无论是纵向变形，还是横向变形，变形量都非常明显。这也就是增材制造仿真的意义所在。完整动画演示质量控制是目前满足客户苛刻要求的最重要挑战之一，Magics能够在生产前预测错误、适时调整工艺，可大大减少开发阶段构建的原型数量，同时提高产品质量和寿命。这将直接最大限度地缩短上市时间和开发成本。实施模拟仿真，不仅仅是科学研究问题，更是工艺问题。欢迎转发更多资料获取延伸阅读：增材制造实时监控与工艺过程仿真基于增材制造的模拟仿真到底接不接地气？金属粉末与激光作用过程为什么要仿真赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：Materialise将于本月推出Magics在线仿真功能

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在往期文章中，笔者提到奥迪在2002年已经购买了第一台Stratasys FDM 打印机，3D打印的引入不仅用来制作原型，还开始制作汽车备件，从而大大减少了压铸等传统工艺的使用，奥迪公司无疑在此方面取得了巨大成功。本篇文章分析奥迪实现高效3D打印产出的应用经验。奥迪3D金属打印中心工业级设备购入3D打印机、输入CAD数据、开始打印过程、完成优化组件制作，当用户真正开始这一流程时就会发现，生产出合格的零件并不是那么简单，而奥迪在2014年就将打印的金属部件直接安装在了汽车上。其所属的整个大众集团在全球拥有120多家工厂，可开展金属和塑料3D打印，奥迪Ingolstadt金属打印中心拥有3台金属机—EOS M400、290以及SLM Solution 280 HL。基于粉末床的SLM技术对于汽车制造来说无疑是最先进和成熟的，而诸如多激光束、独特的气体过滤技术以及成熟的工艺输出确保了零部件的高效率和高质量制作。经过多年摸索，3D打印已经在其公司内部产生出了奥迪标准。专业的3D打印技术团队Ingolstadt金属打印中心隶属模具制造部，具有独立生产车间。为实现高效产出，奥迪改装了SLM送粉系统，配备材料仓库、后处理室以及热处理车间，并拥有多名工程师和技术人员分别处理不同的任务。为了使打印部件达到要求的高质量，应用工程师必须非常了解设备。热成型工具工程师在真正开始打印之前就需要很多经验。除了要符合增材制造的设计结构外，还需要考虑零件结构强度、可能发生的变形、支撑结构设置以及零件的摆放位置等。虽然设备商都会对此进行培训并提供技术支持，然而金属打印过程复杂多变，仅仅依赖设置好的得工艺方案远远不能解决所有问题，高质量零件的打印需要依赖应用工程师的专业知识以及对可能出现问题的反应能力，这也是为什么奥迪需要受过专门训练的员工，金属打印团队在此方面积累了大量经验。用于钣金零件的切割刀片经过多年积累，Ingolstadt金属打印中心设备齐全，成功开发多种工艺技术，在设备使用、材料、工艺以及零件设计方面积累大量经验，零部件成品率极大提高，损坏已经很少发生。其负责人声称这归功于多年的积累和以及工程师丰富的经验。广泛的经验交流经验技术的交流对于技术的进步直接而高效，Ingolstadt金属打印中心负责人的很大一部分任务是就在大众集团内部进行交流，如与使用其他打印设备的同事一起制定设备和软件开发规范，探讨安全生产条例，零件高精度制作、支撑快速去除的方法等等。当前虽仍没有完善的解决方案，但该中心会将行业的高要求传递给软件和设备开发商。通过这种方法，集团以外的用户也可以在这一模式中受益。零件打印过程的监控似乎被奥迪格外看重，工程师每次轮班均需拍照记录，对智能监控的需求极为迫切。奥迪期望打印机可以自动评估打印过程，提供反馈并可以进行周期性的工艺调整，而且可以在必要时自动取消打印。但奥迪并未说明对此需求的原因，笔者猜测这可能与零件性能以及打印过程的稳定性有关。