液体火箭在工作过程中，会将推进剂燃料通过喷注器推进入燃烧室，通过雾化、混合、燃烧，产生高温高压燃气，将化学能转化为热能，再转化动能，产生推力。燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，而且材料还要经受腐蚀性高压高速燃气的侵蚀。 为了有效的将热量导出，正常发挥效能，推力室的结构设计和材料选择就非常重要。液氢液氧火箭发动机推力室采用再生冷却式结构，结构由内、外两层壁构成冷却夹套，约有360个冷却槽。发动机工作时，内衬一侧为高温燃气，另一侧为装载液氢液氧的冷却管道，通过液氢液氧降低火箭发动机燃烧室内壁温度保持在熔点以下，以保证材料能正常服役。推进剂组元流经冷却套冷却壁面，自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器进入燃烧室，使通过内壁传出的热量又回到燃烧室得以“再生”，故称再生冷却。 推力室再生冷却结构形式多样，随着发动机技术及制造工艺的不断发展，推力室从最早的双层夹壁结构发展到变直径、变厚度的管束式结构以及波纹板钎焊夹壁结构，然后采用锆铜合金铣槽内壁、电铸或钎焊成形的外壁结构，使得推力室推力逐渐增大。 再生冷却推力室 推力室制造工艺经历了由钎焊发展到内壁沟槽结构的数控铣切、外壁电铸镍以及管束式液压填充冲压成形和高温真空钎焊等制造技术，使推力室内壁的冷却效果逐步提高。在工艺选择上，欧洲火神系列低温发动机的推力室采用在铜内衬上铣削冷却通道，然后用电铸工艺覆盖通道，而俄罗斯是用钎焊工艺密封通道。美国和日本除采用整体结构之外还采用管状结构，如冷却结构是由液压形成和捆扎管组成，电铸或钎焊技术覆盖冷却通道用做承受载荷的附加装置，这点与俄罗斯和德国相同。 神州十四号发射 如上文所述，传统的推力室再生冷却结构制造工艺看起来很细致，同时又很复杂。其制造过程动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。高昂的制造成本以及漫长的等待时间让航天发射对增材制造的关注越发迫切。 2015年，NASA通过3D打印制造了第一台全尺寸的火箭发动机；2017年，私人空间探索公司Aerojet RocketDyne发布SLM制造的RL-10火箭推力室；2018年，航天初创公司Launcher成功发射EOS为其打印的火箭发动机，2022年4月，Launcher 3D打印的E2火箭发动机完成新一阶段测试；2019年2月，欧洲航天局ESA完成了全尺寸3D打印火箭引擎的第一次试运行；此外，NASA在RAMPT的项目支持下，采用激光能量沉积3D打印技术制造了直径1米、高度0.9米的一体化冷却通道推力室。 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。采用多种优化的材料和增材制造技术相结合生产火箭推力室，体现了3D打印的巨大生产优势。它将推力室的制造时间由数月缩短到了几周甚至几天，而且对于制造满布冷却流道的结构更具优势，成本也具备经济性。航天部门无法拒绝它兼具效率和经济性的制造特点，而一系列的测试也将其安全性不断向前推进。 关注视频号了解最新技术应用注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext解锁增材智造新技能！ 2.视频：国家增材院10米超大型铝合金火箭连接环3D打印制造技术 3.美军工商将3D打印用于最新高超声速武器和新型太空发动机关键部件制造 4.为大型、重型3D打印零件自动清粉，国产解决方案比人工省时90%

2013年，麻省理工学院Skylar Tibbits等人首次提出了4D打印的概念，即在3D打印的基础上增加了时间维度，使三维物体的形状、功能等特性能够响应外部刺激而随时间发生变化。顾名思义，微纳4D打印是一种将微纳尺度3D打印技术与智能响应材料结合，用于制备亚毫米直至纳米级的刺激响应动态器件的先进制造技术。从宏观到微观，由于物理尺度的急剧缩小，微纳器件对外部刺激的响应形式、响应程度和灵敏性等都展现出与宏观器件的显著差异，因此这一新兴领域受到了研究人员的广泛关注。华中科技大学熊伟教授课题组面向微纳4D打印领域，从刺激响应类型的角度出发，综述了该领域的最新研究进展，展示了微纳4D打印技术的部分应用，并对该领域的发展进行了总结和展望。 