与传统技术相比，3D打印的诸多优势令其备受瞩目，从过去只能做原型，到如今开始制作越来越多的功能器件，这一方面要归功于材料的发展，另一方面要归功于工艺的进步。本期文章列举当前最好的耐热3D打印材料，可供专业工程师和技术爱好者参考。从耐热塑料到耐热金属，我们来看看在工业和商业产品中广泛使用的具有耐热性能的3D打印材料。耐热3D打印塑料基于比其他3D打印材料相对较低的成本来进行原型制作和生产，塑料成为最常用的3D打印材料。由于应用前景广泛，塑料在机械性能方面的变化日趋多样性。● 耐热塑料PA12PA12采用精细聚酰胺粉末制成，与传统3D打印塑料相比具有防水性，对酒精、燃料、清洁剂、油脂等化学品具有出色的耐受性，最重要的，这种材料非常适合耐高温使用。PA12熔点在180度左右，可在95°C以下可安全使用。PA12的加工工艺以激光烧结和惠普的多射流熔融技术居多，其中HP的PA 12材料通过了美国最权威的UL安全实验所关于可燃性的认证。●铝粉复合尼龙铝粉复合尼龙是尼龙粉和铝粉的混合物，通过SLS技术打印，由于它是增强尼龙，因此具有出色的耐久性和物理性能。铝粉复合尼龙的熔点为172-180°C，软化温度为169℃，这使得它成为零件需要机械性能和耐高温性能时的最佳选择。●玻璃微珠复合尼龙玻璃微珠复合尼龙由常规尼龙粉和玻璃微珠混合制成，比标准的PA12更加耐用。该材料耐磨性能好，强度高，熔点176°C，可在高温条件或在需要特别高的热变形温度时使用。基于良好的耐热性和尺寸稳定性及热老化稳定性等方面的特点，玻璃微珠复合尼龙零件可以直接用于汽车、电动工具及手板行业。华曙高科推出的此类材料已获得广泛应用。耐热3D打印金属金属的熔沸点自然比塑料高出很多，但由于应用领域的区别，金属的耐热性仍然有所区别。●铝合金铝合金是金属3D打印的常用材料，比强度高，可用于高压部件。其最重要的特征之一是它对机械应力和高温具有很强的抵抗力，熔点在600°C左右，可用于制造耐高温的零部件和功能模型，如电机和发动机等，工作温度在200℃以下。铝合金的优异性能使其广泛用于要求苛刻的领域，如航空航天连接件、汽车制造、工程部件等。●Ti64Ti64是一种具有优异机械性能的3D打印材料，它不仅强度非常高，而且重量轻、耐氧化、抗腐蚀。Ti64熔点高达1660°C，使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。钛合金优良的性能使其广泛用于高性能制造，如汽车、航空航天以及医疗行业。●镍基高温合金镍基高温合金在650～1000℃范围内的高温和高应力环境下，仍具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力。3D打印的镍基合金零件因其优良的性能，常被用于制备航空发动机中的涡轮盘、涡轮叶片等热端部件，提高了发动机的稳定性和热效率，使得航空发动机具有更大的推力；此外，该材料也可用于飞机紧固件、汽车歧管螺栓、柴油发动机排气阀等耐热零件的打印。欢迎转发留言延伸阅读：如何选择3D打印树脂材料3D打印磁性活化材料—赋予材料生命力Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构从气流和零件摆放角度探讨SLM打印表面质量一篇顶刊配四项美国专利，香港城市大学首创陶瓷4D打印长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：当前最常用的耐热3D打印材料

显微CT技术是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解零件的内部显微结构，近些年来越来越多的被用于增材制造产品的尺寸测量和孔隙分析。本文综述了该技术的几大应用，供读者参考。X射线显微CT扫描图解尽管近年来增材制造技术有了长足的发展，但是仍然存在一些产品质量问题，包括工艺或加工条件不当引起的孔隙、表面粗糙度（甚至表面缺陷）、残余应力引起的变形，以及机械性能的各向异性等。在航空航天和医疗应用领域，产品的质量把控较为严格，近年来，随着X射线显微CT技术逐渐由定性成像演变为定量分析，该技术在增材制造领域应用越来越多。孔隙和缺陷分析在金属打印中，孔隙通常分为锁眼和冶金气孔。冶金气孔的尺寸较小，通常小于100微米, 有的甚至数微米，利用CT扫描技术分析这些内部缺陷的形态和空间分布对于成形工艺优化和零件性能评价尤为重要。