主动寻求技术改进和突破即使智能监控未能发展到令人满意的地步，但实际上依靠成熟的工艺，设备也可以自动运转，即便周末也无需人为干预。零件打印完成后可在打印中心完成切削、车削和热处理。热处理过程看起来似乎不起眼，但增材制造的零件性能却极大依赖该过程。为材料开发热处理工艺需要相当长的时间，而且激光熔化成型的零件有别于传统的铸造零件，具有不同的微观组织结构，因此需要新的热处理工艺。其实这也为传统的制造商创造了新的业务领域，然而由于增材制造尚未引起传统产业链环节的充分认识，他们对3D打印的零部件尚缺乏必要的知识和经验，而Ingolstadt金属打印中心两年时间打印了4000个零件，这是很大的业务量。在EOS M400侧方位操作奥迪为SLM Solutions280 HL改装了一台粉末给料机奥迪在增材制造工艺链中投入了大量人力，除了设备自动化和热处理进一步发展外，还包括进行了加快送粉速度、改进设备清洁效率的方法，这些结合在一起的小细节在实际生产中节省了大量时间。高效产出Ingolstadt金属打印中心的一个成功案例是转向箱原型的打印，该请求来自前期开发中心。他们将交货时间从七周减少到一周，并将该部件的生产成本降低了10倍，这足以证明3D打印工艺的优势。而且近年来在材料和工艺开发方面取得的进步，使一些3D打印的部件也可用作备件。奥迪也已经在使用这种工艺制造展览模型、预生产车辆和赛车零件。lunar quattro铝合金车轮备件生产是金属打印中心的一个重要项目，他们使用的材料主要是AlSi10Mg。3D打印的W12发动机水冷系统连接件已成功通过奥迪的质量检测，可以接受订购。该团队与奥迪传统售后部门密切合作，在该部件获得成功使用后，他们确定了适合3D打印的其他部件。3D打印用于备件生产，不仅可以减少库存，更关键的是可以减少制造备件生产所需的各种工具，极大降低成本。3D打印经拓扑优化的蜂窝结构金属打印中心三分之一的订单涉及设备生产，如冷却模具插件以及用于工厂和夹具结构的仿生优化组件。3D打印在此方面的优势包括模具冷却效率的大幅提升以及仿生组件重量的减轻，例如用于固定装置的零件以前重12kg，经过仿生设计和3D打印制作，重量减轻三分之一。通过这种方式，生产的设备可以更轻、工作效率更高，甚至生产质量也得到提高。延伸阅读增材制造如何重塑汽车产业案例：3D打印如何帮助汽车减重 省油案例探究：3D打印提升汽车性能 加速设计迭代奥迪2002年即购买了第一台Stratasys FDM 3D打印机更多资料获取长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology点赞！ 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

如果有研究生想出国留学攻读增材制造方向的博士，笔者一定会推荐德国弗劳恩霍夫研究所和亚琛工业大学，这两个机构是激光制造的摇篮，担负着未来的先进制造工艺，在全球范围内极富盛名。然而本篇笔者要叙述的是另一所研究机构—莫纳什大学增材制造中心。 莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，材料学科非常强，在全世界排名第7。说到莫纳什大学就不得不提吴鑫华院士—莫纳什大学增材制造中心主任。吴鑫华院士是澳大利亚技术科学与工程院院士、英国材料协会院士，也是国内长江学者讲座教授，在中国国内更是缔造了飞尔康、三峰以及倍丰激光科技公司，可以说其团队的研发范围涵盖了从材料、设备到工艺过程的几乎所有内容。 在7月底，杭州举办的增材制造大会上，吴鑫华院士做了《航空材料选择性激光熔化中冶金问题和质量控制》的主题演讲，借助该演讲我们可以一窥莫纳什大学增材制造中心在金属打印方面所做的工作，以期对我们带来更多启发。