微纳4D打印致动方式 1)磁响应磁响应因具有穿透能力强、驱动距离远和可控性好等优点被广泛应用于微纳机器人的驱动和控制。近年来，随着材料成型和磁场控制技术的进步，利用磁场实现结构形变成为一个新的发展方向。这种磁致形变过程中结构受到外加磁场的非对称磁矩作用，自身产生形状改变，赋予了磁响应器件更多的控制维度，如图1所示。 图1 磁致形变微结构。（a）单向磁场驱动的仿生纤毛微型机器人；（b）预编程的纳米磁性微型机器人在特殊的磁场序列下产生的形状变化 2)溶剂响应 微纳4D打印得到的结构通常工作在液体环境或在液体环境下制备而成，溶剂环境本身会对微结构产生直接影响，近年来也有一些科研人员针对4D打印的微纳结构在不同种类溶剂中所引起的响应进行了研究。由于聚乙二醇链与水分子间的氢键作用，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶展现了水/空气环境下的溶胀/消溶胀特性。2019年华中科技大学邓春三等人基于PEGDA复合水凝胶，通过双层结构的不对称性实现了水环境下仿生含羞草、六叶花瓣微结构的可控形变，如图2所示。 图2 水环境下仿生微结构六叶花瓣和含羞草结构的可控形变 单一溶剂控制微纳结构的形状转换往往会限制其适用范围和功能多样性，而一些丙烯酸酯类聚合物在具有不同Hildebrand溶解度参数的溶剂中可以呈现不同的溶胀响应状态。据此，2019年吉林大学Zhang等人基于双重编程的飞秒激光直写技术设计并制备了在丙酮中溶胀、正己烷中收缩的刺激响应性结构。 3)pH响应pH刺激响应微纳致动在微纳4D打印中具有毫秒级的高响应速度和优异的致动幅度等优点，pH变化诱导结构形变的主要原因是材料中的羧基在酸性溶液中的去离子化或在碱性溶液中的离子化引起了聚合物链静电力，从而实现了体积的膨胀或收缩。 图3 基于可控微关节结构的4D打印仿生微爬行器 2020年，北京大学Huang等人基于飞秒激光直写技术实现了微型笼、微型伞等可重构复合微机械的4D打印。进一步，该课题组提出了模块化微积木组装的4D打印方式，并实现了蜂窝状、卷状和波浪状等复杂三维结构的原位pH响应致动。在原位运动的基础上，该课题组通过对结构关节进行功率密度编码，构建了以尺蠖为原型的仿生微爬行器，实现了二维平面内的爬行运动，如图3所示。4)温度响应温度刺激响应因具有候选材料众多、温度场控制简便等优势而被广泛研究，是目前应用范围最广的一类物理刺激形式。根据响应原理的不同，现有基于温度响应的微纳4D打印的工作可分为以下三类：水凝胶相变、液晶相变和材料热膨胀形变。 图4 温度响应微结构。（a）水凝胶致动器折叠和展开；（b）液晶弹性体的双臂梁旋转；（c）金纳米晶/钛块体材料弯曲变形 水凝胶相变的典型材料是聚异丙烯丙基酰胺（PNIPAM）。在相变临界温度以下时，PNIPAM分子链上的酰胺基与外界水分子存在氢键作用，体系吸水膨胀；在相变临界温度以上时，PNIPAM分子链上的异丙基起主导作用，凝胶表现为疏水性，体积收缩。而液晶弹性体的相变原理不同于水凝胶，提高温度将会使液晶分子由有序的液晶态转化为无序的各向同性态，在液晶指向矢的方向收缩，垂直于指向矢的方向膨胀。材料热膨胀性质的不同也可以诱导温度刺激响应。典型如双层梁结构，加热一对具有不同热膨胀系数的薄层粘接结构可使带状结构弯曲形变，如图4所示。 5)光响应利用光诱导4D打印结构进行致动是近年来一种新兴的控制手段，光响应以其高精度、多参量可调等优势迅速成为微纳4D打印领域的研究热点。光刺激响应通常是利用光束精准激发材料的物化效应来诱导结构致动，常用的有光热效应、光化学效应、光电效应和光学力等。光热效应诱导4D打印结构致动是光响应中一种常见的控制方式。通常研究人员加工出具有交联密度梯度的聚合物结构，然后以激光作为热源精准地加热材料诱导结构致动。在聚合物材料中掺杂碳纳米管、金属纳米颗粒等功能性材料可有效提高光-热转化效率，缩短响应时间，如图5所示。 图5 光响应致动微结构。（a）光热响应致动微结构；（b）掺杂Fe3O4纳米颗粒的水凝胶微致动器近红外光响应 光化学效应也是光响应中一种常见的控制方式，通常被应用于掺杂偶氮苯染料的液晶弹性体材料。通过紫外光辐照，偶氮苯发生反式-顺式的异构化反应，带动液晶分子从有序的液晶态转化为无序的各向同性态，从而引发液晶弹性体发生形变。