研究人员通过显微CT观察HIP前后的孔隙分布，发现在分辨率范围内，孔隙几乎全部消失，但是再次热处理之后，这些孔隙又重新生长，只是数量减少。这表明，HIP之后，孔隙仍然没有消除。由于显微CT分辨率的限制，在探测极小尺寸的孔隙方面还存在困难，而且也限制于分析小尺寸的零件。SLM最佳参数打印的圆柱样品CT图像：以不同的方式进行可视化和量化指标，总孔隙率4.5％显微CT最有价值的地方在于它可以无损评判关键零件是否可以服役；另外，随着高分辨CT的发展，也可用于检测不可预料的小尺寸缺陷。体密度测量阿基米德排水法操作方便、成本低，被普遍用于测量致密度。但是人为操作必定会带来误差，另外一些小孔尽管可能不足0.1%，不影响致密度的测量，但是这些小孔聚集分布在层间等其他重要位置，这可能会直接导致零件不合格。CT扫描理论上可以克服排水法的测量误差，例如零件表面的开孔，附着的气泡等影响，对体密度实现精确测量。在测量过程中将已知的标准样块与未知的样块同时测量，通过灰度对比，计算获得未知密度，测试速度快，结果准确。尺寸测量传统的尺寸测量是通过CMMs或者光学测量系统，这些技术都限于外表面。X射线显微CT技术具有很高的精度，并且可以探测到零件未知的细节，这对于具有复杂内部结构的零件的表面测量具有独特优势。通过对样品尺寸的精确测量，进而考虑材料的收缩率，对原始CAD模型进行补偿，保证增材制造零件的尺寸精度。蓝色区域小于CAD设计，红色区域大于CAD设计模拟由于CT技术可以准确测量孔隙尺寸及空间分布，这些CT数据便可以用于计算机模拟，避免了通过人工建模设计带来的误差，这样模拟的结果将更为准确。基于CT扫描的3D打印TC4试样拉伸测试模拟CT扫描由于高的细节分析能力和无损检测能力，在增材制造中的零件整体分析方面具有很大价值。除去上述应用之外，CT扫描在粉末分析、应力分析、断裂性能分析等方面也有重要应用。详细内容可扫描二维码获取论文内容。扫描获取更多内容延伸阅读增材制造实时监控与工艺过程仿真金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法长按添加订阅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）：X射线显微CT在增材制造技术中的应用

香港城市大学吕坚教授研究组近日首次实现了陶瓷的4D打印。8月17日，相关研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”为题发表在Science Advances上。这种4D打印结合了3D打印，自变形组装和弹性体衍生陶瓷在大尺寸陶瓷结构的形状复杂程度、机械强度、制造成本和适应复杂环境能力上实现了突破，有望广泛应用在太空探索、3C电子产品、航空发动机、防弹军事装备和高温微机电系统等领域中。本篇内容由纳米人整理。论文链接http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat0641研究亮点4D打印，一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激（如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，包括水凝胶，形状记忆聚合物等。 吕坚团队开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体，这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，逐步实现打印陶瓷折纸结构和4D打印陶瓷 。成果详解1. 3D打印陶瓷在此次研究中，他们先实现了3D打印陶瓷。他们采用墨水直写打印（Directink writing）这种成本较为低廉的打印方式，用二氧化锆（ZrO2）纳米颗粒掺杂的聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane) ，PDMS）复合材料作为墨水，构建弹性体3D结构，然后在氩气或真空中进行热处理，得到一级陶瓷，然后在空气中进行热处理，进而得到二级陶瓷。开发这两级陶瓷可以丰富材料的外观，譬如这里一级陶瓷是黑色的，而二级陶瓷是白色的。3D打印出的陶瓷前驱体不仅是软的，而且具有弹性，可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度，这为4D打印提供了自变形组装的可能。 