在此感谢南极熊在现场所做的重要工作，才能使我们更多人获得丰富的知识。以下为演讲实录，笔者根据演讲内容做了相应配图，供大家参考。 前面各位讲演专家们提到了，3D打印材料非常重要，我是材料工程师，所以我今天主要讲一讲3D打印中的材料问题，尤其是在航空中的应用问题，因为航空中对材料质量的要求非常严格。今天我用一些例子介绍一下，我们如何控制3D打印中材料指标问题。 我来自莫纳什大学，我们有增材制造中心，我还会介绍一下我们这个中心的特点，以及在航空中的新应用，最后讲一下对于金属材料来讲，尤其是对于航空材料来讲有什么样的发展方向。 莫纳什大学增材制造中心研究范围 莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，有8万多名学生，最重要的是它的材料学科，非常强，现在全世界排第7名。增材制造中心成立于2012年，现在大概有40多人，主要是面向于基础研究，但最后的结果是要为工业服务。 在材料研究当中，3D打印只不过是加工工艺的一种，其实跟铸造和锻造或者是焊接一样都有重要的应用方向和价值。所以长期以来在材料结合过程当中，3D打印是我们必须研究的过程。莫纳什增材制造中心已经培养了上百个博士，过去七八年大概有3000万澳元的经费。目前有一个比较大的项目，是澳大利亚的一个国家项目，主要是从基础研究向成果转换，其中赛峰集团跟我们一起研究发动机的材料问题。 中心最重要的是2014年，我们有四个发动机静止构件通过了实验，这在当时的赛峰集团是一个非常重要的成绩，我们因此获得了创新一等奖，这对赛峰来讲也是一个里程碑。为了更好的为工业界服务，也是帮助赛峰批量化生产，2016年我们跟赛峰集团形成了批量化生产的战略合作关系，包括我们为赛峰集团提供所有的技术支持和设备，在院内进行批量化3D打印发动机的构件。 今天我主要讲的是金属粉末床激光熔化工艺。把粉末铺在机器上进行激光扫描，金属粉末的熔化和冷却过程是一个非常快速的过程，这个过程是非平衡状态，非平衡状态导致了材料形成的组织结构是非常细小的，而且材料内部含有大量的残余应力。在莫纳什大学研究过程当中，从前面的粉末开始，首先我们要知道什么样的粉末可以使用，什么样的不可以，粉末循环多少次还可以使用，如何鉴定粉末质量，最后还存在如何降低粉末的成本问题。 第二是进行拓扑优化，优化不仅仅把一个形状优化出来，重要的是在高温高运力情况下，优化的所有产品都要保证所有性能一致，包括拉伸性能，更主要是疲劳的性能，这里面存在非常复杂的优化和认证工作。工艺的优化是什么呢？取决于所有的材料，在跟激光结合的过程中究竟产生了什么样的组织结构，有没有裂纹。这是非常重要的，首先要打印出一个完美的结构，后面才能进行后处理。实际上真正要达到产品的性能，所有的3D打印构件都需要进行热处理，这个热处理是真正材料学的处理，要对材料非常明白，根据这个产品结构的要求，在不同情况下选择不同的组织结构，才能真正进行3D打印最后的热处理。 最后从我们打印的构件来讲，表面光洁度非常差，如何提高表面光洁度，对于它的寿命是有直接影响的。所以这也是一个非常重要的部分。 前面讲演者都没有提到缺陷的检测，我相信一会儿GE专家会讲到缺陷检测问题，缺陷是非常重要的一个方面。缺陷的检测，就是在直接个性化的产品当中如何进行缺陷的检测，这个检测不光是要检测，而且要降低成本的情况下如何去实现，实际上也是一个非常重要的问题。最后是如何通过世行认证，医疗要通过认证，国际航空也要通过认证，国际航空只有一个国际标准，这个标准是应该的，也是非常难做到的。 根据我刚才讲的顺序简单介绍一下我们所做的工作。