近年来报道的一些新颖的光响应致动微纳器件，例如由光电效应激发新型的表面电化学致动器，以及由马兰戈尼效应与光热效应联合驱动的透明水凝胶致动器等。上述器件所展示的控制方法与机理进一步丰富了光响应的控制维度，增强了光响应的致动性能，拓展了光响应的应用范围。 微纳4D打印技术的应用 近年来涌现的新型驱动方式实现了微纳器件更为高效复杂的形变，推动了微纳4D打印实用化的进程。 图6 微纳4D打印技术的应用。（a）用于靶向药物递送的微型载药小鱼；（b）仿生四足微步行器；（c）可调焦距与视场的人工复眼结构 在生物医学领域，可以在外场作用下实现细胞运输、靶向药物递送等功能；在微机械领域，可以实现步态行走、蠕动等仿生运动以及目标识别抓取、转运等功能性操作；在光学领域，可实现可调谐环形谐振器、可调焦距与视场的人工复眼等结构，如图6所示。 总结与展望 微纳4D打印是目前最契合动态响应微纳器件需求的一项先进制造技术，丰富的材料体系和多样化的控制手段，在生物医学、微机电系统、柔性电子、可重构表面和超材料等众多前沿领域都有着巨大的应用前景，因此发展微纳4D打印技术具有重要意义。综上所述，微纳4D打印在动态响应微器件的开发上展现了巨大的应用前景，同时也存在着巨大的挑战。未来的研究可以从以下几个方面进行突破：1）发展更高精度和更高效率的微纳加工方法；2）开发高性能、良好生物相容性的响应性材料；3)发展和优化多维度驱动控制手段，实现更高效、更精准的个体控制以及更智能化的集群控制；4）强化从实验室研发到实际应用场景的衔接，实现微纳4D打印技术的落地应用。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.清华智造大讲堂：史玉升教授——从3D打印到4D打印 3.4D生物打印是噱头吗？看4D Biomaterials创新材料4Degra的应用 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域

激光粉末床熔融工艺（LPBF）作为一种极具前景的增材制造技术，其生产复杂、高性能金属零件的能力使其成为一种有需求的增材制造技术，而深入了解激光与材料之间的相互作用对于开发该工艺的潜力至关重要。然而，高功率激光束产生的热量通常会导致部件中形成气孔，这些缺陷对零件的密度有害，并导致结构的整体机械性能较差。在零件性能至关重要的关键行业中，孔隙还可能限制可打印的零件类型。因此，需要开发更好的缺陷检测技术，并避免在打印过程中产生缺陷。 使用先进的成像技术，由赫瑞瓦特大学、清华大学（赵沧教授）、弗吉尼亚大学和阿贡国家实验室的科学家组成的团队近日研究了金属3D打印过程中的材料状态，使激光与金属粒子相互作用时存在的所有物质状态之间的相互作用实现了可视化，从而为缺陷形成的方式和原因提供了新的见解。 LPBF过程中的气孔是如何形成的 气孔是对LPBF/SLM构件力学性能影响最大的缺陷之一，也是工业界和学术界关注的焦点之一。SLM过程中，材料迅速的熔化和凝固、熔池剧烈波动等会导致气孔的产生。 在金属增材制造过程中，激光束作用于粉末床，形成了熔池，粉末颗粒在这里熔合在一起。在熔池内，少量金属蒸发会在熔池中心形成一个空腔。这个被称为“钥匙孔”的空腔如果变得不稳定，可能会自行塌陷，从而导致在3D打印部件中形成孔隙。 金属3D打印过程中即将形成的钥匙孔空隙（来自阿贡国家实验室） 此外，如果发生坍塌，蒸汽会从钥匙孔中向上喷射并形成羽流。这会影响粉末床中一些未融合的颗粒，可能会干扰材料的顶层，这种现象会导致整个零件中分散大量微小缺陷。 华中科技大学的研究团队指出，气孔的尺寸、数量、形貌和位置均对构件的力学性能有重要影响，较高的气孔率会缩短成型件的疲劳寿命，靠近表面的气孔对成形件的疲劳性能影响比其它位置的都大。因此，许多制造商无法接受材料孔隙率过高。 充分控制羽流动态和熔池稳定性 激光与材料的相互作用导致金属基底和粉末的快速熔化和蒸发，这种交互是一个复杂的动态过程，需要对大量变量进行控制，以实现过程稳定性，并最终在一段时间内或跨构建平台连续生产零件。对金属3D打印所涉及的物理的基本理解有助于调整这些加工参数。研究表明，熔池和诱导蒸汽射流的行为变化很大，导致了几种不同的流体动力学状态。此外，这些现象还决定了与粉末颗粒的相互作用，粉末颗粒是工艺稳定性的关键组成部分，影响零件质量和结构缺陷（如孔隙度）。