最终打印得到的多级结构陶瓷是非晶-结晶双相SiOC基质纳米复合材料，有的系统还会得到孔径小于10nm的超纳孔。2. 打印陶瓷折纸结构然后他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形，经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝可以被硝酸销蚀掉，最后只剩下陶瓷结构。通过例如弯曲、扭转和拉伸等一些基本负载模式，证明了打印弹性体的柔性和可拉伸性，为复杂折纸变形提供了可能。线状比例尺均为1厘米他们3D打印出有周期性三角形纹路填充的长方体预应变前驱体，构建了复杂陶瓷折纸结构，包括蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、和裙子。3D打印的弹性体经历形状转变, 并且被金属丝约束。弹性体中的周期性三角形纹路增强了整体结构的可折叠性，并且保证了金属丝约束的可编程性。根据高斯绝妙定理，高斯曲率在局部等距变换下不变。弹性体的可拉伸性使得可以改变其表面上点与点之前的距离，也就提供了机会可以构建具有混合的高斯曲率的复杂结构，譬如类似圆柱面和圆锥面的零高斯曲率，类似球面和环面的外表面的正高斯曲率，类似环面的马鞍形内表面的负高斯曲率等不同K值的面可以混合出现在同一个结构中。在打印陶瓷折纸结构的基础上，他们开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。3. 4D打印陶瓷：方法一在方法一中，他们设计制造了可编程自动双轴拉伸装置，将3D打印的基底在两个方向进行预拉伸，拉伸的速度由电机编程控制。在拉伸状态下的基底上打印设计好的连接点，用于连接基底和其上的3D打印得到的主结构。等连接点固化后，在电机控制下释放基底中的预应力，主结构就会发生屈曲变形，与基底一起形成4D打印的弹性体结构，热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。以经典的拓扑结构三浦折叠为例，在可编程自动双轴拉伸装置的辅助下，三浦折叠“生长”了出来，实验结果也与有限元仿真相吻合。基于其周期性和对称性，三浦折叠也可以作为基本结构单元来构建更加复杂的结构。4D打印陶瓷：方法二在方法二中，陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，就会发生4D变形。他们以几个有代表性的拓扑结构作为例子，其中包括弯曲，螺旋，和马鞍面。陶瓷前驱体上的变形，可以通过在其表面所打印的纹路参数来编程设计，譬如纹路的疏密程度，与拉伸方向的夹角等。4D打印陶瓷优点一：当需要制造一系列相似形状的陶瓷时，这种4D打印的概念就会体现出时间上的高效。因为只需要一个相对简单的图纸设计，就可以衍生出一系列的形状上相似且连续可变的结构，而传统的3D打印只能一个图纸设计对应一个结构。这个优点所带来的在时间成本上的突破，将会在定制设计上体现得尤其明显。4D打印陶瓷优点二：此次研究提出了“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷的概念，并举了两种自变形方法作为例子。这种概念可以有更广泛的变体和应用，譬如引入形状记忆变形等。这种4D打印方法上的多样性，可以为设计制造用其他方法很难实现的复杂陶瓷结构提供巨大的自由度。以电子设备行业为例，因为陶瓷材料在电磁信号传输上的优异性能，5G时代的到来将会对陶瓷产品的发展提出更高的要求。另外，相较于金属，陶瓷材料颜值高，质感佳，密度低，而且还有不易变形，耐磨防刮，耐化学腐蚀等优点。但是，陶瓷材料熔点极高，较难加工成型，所以目前陶瓷产品的应用受到了技术和成本上的极大限制。下图是他们打印的陶瓷手机背板，左边是平面板结构，右边是曲面板结构，小图里是平面板结构的另一个表面。相较于传统的陶瓷成型工艺（譬如注塑成型等），他们的技术较易实现个性化定制，尤其在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上，而且可以实现超复杂精细结构，成本低强度高，有望应用在包括陶瓷手机背板和中框，陶瓷手表的表壳表圈表链等3C产业中。4D打印陶瓷优点三：作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力，可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驱体可以在地面被折叠以节省空间，然后到太空后展开为需要的结构。