在优化过程当中，刚才提到了拓扑优化，现在市场上有各种各样的软件，商业的软件有的时候并不具备应用于3D打印的场景，例如一个发动机转子，如果我想把这个做出来减重的话，所有运力应变分析首先要了解它在做什么，零件内部的粉末要导出来就要开一个洞，这个洞开在什么地方对它的寿命会有影响。我们大学与其他单位进行了六七年的合作，开发了一款软件，通过这个软件我们设计了发动机的转子，今年3月通过了发动机的实验，它的标准是7万转，我们通过了84000转的转动。这是3D打印第一次通过发动机实验，也是3D打印究竟能不能用于转动构件的重要里程碑，也是我们上限的标准。这点我们已经证明了，确实可以做到。 拓补优化设计：自主编写软件，突破现有设计瓶颈 我刚才提到，在进行工业优化的时候，我们针对每一种材料都需要进行工艺优化，这个优化第一步就是参数优化，包括激光功率、扫描速度、扫描间距这一系列的参数，使整个产品做出来是一致的，这样才能保证大的构件做出来以后是稳定的，更重要的是机器性能是一样的。 这里解释一下，如果打印的参数不好，有的时候就会出现孔洞，你可能会讲我就挑最慢的速度，保证100%致密，但是最慢的速度就影响到生产力的问题，所以这里面就要讲平衡，根据生产的要求选择一个最佳的参数。 材料和工艺研究：每一种材料都需要优化 前面还提到后处理的问题，后处理是非常复杂的，是真正的材料学问题。我们采取热处理的原因目的是什么？是改变它的组织结构，第一是提高性能，第二是根据构件的要求，有的构件要求强度，有的要求疲劳，有的要求高温熔炼，所以从材料来讲，就是根据组织结构不一样满足各个材料构件的性能要求。组织结构不一样，就像花纹不一样，做出来的耐磨性、耐久性就不一样。 再讲一下3D打印中材料常见的问题。镍基合金按照现在的标准去买材料，你买出来的粉末三批出来的结果完全不一样，有的是开裂的，有的不开裂，开裂的时候有的是外裂纹，有的是内裂纹。这意味着以前定的标准用于铸造或者锻造来讲，各个元素对于快速冷却的敏感性不一样，对开裂的敏感性也不一样。只有真正明白了各个元素对它的敏感性以后，重新在现有的标准下再加载一个标准，才真正适合3D打印，它并没有走出现有的标准，只是适合3D打印的成分范围要比铸造范围要窄很多。 对于粉末的问题，大家觉得现在做粉末的非常多，谁都来做粉末，都可以拿来做3D打印，只要装在机器都可以用。实际上完全不是这样，讲一个简单的例子，如果粉末的尺寸大小分布不一样，有的是0—50微米的，有的是10—50微米的，要求的参数就不一样，同一个参数做出来的密度也不一样。所以我们选择粉末的时候，一旦想真正做产品，必须要有一个粉末的规范，不可以随便变。 刚才还提到后处理的问题，很多人说后处理就是把常规的铸造件或者锻造的后处理拿来，直接应用于3D打印，实际上是完全不现实的。为什么呢？首先材料快速冷却之后组织结构是不平衡的状态，而且是非常细小的组织结构。如果我要想恢复到原来的组织结构性能，首先要求的温度时间都不一样。还有一个，我们现在处理的是一个构件，而不光是一个块状的材料，这个构件有的时候有不同的厚度，比如发动机厚度有的2毫米厚，有的30毫米厚，在我们处理材料的时候，处理2毫米的条件和处理30毫米的条件不一样。现在在同一个构件里面，现在处理只能是同一个条件，为了最后各个部位都达到要求的性能我们做了150种实验，才真正能够把工艺条件优化出来，各个位置均满足性能的要求。这里面还有非常复杂的问题，包括残余应力的消除，以及自然时效的问题，每一个热处理做完之后放几分钟、几天、几个月都不一样，你后面再怎么处理？所以所有的问题都必须要全部解决以后，才能真正找到一个优化的后处理工艺。 后处理方案 在3D打印当中，我们发现最难的材料都是高强材料，这里讲一个高强的镍基合金和高强钢，同样的问题是直接3D打印的时候会开裂，尤其是在镍基合金当中，强化项超过46%的材料都会开裂。