虽然通过分别对液态金属、粉末颗粒或蒸汽行为成像，在理解和表征这些动力学方面取得了巨大进展，但尚未直接观察到它们之间的相互作用和耦合运动。 激光熔池与激光束相互作用的物理过程（撞击粉末床的功率分布呈现高斯形状）：粉末、激光和烟尘相互作用（左）；显示温度分布的模拟结果（右）（来自GE Additive） 研究团队结合使用X射线和纹影成像来检查和表征熔池中存在的气体、蒸汽、液体和固相之间的相互作用，使这些过程完全可视化。 通过分析图像，他们发现蒸汽羽流的行为对熔池小孔的整体稳定性有直接影响。具体来说，羽流越动态和活跃，锁孔越不稳定，导致更多的孔隙率。纹影系统的高放大率允许在不同的激光参数下直接成像从熔池凹陷处冒出的蒸汽流，研究发现，锁孔内的不稳定导致激光羽流从稳定流过渡到混沌流。这种转变会导致蒸汽折射率的变化，即使x射线成像不可用，这种变化也是可以测量的。系统图像分析能够确定Ti6Al4V合金中这种不稳定性开始的阈值输入能量密度。 从熔池钥匙孔射出的羽流随时间的演化 不同输入能量密度下熔池/羽流稳定性的测量 合成图像展示了熔池如何影响羽流的方向 通过分析锁孔和羽流形态，研究人员量化了几个参数的过程不稳定性，并确定了一个以前未报告的稳定线扫描所需的能量输入阈值。探讨了粉末层的作用及其对工艺稳定性的影响。这些控制LPBF流体力学的高速可视化图像使研究人员能够识别与有害孔隙率相关的不利过程动力学，帮助设计更高功率和速度的工艺窗口，并为过程稳定性监控提供帮助。 通过修改激光的一些参数，如功率、光斑尺寸和扫描速度，研究团队可以充分控制羽流的动态和熔池的稳定性。研究人员认为，他们是第一个使用钥匙孔羽流作为可以监控过程特征的团队，并期望他们的发现将对航空航天、汽车和国防等领域产生重大影响。 END 研究团队相关成员表示，迄今为止，研究的重点通常是根据液态金属或颗粒的行为检测和预测缺陷，往往忽略了熔池上方产生的蒸汽射流和羽流的影响，这项工作将能够创建改进的过程监控和分析工具，识别和预防金属增材制造中的缺陷。 在最近的研究进展中，3D打印技术参考介绍了清华大学和新加坡国立大学的团队研究了流体流动对金属3D打印部件机械性能的影响，控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成对于调整最终组织结构至关重要，但探索熔池中流体流动的影响的研究却非常少见。此外，2020年，本研究的共同作者清华大学助理教授赵沧曾在《Science》上刊文分析了金属3D打印中匙孔气泡缺陷的起源，为无气泡全致密金属激光3D打印提供了理论支撑和技术支持。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.清华大学于《科学》发表论文揭示金属3D打印中匙孔气泡缺陷的起源 3.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 4.3D打印研究成果下载：花费5年、1720万欧元，提交5500个样本，专注于缺陷和工艺分析

金属3D打印根据三维模型，以逐道、逐层的方式制造零件，因此能够快速制造形状极其复杂的部件，这对于传统的制造方法来说非常困难。然而，成功制造具有理想机械性能的零件一直是各种增材制造技术面临的挑战，因为许多因素会影响晶粒结构的演变。另一方面，通过3D打印制造零件在控制晶粒结构方面存在巨大潜力。例如，采用适当的加工策略，通过电子束粉末床熔融工艺可成功3D打印镍基高温合金单晶棒。通过改变工艺参数，可以实现对特定部位晶粒结构的控制。 由于3D打印特殊的加工特点，晶粒更倾向于沿打印方向外延生长并变成柱状晶粒甚至单晶，这对于制造飞机发动机涡轮叶片具有优势，但对于许多其他部件来说并非如此。因此，控制晶粒结构的演变对于增材制造技术的广泛应用至关重要。根据相互依赖理论，现有晶粒的过冷度对形核和晶核的生长起着至关重要的作用，进而诱导等轴晶粒结构的形成。 单道是粉末床3D打印工艺的基本单位，熔池中晶粒的生长和新晶粒的形成很大程度上决定了增材制造中晶粒结构的演变。实验观察和数值模拟表明，由于相对较低的温度梯度和较高的凝固速度，在熔池顶部区域形成等轴晶粒结构的可能性更高。然而，当沉积下一层时，顶部区域会重新熔化。该区域的新晶粒不能促进等轴晶粒结构的出现。相反，在熔池边界处也出现形核, 并且更有可能成为完工零件中的有效晶粒，从而导致等轴晶粒结构。 