前驱体转化为陶瓷后，这些4D打印的陶瓷结构可以被用来做耐热结构。4D打印陶瓷优点四：此方法得到的陶瓷结构具有很高的比强度，并且可以兼具高强度和大尺度。下图显示了抗压强度-密度的Ashby Chart，此次研究中的SiOC基质纳米复合材料的晶格和蜂窝结构（红色星号标记），与其他参考文献中报道的结果和市售的SiC、AlSiO泡沫的性能作了比较。此次研究中的打印陶瓷晶格结构的抗压强度可以达到547 MPa（密度约为1.6 g cm-3），其比强度约为传统SiOC泡沫的19倍。下图显示了他们的结果（红色星号标记）攻克了打印陶瓷结构强度与尺度不可兼得的普遍难题。相较于3D激光光刻得到的纳米结构，此次研究中兼具大尺度和高强度的陶瓷材料将有较大机会应用在实验室之外的机械系统中。这些轻质高强多级尺度的陶瓷结构也有相当潜力用于制造机械超材料中。参考文献：1. Eckel,Z.C. et al. Science 351, 58-62(2016)2. Zanchetta,E. et al. Adv. Mater. 28, 370-376(2015)3. Meza,L.R. et al. Science 345, 1322-1326(2014)4. Bauer,J. et al. PNAS 111, 2453-2458 (2014)5. Bauer,J. et al. Nat. Mater. 15, 438-443(2016)6. Colombo,P. et al. J. Am. Ceram. Soc. 84,2245-2251 (2001)4D打印陶瓷优点五：相较于陶瓷增材制造的其他方法，此次研究中开发的“墨水直写陶瓷前驱体+热处理陶瓷化”工艺成本相对低廉，因为这种方法不需要3D光刻法所要求的相对昂贵的激光或者紫外光能源，也不需要一般陶瓷粉末烧结所要求的超高温度（对于SiC和Si3N4，一般粉末烧结温度要超过1600oC，而此工作中热处理1000 oC即可陶瓷化）。结语在此次研究中提出的“3D打印弹性体-自变形-陶瓷化”的4D打印陶瓷概念里，用于陶瓷前驱体的硅胶基质纳米复合材料可以进一步推广到其他两相或多相材料系统中，这种方法开辟了做复杂形状的高温合金和陶瓷等高温难熔材料的一个新工艺，有望用在航空发动机上。3D打印方式也可以根据材料特性推广到墨水直写以外的打印技术中，变形过程可以推广到形状记忆变形，多材料打印的热膨胀变形等方式中，热处理工艺上也有相当的优化和拓展空间。总之，这个工作在研发复杂形状的轻质高强、大尺度的结构陶瓷上取得了一定突破，其在高温材料相关领域的广泛应用值得期待。此项研究获国家自然科学基金委员会重大项目、香港大学教育资助会的协作研究金和主题研究计划、香港创新科技署（通过国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心）、广东省科学技术厅、和深圳市科技创新委员会等单位的支持。吕坚教授简介吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。本文相关成果：1. Guo LIU, Yan ZHAO, Ge WU,Jian LU, Origami and 4D printing of…

本文偏学术流基于逐层堆积的3D打印技术的出现，充分地释放了设计约束和制造柔性，几乎可以成形任何形状的零件。然而与传统制造技术相比，3D打印零件的表面质量稍差，如此会影响零件的强度、耐磨性和抗蚀性，还会影响其配合性质和工作精度。车、铣、刨、磨等传统机加工的粗糙度Ra<2.5μm, 而SLM成形件的Ra通常超过10μm，制约SLM技术的广泛使用，工程师通常会通过工艺优化提升表面质量，然而，气流方向和零件摆放方位也会影响成型件的表面质量。AM400内部结构本文研究人员采用如图Case1所示的扫描方式进行SLM样块加工，发现所加工的样块的表面质量均存在如下特点：后侧面大于前侧面，左侧面大于右侧面。经过初步的分析，这个可能与扫描方式有关，或许与铺粉方向和气流方向也有关，为了进一步验证，研究人员继续进行了Case 2和Case 3的实验。实验中。。。扫描方向对表面粗糙度的影响结论依然是后面粗糙度大于前面，左面大于右面，当然这个差值有所减少，这是扫描方式的影响，此处不具体展开。