这个开裂基本上温度可以加到200度是不是就能够解决问题呢？实际上也不能解决问题，这实际上是一个非常复杂的问题，目前在我们中心经过了非常仔细的、复杂的研究，最后我们终于把这个问题解决了，保证这个材料在3D打印当中不开裂，这在世界上还是唯一的。这里面包括了所有材料里面各个元素的影响，包括形状的影响。这个材料是用于发动机叶片的，你可以做出来1毫米厚的时候全都开裂，做10毫米厚的时候全不开裂，所以这里面有形状的影响。当然还有加工工艺条件的影响，所以是一个非常复杂的过程。 为了完成这个任务，除了要考虑我们刚才说的这些问题，实际上更重要的是需要计算机的模拟，这个模拟必须要真实的模拟，这里一定要模拟它的非平衡状态的固化，才能真正把这个问题解决，当然还有一系列材料的参数。所以我们在做计算机模拟的时候，有9个不同的条件都必须考虑进去，最后才能真正把温度场和温度梯度以及残余应力分布计算出来，才能最后找到一个最佳的加工工艺，就是在什么情况下做出来不开裂。当然有了这个基础知识之后，就可以应用到其他的镍基合金中去。 在研究工艺的过程中我们也研究材料，进行新的材料设计，就是哪些材料利用3D打印快速冷却时适合作为3D打印的材料应用。我们研究了两个材料，一个是高强铝合金，这个材料可以使用到250度高温，所有的铝合金目前都是使用于100度以下，有了250度的高温，在发动机前端以前是用钛合金的现在可以用铝合金代替，可以进一步降低重量。一般的铝合金，现在市场上所有的铝合金屈服强度最高是280左右，一般260度左右，这个强度是580，比它高一倍，而且这个材料有非常好的特点，就是它的后处理非常简单，前面所有的都需要三步后处理，这个材料需要一步后处理就可以达到这样好的性能。 世界最大3D打印的A357铝合金构件 我们研究这个材料也是有原因的，当时我们的客户赛峰集团给我们提出来这个要求，他希望有代替发动机前端钛合金的材料，所以给我们提出来这样一个要求，我们就根据250度使用的情况，在这个温度下演讲材料的强化机理是什么，通过这个强化机理配置相应的元素，再来形成这样一种合金。我们也知道，开发一种合金有的时候可能需要几十年，但是我们一旦理解了它的强化机理，整个合金研发只花了12个月时间。所以真正做材料的研究，如果了解了材料的机理，实际上研究新的材料并不难。 我们还研究了一种高强的钛合金，钛合金一般屈服强度850左右，塑性大概10%，这已经有几十年。在这么多年情况下，实际上钛合金的研制是非常缓慢的，就是因为后面再研究什么新的钛合金都已经非常困难了。我们研究的钛合金还有一个特殊的用途，这个钛合金除了3D打印以外更重要的是根据钛合金铆钉研制的，铆钉研制实际上最难，这个材料性能经常是矛盾的，要三个性能同时增加是非常困难的。我们了解了这个材料的机理情况下，改变了所有的材料晶界结构，使得三个性能同时提高，这在学术上来讲也是一个非常大的成功。 下面我简单介绍一下3D打印国际适航上的工作。2012年科技部邀请我回来建立了飞尔康，一直是生产钛合金粉，为了提高钛合金粉的质量我们做了很多细致的工作，这个粉包括3D打印工艺，最后达到了国际航空标准，装到了919飞机上。大概有29个构件，通过3D打印的工艺达到国际航空标准，这在中国可能还是唯一的，在这个过程当中大家也问我，你究竟做什么样的工作能够达到国际航空标准？我们做了10.5吨的材料，做了非常多的实验，最后证明这个材料是可靠的才用到了民用飞机，生产的时候必须是天天一样的，年年一样的，25年都一样的，才真正能够达到民用航空的标准。 3D打印的C919飞机登机舱门零件 上图是C919采用3D打印制作的登机舱门零件分布，主要是钛合金打印的，这个工作完成以后，莫纳什大学也跟商飞签署了战略性合作，我们帮助商飞培养一些3D打印的人才，进一步帮他们做一些研发工作。 