反冲压力和马兰戈尼效应驱动熔池流动，这可能会影响熔池中的枝晶/晶粒生长。然而，由于缺乏直接观察极快凝固过程的实验方法，很少有人致力于研究流体流动对3D打印条件下枝晶生长和新晶粒形成的影响。在金属增材制造中控制新晶粒的形成对于调整打印态零件的晶粒结构至关重要。温度梯度和凝固速度被认为是控制新晶粒形成的主要因素，而3D打印过程中的熔体流动的影响从未被研究过。 近日，清华大学、新加坡国立大学以及广西大学的研究团队，通过双向耦合与计算流体动力学改进了多网格枝晶生长模型，模拟了3D打印过程中各种温度梯度和凝固速度下流动液态金属中的枝晶生长，研究了熔体流动对枝晶生长和不同取向枝晶前新晶粒形成的影响。 a1-d1熔池底部（曲面）流速分布；a2–d2熔池处的流场 (a) 用于模拟预定义流体流动中枝晶生长的示意图(b) 熔池规模枝晶生长模拟示意图 模拟的枝晶结构 (a) 尖端速度示意图(b) 流体流动影响示意图(c) 模拟域中的流线 位于模拟域中间的XZ横截面的过冷度比较，灰色区域是树突 研究人员首先通过结合计算流体动力学 (CFD) 模型改进了多网格枝晶生长模型，从而使枝晶生长和流体流动双向耦合。之后，在Inconel 718板上进行了使用电子束和激光的单道实验。在这些实验中，预热温度和扫描速度是不同的，以实现不同的凝固条件和熔池中的流动强度。同时，高保真热流体流动模型用于模拟熔池流动，获取温度和流场。然后分两步进行数值建模研究。第一步，为了揭示熔体流动对枝晶生长和新晶粒形成的影响，使用双向耦合模型模拟了不同凝固条件下预定熔体流动中不同取向的枝晶生长。第二步，利用从热流体流动建模结果中提取的温度场和流场进行熔池尺度枝晶生长模拟，这是一种单向耦合，即熔体流动影响枝晶生长，反之不影响枝晶生长。 模拟结果表明，3D打印过程中的枝晶生长和新晶粒的形成受到熔体流动和凝固的显著影响，并与铸造相似。此外，对熔池规模枝晶生长的模拟也很好的解释了电子束和激光单道实验中晶粒结构的形成机制，进一步证明了熔体流动对枝晶生长和新晶粒形成的显著影响。 研究熔体流动对熔池边界枝晶生长和潜在新晶粒形成的影响，将为依赖温度梯度和凝固速度的形核理论提供有力补充，为晶粒结构的调控提供指导。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.总结160余篇论文| 西工大综述面向增材制造的拓扑优化研究现状与挑战 3.中科院研究：晶格结构的性能差异，材料、3D打印与传统加工工艺 4.史玉升教授团队顶刊综述：超材料的增材制造技术与发展趋势

近日，汽车领域增材制造工业化和数字化项目——IDAM项目已成功实施。3D打印技术参考查询相关资料获悉，该项目由德国教育和研究联合部门 (BMBF) 资助，宝马集团牵头，于三年前与吉凯恩、亚琛工业大学、弗朗霍夫激光技术研究所在内的12家企业和研究机构共同参与推动，所有成员都有一个共同的目标——在汽车生产领域彻底改变金属3D打印的使用方式，降低成本和减少工时（如模具制造环节），更好的满足定制产品的需求。 IDAM项目始于2019年3月 2020年，IDAM项目进行到一半，其中最显著的进展之一是GKN开发出了一种金属粉末材料，其在汽车市场具有巨大的工业化潜力。该材料就是被称为DP 600的双相钢，其机械性能可以使用热处理方法进行调整。由EOS M300-4所打印的试样表现出13%（打印态）至 22%（热处理）的断后延伸率，以及950MPa（打印态）和 700 MPa（热处理）的拉伸强度。 IDAM项目黑灯工厂成功运行 两年后，该联盟的12名成员在宝马集团增材制造园区展示了IDAM项目的成功实施。宝马已经建立了一条数字联网的全自动3D打印生产线，并为汽车系列生产做好了准备，另一条生产线位于GKN粉末冶金公司。 通过将金属3D打印集成到汽车行业传统生产线中，IDAM计划每年至少批量生产50,000个组件和10,000个零配件用于汽车生产，同时保证零件的一致质量并释放目前极高的成本压力。 无人驾驶运输系统（DTS）起始于2019年的概念草图，如今已成功集成在IDAM生产线的模块之间全自动运输3D打印机的移动成型仓。这些机器由中央控制单元进行协调，各个生产线模块的所有生产数据在中央控制单元中汇聚，确保了最高的生产率和质量。 在IDAM项目实施期间，开发了自动生成3D打印数据的新概念。全自动模块将使用过后的旧金属粉末运送到加工站，在那里进行独立处理。