气流方向的影响实验采用的设备为雷尼绍AM 400，气流从成形腔的右出口进入左入口，形成气流回路，通过监测SLM成形过程发现，在气流的作用下，大量的飞溅落在样块左侧与粉末接触的区域（落在已凝固的样块表面，飞溅也会被吹到这个位置），这些飞溅的颗粒在下一层加工初始，会被半熔化，粘附在零件的左侧面，大大的提高表面粗糙度。如果飞溅落在零件成形区域，还会影响到零件的性能。气流方向对表面粗糙度的影响零件摆放方向的影响雷尼绍AM 400的铺粉方向是从后向前，在铺粉过程中，粉末会被刮刀压实，零件后方的粉末致密性较高。当激光加工下一层时，熔化该位置时，更多的粉末被吸收进熔池，熔池尺寸较大，变得不稳定，另外熔池会渗进粉末，粉末未及时熔化，而快速冷却后导致表面粗糙度的增加。 AM400打印过程结论: 基于以上两条因素，在进行零件打印时须根据零件的特点选择合适的摆放方位。对于具有复杂表面的零件，这些面的摆放应避免位于左侧和后侧；具有较大平面，便于机械加工的零件，可以作为后侧面或者左侧面。联系作者并获取原文「 更 多 精 彩 点 击 下 方 图 片 即 可 查 看 」长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：从气流和零件摆放角度探讨SLM打印表面质量

增材制造工艺的主要特征之一是其制造的部件形状复杂性几乎是无限的。然而，金属部件的高表面质量通常只能通过铣削或磨削精加工操作来实现。然而薄壁零件在进行铣削加工时经常会引起振动，这会对零件精度和加工时间产生不良影响。弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）和亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）共同开发了一种特殊用途的支撑结构，以消除后处理过程中产生的振动。振动会影响表面质量通常，在选择性激光熔化（SLM）工艺中，金属部件会被设计成比实际需求更大的尺寸，以允许完成铣削操作，这是确保部件尺寸和功能表面的唯一方式。薄壁部件在打印过程中容易变形，清粉操作及后处理加工过程中也特别容易发生振动，导致表面质量差，甚至使部件无法使用。支撑结构解决方案Fraunhofer IPT和ILT增加了增材制造的部件的外围设计，通过添加支撑结构增加了易受影响区域的刚度并减少了振动。在表面精加工操作过程中，可以用相对较少的力量去除这些支撑。支撑结构增加了薄壁零件的刚度支撑结构可以减少铣削过程中的振动这种方式可以稳定部件，也可以在更短的时间内以更低的刀具磨损水平达到更高的质量。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年如何选择3D打印树脂材料案例：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）：Fraunhofer开发薄壁零件后处理消振结构

当产品确定了设计和工艺之后，随之而来的便是对材料的选择，然而用户往往对此并没有太多的概念，服务商却会执着的问你到底想用什么材料，毕竟，他们面对的树脂材料的种类太多，打印出符合客户需要又不至于返工的产品是他们必须考虑的。客户必须要知道自己的产品需要具有怎样的性能，不同的树脂材料可满足不同的机械性能需求，材料的选择过程不可或缺。原型丙烯酸酯原型丙烯酸酯采用CLIP（或DLP）技术成型，零件表面光滑且具有光泽，强度适中，该材料可用于概念验证和快速原型制作，该材料具有黑色、灰色和白色，也可进行抛光。氨基甲酸乙酯（UMA 90）UMA材料强度很高，它的许多机械性能类似于尼龙12，可以制造功能性和成品部件，也适用于原型制作，例如用于原型叶轮和空心部件的流体回路。这种材料具有良好的表面，不需要抛光工艺，成本低，具有黑色和白色两种。弹性聚氨酯弹性聚氨酯是一种具有高弹性、抗冲击性和抗撕裂性的材料，可以制作缓冲垫圈、抗振或密封零部件。弹性聚氨酯是一种高性能聚氨酯弹性体。实际上，它在压缩载荷和循环拉力下具有优异的弹性性能。目前这种树脂材料只有黑色。柔性聚氨酯柔性聚氨酯不如弹性聚氨酯树脂那样有弹性，是一种半刚性材料。特别适用于要求韧性和抗重复应力（如铰链和摩擦配合）的应用。该材料提供了高冲击强度，是制作外壳类零件的完美选择，目前该材料只有黑色。硬质聚氨酯硬质聚氨酯是一种具有高硬度和高强度的材料，同时它也具有耐磨、耐高温的特性，可制作耐热。耐磨、具有一定刚性的机械部件。