3D打印未来发展什么样呢？在所有3D打印客户当中，尤其是航空界，现在最大的问题是打印效率，如何降低成本的问题，这个成本如果要EOS，折旧费占60%，为什么有这么大的成本，不是说EOS机器特别贵，这是次要的，更重要的是机器的效率不适合3D打印批量化生产，这些机器是研究用的机器。研究用的机器，说明里面很多待机时间很长，浪费的时间很长，所以要想降低成本，必须要把这些问题解决。航空客户给我们提出这个问题来，通过最近两年的努力，我们重新研发了一款设备，目前叫AmPro SP，这款设备的效果，能够使3D打印构件成本降低80%。 我们在提供机器的同时，现在设计的是整套的系统，这个系统包括粉末的前处理，包括3D打印和粉末后处理，无论在航空也好、医疗也好，其实真正要达到一致性重复性的批量化生产，首先粉末必须是一致的，后面循环过程当中也不能带进来污染。所以我们现在研发了一整套装置，前面粉末的前处理，保证所有的粉末进到3D打印之前必须是完全一致的，而且所有的装粉的装置有一个二微码，这个二微码使得所有粉末的历史可以在计算机输入，可以永远保持它的历史，可以保持25年。后面我会讲到在粉末循环过程当中如何保证干净。 经过非常复杂的分析和设备的对比，根据我们的机器、我们的工艺，我们可以把生产构件单价成本跟EOS相比降低82%左右。这里面还有航空质量的控制技术问题，粉末从开始到最后是不见空气的。另外在3D打印当中有一些烟的问题，这个烟对我们来说就是氧化物，这个氧化物掉到粉末是污染，对寿命是有影响的。所以如何除烟我们请了专家做了大量设计和模拟，最后选择一个最佳的除烟的装置，来控制除烟的效果，达到舱内是非常干净的。当然还有工艺优化的问题，如何把3D打印参数全部集成到设备里面，使得打印完成就能达到性能要求。 零件打印完之后，尤其是大的构件要处理里面残余的粉末是非常困难的，发动机里面有很多管道，为了处理残留的粉一般来说需要两个工人，一个人提着，另外一个人用高压枪去吹，吹的满天都是粉末，这个不符合要求的。我们研制了两个辅助设备，把这个构件装到这个盒子里面，同时装了气枪，根据材料的要求可以360度旋转，把残留的粉末清除。以前清理这些大构件的时候，要三四天才能把这里面清干净，现在有了这个装置之后10分钟就可以把所有残余粉清理干净。它跟机器上配套，直接装进去就可以使用。所有粉也是在受保护的、安全的情况下进行的回收，后面就可以重复使用。 整个公司除了提供机器设备以外还提供材料，我们也帮助客户建一些生产线，包括3D打印的实验室或者粉末生产线，在医疗产品方面我们也做了医疗产品，这些产品当然跟九院比相差非常远。但是从材料来讲，我们更注重于材料能够满足国际医疗的标准。当然从航空来讲，我们不断努力跟客户合作。 目前3D打印只会向前，不会往后。这不光是一个政治性的原因，而是整个世界已经意识到3D打印的价值。在这个价值当中，我们也意识到3D打印又有自身的局限性，但是它也有非常大的优点，只是在于我们如何去开发适合3D打印的应用市场和领域，因为有的地方可能觉得3D打印不适合，不适合的就不要去强求，但是3D打印有它的特点，它一定会继续往前走，而不会倒退，所以这点是不可分辨的。真正成功的3D打印应用，我们应用到最后的时候都在于性能，这个材料构件没有性能是没有办法应用的，真正的性能都在于基础研究，一定要有基础研究，尤其是有材料研究的支撑，没有这个支撑最后只是一个形状而已。所以一定要做好材料的基础研究，不是等到后来。今天在座的大部分是搞材料的人，实际上这就是我们的本质工作。 以上是吴院士演讲全文内容，高屋建瓴。金属打印是最复杂的增材制造技术，所涉及的内容很专业也很复杂，然而真正与应用结合才能发现问题，才能找到努力的方向，相比而言我们所做的工作相差很大。希望本文能为读者带来更多启发。