部件的后处理在专门设计的工作站中进行，这些工作站也是全自动的。 △左右滑动查看更多 组件的质量是重中之重，IDAM通过使用传感器在线监控3D打印过程来保证零件质量，使用CMOS相机和高温温度计检查来自熔池的排放物质，此外，还使用AI算法将记录的数据与实际组件质量相关联。 宝马集团联合体负责人兼项目经理Felix Haeckel表示，“从项目的第一天开始，合作伙伴之间就可以感受到团队精神。互相学习，共同开发创新解决方案，并以最佳方式发展各个合作伙伴的优势——这些是增材制造工业化和数字化成功的关键”。 宝马集团投资超1亿的增材制造产业园 宝马采用3D打印技术已经十几年，截止到2020年，宝马通过3D打印工艺就已经生产了100万个零部件。仅2018年一年，宝马集团3D打印生产中心的产量超过20万件，同比提升42%，2019年通过增材制造生产的零件达到30万个。 2020年6月，投资超过1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业，3D打印技术参考发现其部署了来自SLM Solutions、Desktop Metal、HP、EOS、华曙高科等国际知名3D打印企业最为先进的主力设备，试图将公司的原型生产、系列零件制造，以及新的3D打印技术研究和培训集于一身，显示出宝马集团对3D打印技术的高度认可以及预借助该技术改变传统制造模式的决心。 当时，宝马增材制造中心拥有超过50台工业聚合物和金属3D打印机，能够承担其全球50%的增材制造生产任务。如此规模的3D打印资源整合，将极大拓展了汽车部件对该技术的应用范围。而从装备的选择来看，中心选择的3D打印机均为业内知名企业的最先进设备，有些适合于制造原型，有些则可以制造最终零部件，还有一部分则专门适用于批量制造。 3D打印技术参考还看到宝马在流程链中实施了新的自动化概念，这将使宝马能够简化用于批量生产的组件制造过程并加快迭代速度。同时，宝马正在与车辆开发、零部件生产、采购和供应商网络以及宝马的其他各个领域进行合作，以系统地集成3D打印技术并有效地利用。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.增材制造，颠覆传统汽车制造 3.三种金属3D打印技术分别适合怎样的汽车行业应用 4.采用3D打印集成制造汽车发动机部件，为现代成熟产品减重21%，提升动力总成效率

5月23日，3D打印技术参考了解到，金属增材研发商「云耀深维」已完成来自红杉中国种子基金、深圳高新投正轩、PNP的数千万天使轮融资，本轮融资用于产品研发及创始团队建设。预计2022年中开放Pre-A轮融资窗口，Pre-A轮融资将用于产品研发、团队扩建与市场拓展。 云耀深维Aixway是激光金属粉床增材制造技术（SLM/LPBF）的发明机构-弗朗霍夫激光研究所（Fraunhofer ILT）孵化的高新科技企业，由中德资深专家组成。公司位于江苏太仓，致力于领先的激光增材制造全尺寸、全工艺链的产品打印、技术开发、科研合作、设备研发等服务。 为解决金属3D打印工艺在高精度结构件领域的痛点，除常规尺寸金属增材制造外，公司还拥有独家微米级金属增材制造技术，填补小型、高精度增材制造部件的市场空白，大幅优化金属3D打印件的精度、粗糙度及实现无支撑打印。 技术介绍 云耀深维专家团队自主研发的微米级金属增材制造技术实现了复杂精密结构金属材料的3D一次打印成型，达到打印精度2-5微米，打印部件表面粗糙度Ra值0.8-1微米，致力于填补小型、高精度增材制造部件的市场空白，其主要优势如下： 超高精度： 微米级打印技术控制激光光斑至20微米，平整铺粉层厚至5微米（相当于20分之1根头发丝厚度)，实现了金属打印精度至2-5微米，可以让产品的设计更加自由，突破设计局限，实现微米级多孔、中空、铰链、多维随行流道等精密结构； 超光洁表面： 微米级打印将Ra值降到0.8-1微米，可减少大量后期加工环节； 免支撑打印： 微米级3D打印实现无支撑的一步成型，并且实现了大部分结构10度角度以上无需支撑、自由打印； 平整保护气流： 保护气流的控制是打印产品质量的核心影响因素，微米级打印采用云耀深维自主研发的新型气体输送装置，实现成型腔体平整、均匀的气体流速，保障打印过程的稳定性和打印产品的可靠性。   