VeroWhite树脂VeroWhite树脂是一种不透明的聚苯乙烯树脂，有很多不同的颜色可供选择。采用该材料打印的部件表面光滑且不透明，可用于制造医疗部件，如手术导板或大型原型部件。VeroClear树脂VeroClear树脂是一种半透明材料，打印部件具有自然光滑的表面，可以抛光，也可着色处理，可以用来制造消费品 。以上树脂材料属于高性能材料，从快速原型制造到生产，可以满足各行行业的需求。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年案例：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）：如何选择3D打印树脂材料

高强度复合材料3D打印和金属3D打印都是当前较为先进的制造方法，从单独使用的角度来讲，两者从模具、夹具到小批量最终用途零部件，都可以提供突破性的解决方案。然而本文要讨论的是将两者结合起来，利用复合材料和金属3D打印改进制造流程，来解决更多挑战。复合材料打印机可以将碳纤维、玻璃纤维等增强纤维嵌入常规线材中，打印部件强度是ABS的23倍，而金属打印机可以打印不锈钢、铝合金、钛合金等多种材料。通过了解他们的优势，可以最大限度的提高3D打印的实用性。金属和高强度复合材料具有不同的材料特性，它们本身有着不同的应用。复杂金属零件带来了对3D打印的需求零件在制造之前必须先完成设计，但金属3D打印释放了设计极限，可以制造以前难以完成的几何形状。打印的零件可以采用传统的金属制造工艺（如攻丝、抛光或机加）进行后加工。然而随着零件设计自由度的增加，零件越复杂，标准的夹具就越难以满足使用要求。高性能复合材料为定制工装夹具带来可能复合材料打印机可以制造高强度保形工件夹具，这些工具和夹具成本低、高效、耐用，对于小批量的金属零件，由金属和复合材料构成的组合夹具将简化工件夹具设计过程，同时确保完美配合。应用1. 攻丝夹具使用打印的复合材料夹具来对齐和支撑需要后处理（如攻丝）的金属打印件，定位孔垂直以便于攻丝，坚固的复合材料夹具可轻松承受来自虎钳的夹紧力以固定零件。有效固定特殊形状零件其实只要有金属零件模型，便可以设计专属于该零件的复合材料夹具，这个过程简单实用，可有效解决复杂零件的夹持问题，无论是攻丝、QA检查还是其他后加工都能轻松解决。2. CNC铣床软钳口在这个例子中，工人使用定制打印的工件夹具来固定金属打印的轴承座，来保证后加工精度。复合材料软钳口与金属零件的复杂轮廓相匹配，强度高、耐化学腐蚀，使其在机加工车间经久耐用。3D打印异形零件的夹具比零件本身要容易设计的多，只需要将零件模型导入设计软件，进行布尔运算等简单操作，便可以得到夹具的设计模型，大大简化了夹具设计流程。再通过3D打印制造，比传统的编程加工要快速方便的多。3. 为复合材料工装打印金属插件工装工具通常由多种材料制造，以最大限度提高性能和实用性。采用传统加工方式制造工装通常非常复杂和昂贵，而3D打印复合高性能材料与金属打印相结合让流程变得简单且成本大大降低，工程师可以充分利用两种材料的优势来制造特殊工具。定制扳手复合材料的手柄内部填充连续玻纤，增加了其强度和耐用性，保持轻便的同时又复合人体工程学特点，可以分散使用过程中的扭转载荷；安装在复合材料手柄中的金属打印插件提高了零件接触区域的硬度和耐磨性，两者的组合大大提高了工具的实用性。定制打印 多材料工具的益处●可以打印与各种金属嵌件相连接的复合材料手柄或安装件，将工具整合进入一个更紧凑的单元中。●可更换磨损部件并延长工具使用寿命，当外部手柄磨损时可以轻松打印替换件而非替换整个工具。●当金属插件分离开来时可根据其用途快速迭代外部设计。使用合适的材料来满足工具要求金属和复合材料都具有高强度，在工业应用中扮演着不同的角色，但将两者复合使用，两者的其他性能便可以互相补充，生产出坚固耐用、耐磨或坚韧无损的多种高强度工具。此外，金属和复合材料的协同使用还可以支持生产，简化制造流程。欢迎转发延伸阅读：3D打印技术参考，一周年案例：3D打印如何用于工装夹具生产被状告的Markforged打印机是如何工作的从制造特点和产品周期分析3D打印相对于传统制造的意义在使用3D打印的情况下如何进一步降低成本长按添加订阅Share the World's 3D Printing Technology 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

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石墨烯特殊的二维蜂巢晶格单原子层结构决定了其具有独特的物理性能，如质量轻、比表面积大、导电导热性好、力学强度高等，因此可作为理想的结构和功能性填料来制备复合材料。 3D打印是近年来快速发展的成型制造工艺，又被称为“增材制造”。相比于传统的减材制造过程，减少了模具制造的过程。这种无模具自由成形的技术摆脱了空间几何及设计工艺的束缚，可将复杂结构设计转变成实体产品。 将3D打印技术与石墨烯/聚合物基复合材料的制备结合起来，可以实现复合材料的快速制造成型，制造复杂结构的产品。石墨烯的加入，使得3D打印产品具有更好的力学性能和功能特性，同时还可以更方便地制备梯度化功能制品。此外，3D打印逐层制造的方式，抑制了石墨烯在聚合物基体中的大面积团聚，更有利于实现均匀分散。目前用于石墨烯/聚合物基复合材料的3D打印方式主要有以下四种。喷墨打印成型（Inkjet）喷墨打印已在电子电路、柔性器件等方面得到了广泛的应用。在常用的压电式喷墨打印成型过程中，打印材料首先溶解或者分散在溶剂中形成“墨汁”，而后根据打印需要适时将电压加在压电陶瓷片上使其产生变形，挤压腔体中的墨汁使其逐滴喷出，在基板上层层累积形成需要打印的形状，最后通过热处理、光照、冷冻干燥等后处理方式去除溶剂定型。石墨烯高载流子迁移率使得其非常适用于纳米电子器件的制备，喷墨打印便是一种常用的方便高效的制备方法。而聚合物的加入可以稳定墨汁，防止石墨烯沉淀分层，还可以调节墨汁黏度，使其处于便于打印的范围。喷墨打印成型设备简单，成本低，操作简易，非常适用于制备微纳米器件和电子电路。喷墨打印成型实例熔融沉积成型（FDM）熔融沉积成型主要适用于热塑性聚合物的3D打印，是目前最常用的一种3D打印方式。该方法需要将聚合物制备成标准直径的线材，而后通过步进电机将线材输送至喷头处，加热熔融挤出，在基板上根据所需形状层层堆叠粘连，冷却固化后得到所需成型件。 FDM打印演示将通过熔融混合、溶液混合等方式制得的石墨烯/聚合物基复合材料通过挤出机等设备制成3D打印线材，即可进行石墨烯/聚合物基复合材料的熔融沉积成型。石墨烯的加入不仅可以增强3D打印制件的力学性能，还可以赋予制件优异的电学、热学以及摩擦磨损性能等。熔融沉积成型可打印材料广泛，设备成本低，操作简便，打印速度快，并且可以用多喷头同时打印不同种类的材料，因此是最具有工业应用前景的打印方式之一，制备的部件具有用于机械、汽车、航空航天等领域的潜力。熔融沉积成型实例立体光固化成型(SLA)立体光固化成型也称立体平板印刷或立体光刻，是一种以光敏树脂为打印材料的成型方式。激光束按照设计路线扫描液态光敏树脂表面，使得光敏树脂特定区域固化，形成模型的一层截面。而后升降台向下移动一个微小的距离，进行新一层截面的固化，直至形成完整制件。从液体中打印出来的“倒立铁塔”从液体中“拉”出来的“富勒烯”形状的空心球体采用立体光固化方式成型石墨烯/聚合物基复合材料时，一般将石墨烯溶于溶剂后加入光敏树脂中或者直接加入树脂中混合，之后进行光固化成型。立体光固化成型打印精度很高，表面质量优异，可以成型很复杂的结构，是目前高端3D打印市场的主流技术，常用于生物支架、口腔医学等生物医药领域。立体光固化成型实例选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结是一种适用于粉末成型的3D打印方式，主要用于金属和陶瓷粉末的打印，但也可用于热塑性聚合物粉末。 向聚合物粉末中加入石墨烯，可以提高粉末的导热性能，对于减小热翘曲有显著改善作用。同时，石墨烯也可以改善制件的力学性能。目前采用选择性激光烧结成型石墨烯/聚合物基复合材料的报道还相对较少，并且主要集中在尼龙基材料上，今后的研究可向更多的复合材料种类拓展。选择性激光烧结成型实例石墨烯/聚合物基复合材料和3D打印成型方式是两个近年来快速发展的研究方向，将二者结合起来，可为石墨烯/聚合物基复合材料功能性制件的复杂结构成型提供有效的解决途径。采用3D打印成型石墨烯/聚合物基复合材料的很多技术目前还不够成熟，仍处于研究之，但其在电子、能源、生物医药、机械、航空航天等多个领域的应用前景值得期待。（来源：航空材料学报，材料+编辑整理）欢迎转发延伸阅读：高强耐用 PLA 3D打印材料及其设备另一新碳纤维3D打印技术几种碳纤维3D打印技术长按添加订阅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）：石墨烯3D打印工艺及其应用