微米级打印实例 多孔结构（100微米直径显微图） 应用领域 航空航天 在云耀深维极微100系列上已成功一次成型具有高表面光洁度和内部复杂结构的镍基高温合金航空发动机部件，大幅度提高其性能及效果； 医疗领域 可直接成型微创手术器械/手术耗材/手术机器人关节，快速制造个性化植入体/介入体； 微电子领域 在小于1毫米的散热片内打印封闭式的复杂微结构流道系统，实现传统工艺无法加工的复杂部件，大大提高产品散热性能； 精密模具领域 快速制造微米级电子接插件模具，并可以实现精密模具里打入多维随形冷却流道，提高冷却效率，延长设备使用寿命并提升设备产能； 探测领域 可以直接一体成型多孔多流道、微型高精度探测装置，并具有超高表面光洁度，无需后期处理，可直接使用； 贵金属加工领域 云耀深维极微100系列打印的18K黄金粉末，可直接成型精细复杂的结构，打印成品表面光洁度，同时大量减少支撑件需求，减少后期加工工序，节约黄金粉末的原材料成本。 注：本文内容技术部分来自云耀深维。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.华南理工杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展 3.专题：金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 4.预告：8场航空航天增材制造先进设计与工艺仿真讲座

点击上方「增材制造技术前沿」快速关注3D打印综合、全面、专业的微信平台 Norsk使用的快速等离子体沉积工艺（RPD）是一种经过FAA认证的OEM合格的增材制造工艺，通过使用钛丝转变为适用于结构和安全关键应用的复杂组件，可为航空航天、国防和商业客户节省大量的交货时间并节省成本。 钛丝、氩气、等离子体电弧和过程控制是RPD工艺的核心因素，可以实现在快速打印的同时达到锻造强度，能够满足航空航天级的应用。Norsk成熟的生产能力可降低成本、减少机加工和材料消耗并缩短交货时间，旗下MERKE IV ™系统是当今商业生产中最快的钛金属打印机，它比基于粉末的增材制造设备快50-100倍，而钛的使用量则比传统锻件少25％-50％。 使用Norsk的快速等离子体沉积（RPD）工艺，Norsk的工程师设计了Ti6Al4V毛坯，将原料需求减少了40％。利用RPD的工业流程，Norsk可以创建接近最终形状的设计，同时保持波音飞机结构应用所需的严格流程控制和材料特性。 从2021年开始，Norsk与General Atomics Aeronautical Systems展开合作，双方共同探索Norsk的RPD技术在通用原子产品的重要结构应用。近日，双方成功完成了组件级测试，所选起落架部件的初步测试结果表明，其性能令人鼓舞。 这项工作是Norsk向国防市场扩张的一部分，Norsk Titanium US使用专利增材制造技术生产测试组件。通用原子增材制造和结构工程团队进行了检查和功能负载以及材料测试。 这项测试是为了支持通用原子公司实现和加速增材制造技术集成到其设计和制造操作、流程和产品中，从而最大限度地提高公司及其客户的购买与飞行比率。 “我们要感谢GA-ASI对我们技术和整个增材制造行业的支持，”Norsk Titanium商业副总裁Nicholas Mayer表示。“我们相信，我们的技术非常适合GA-ASI应用，这些应用传统上需要较长的交货时间，我们的团队已准备好继续支持GA-ASI，并持续进行资格认证，进一步开发DED增材制造技术应用。 注：欢迎加入硕博千人交流QQ群（867355738）

汽车制造是金属3D打印技术重要的应用领域，从快速制造原型，从而加快新车研发效率，到直接生产小批量零件，缩短供应链并节省成本，3D打印可谓是汽车行业重要的补充技术。除此之外，3D打印所特有的复杂零件制造优势，更可以简化汽车零件数量、降低重量，并节省材料。可以说，对汽车制造来说，3D打印技术优势非常多。虽如此，该技术到目前为止并未在该领域广泛使用。这是因为，具备更快、更便宜、制造更复杂部件的能力——才是未来汽车的制造方式。 当今汽车工业中的增材制造 在汽车领域，最早采用增材制造技术的并不是汽车制造商本身，而是他们赞助的车队。几十年来，从福特到法拉利，许多公司都把赛车作为测试新技术的孵化器。现在新车的许多标准功能——混合动力汽车的再生制动系统、按钮点火系统甚至后视镜——都可以追溯到它们的根源。