在大多数工业市场，都是在零件生产完成后通过三坐标测量仪来检查制造精度，以及通过X射线来检查内部缺陷，CT扫描来寻找深层次的缺陷。然而，对于粉末床3D打印工艺来说，零件在构建的过程中有50多种因素会对零件的质量发生影响，等生产出来再发现缺陷无疑对于生产商来说太迟了。粉末床金属熔融3D打印过程中，粉末飞溅和微裂纹等缺陷是航空部件等高安全要求条件所不可接受的。上期3D打印技术参考介绍了雷尼绍实时监控功能，相对于该功能，卡梅隆大学将机器视觉和人工智能结合用于金属打印，更为前言，走的更远。金属3D打印实时纠错卡内基梅隆大学工程学院（CMU）的两位研究人员将3D打印和机器学习结合起来创建了一种机器学习算法，该算法对激光粉末床熔融技术进行实时过程监控，并对打印过程中的异常情况自动纠错。机器视觉与人工智能的结合目前，很多研究人员正在使用包括声学、光谱学和温度监测等方法来了解激光熔融过程中每一层发生了什么。但是，这些有限的监测方法并不具备自动分析的能力，只能提供供操作员解读的数据。而上面提到的技术跟其他方法不同，它应用的是计算机视觉算法。人工智能对层进行分析在打印过程中摄像头会拍摄粉末床图像并提取特征，这些特征自动进行分组并在不同层次的分析中进行比较，直到完成创建图像所需要的所有信息，研究人员称之为指纹。人工智能可以通过计算机内置的数百个预标记的训练图像识别不同的缺陷，通过比较接收到的新图像指纹和已知指纹来识别打印层是否存在异常。六种粉末床异常训练图像研究人员在题为“使用训练过的计算机视觉算法用于激光粉末床增材制造过程中的异常检测和分类”的论文中演示了智能检测算法如何识别打印缺陷并对缺陷进行分类和确定位置。实时控制系统包含了原位监测和粉末床图像分析部分，使用计算机视觉算法来自动检测和分类在粉末熔化阶段发生的异常，自动校正功能可以在检测到异常时向操作员发送警报从而及时的人为解决问题，也可以进行自动化的简单修复，允许机器识别关键缺陷并做出相应反应，只是后一种功能要复杂很多。从数千个图像分析中对零件进行三维重建自动修复的最高级别功能是可以识别复杂缺陷，例如翘曲、变形和造成零件大部分损坏之前作出反馈，当然这非常困难，但这项工作将使金属3D打印在成为工业生产中具有高可靠性的工艺的发展道路上向前迈出一大步。金属3D打印的目标是融入到世界的主流制造过程中，如航空航天部件、生物医学植入物以及高性能汽车，在此方面，研究如何控制金属内部结构与金属3D打印的质量息息相关。针对粉末床金属熔融3D打印技术，卡内基梅隆大学正在从粉末筛选、过程控制、检测等多个方面发力，以推动金属3D打印融入到世界的主流制造应用过程。除了过程控制，在粉末筛选方面卡内基梅隆大学工程学院的研究人员在2017年就开发了机器视觉技术，可以自动识别和分类不同种类的3D打印金属粉末，准确度达95％以上。据称该技术在五年内会获得广泛推广。关于机器视觉机器视觉是人工智能快速发展的一个分支，简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。在没有手动监督的情况下通过计算机视觉来识别和分类粉末，计算机可以看出，金属粉末是否具有零件要求的微观结构质量—强度、抗疲劳度、韧性等。如果是这样，一旦进行3D打印，金属粉末就不太可能带来零件裂纹或发生加工故障。其他此外，在检测方面，卡内基·梅隆大学材料科学与工程系还在通过巨大的同步X射线辐射机，足以看到百万分之一米的金属内部细节。X射线扫描金属3D打印的数据被送回匹兹堡来分析金属打印结果与打印参数之间的关系。在卡耐基-梅隆大学的Next Manufacturing中心，作为全球领先的增材制造研究中心之一，该中心将大量的数据用于分析，以获得更好的理解增材制造过程以及质量控制的能力。卡耐基-梅隆大学的Next Manufacturing中心正在实现他们设定的目标，包括：像设计零件的几何形状一样设计加工过程；监督和控制增材制造过程；在同一个零件的不同位置体现不同的材料，不同的微观结构和机械性能；用广泛范围内的金属粉末；内部孔隙度的消除或设计。（本文部分内容来自3D科学谷，笔者进行一定编辑使技术内容通俗易通）欢迎转发延伸阅读：增材制造实时监控与工艺过程仿真金属粉末与激光作用过程为什么要仿真长按添加订阅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）：金属3D打印实时纠错—机器视觉结合人工智能的新方法