同Z样的道理也适用于3D打印，尤其是金属打印。一级方程式车队、世界耐力挑战赛车队、E级方程式车队以及更多的车队都亲身体验了增材制造的好处——设计的快速迭代、快速原型制作和零部件的轻量化——都可以在赛道上提高车辆的性能。 既然3D打印有这么多的制造优势，那为什么汽车制造商还没有广泛采用呢? 从本质上说，它可以归结为三个因素——成本、材料和速度。 激光3D打印的复杂汽车零部件 3D打印技术目前所兼容材料种类也很有限。以塑料为例，目前能够成型的多数材料仅能满足有限的需求，对于汽车制造商更高要求的应用，现有材料甚至无法通过实验室的测试。 基于该技术的原材料成本非常高昂。即便已经经历了大幅降价，金属粉末每公斤的价格仍然达到上百甚至千余元，成品零件的成本则可能高达每公斤几百至数千元——对于大规模生产来说成本太高了。 在速度方面，即使是最好的机器也无法与大规模生产竞争。最快的粉末床熔融设备每小时只能生产100立方厘米。 虽然3D打印已经在汽车领域取得了成功，尤其是赛车运动能够承受为取得胜利而付出高成本来打印复杂部件，但只有更加经济高效，才能使其拓展到更广泛的制造过程中。当前，来自成本、材料和速度方面的挑战已经导致了该技术在汽车制造行业的应用受到限制，而且大多数零件仍在使用传统方法生产，如铸造、锻造、机加工和冲压。 激光粉末床熔融更适合小批量、高价值应用 迄今为止，应用最为广泛的3D打印系统——激光粉末床熔融技术，其采用激光一层层的熔化薄薄的金属粉末，直到零件完成制造。该技术能够快速准确的制备出金属零件，且在此前十年获得了汽车制造领域的广泛应用。宝马、福特、大众、奔驰等公司都在该技术的使用中均树立了典型案例，且在一定条件下实现了批量制造，但这些案例所涉零件仍多数局限于高端品牌，总量仍旧有限。 其原因仍离不开该领域对成本、材料和速度的要求。激光粉末床熔融装备需要大量的前期投资——整套系统需要100万美元或更多——每年只生产1吨零件，这不足以证明成本的合理性。此外，即便3D打印使金属零件制造更加灵活，但打印仅仅是第一步，后续还需要去除支撑等一系列后处理过程，从而进一步增加了零件成本。 △左右滑动查看更多 到目前为止，一系列汽车领域高价值的应用均源于激光粉末床熔融技术显著的制造优势——集成化、高精度和复杂制造的特点。例如通用汽车采用生成设计和3D打印将汽车传统座椅支架的八个组件整合为了一个组件，布加迪采用3D打印技术制造了新款凯龙制动钳，保时捷采用一系列创新设计3D打印了铝合金发动机外壳原型，宝马为i8 Roadster跑车批量打印的软顶支架等等。这些案例无论用于原型还是最终使用，都离不开激光粉末床熔融技术独特的制造特点。但同样有一个特点，这些应用都非常局限，几乎都属于高端品牌，极少能符合该领域对低成本、批量制造的要求。 基于挤出的桌面金属3D打印适用于原型制作 基于挤出的桌面型金属3D打印机具有办公方便的设计，排除了粉尘和激光暴露的风险，是一种更易于使用的端到端解决方案。 对处于新车设计和制造早期阶段的用户来说，桌面型金属3D打印机具有比传统粉末床设备便宜10倍的价格和方便快捷的操作性。此类系统可以在内部快速制作大量零件原型，快速测试不同的想法，探索新的结构可能性，在漫长而昂贵的设计周期中节省时间和金钱。最终能够以更低的开发成本呈现更好的设计，并使公司快速从设计和验证转向生产，加快产品上市。灵活的操作性还有助于降低成本，因为它减少了材料浪费，而且不需要专门为操作机器招聘专业员工。 Desktop Metal桌面金属3D打印装备 Raise3D桌面金属3D打印装备 该技术可以打印广泛的材料，包括H13工具钢、4140铬钢、316L和17-4 PH不锈钢等，非常适合于车企零部件开发、工装及零配件制造等。当前，比较有代表性的桌面挤出金属3D打印品牌有Desktop Metal、Raise3D、Markforged等，国内纵维立方也于2021年推出了基于该技术的3D打印机4Max Metal。 5月20日，国内知名的从事挤出工艺3D打印的代表企业Raise3D将带来线上云展活动，扫码预约直播可近距离观看其3D打印创新中心，听取桌面金属3D打印工艺研究报告。 以汽车一减震器为例，其提供阻尼以减少震动组件中的运动，并通过引导液压流体通过复杂的内部通道来实现更平稳的行驶。由于活塞内部几何形状复杂，传统制造需要由多个零件组装而成，与之不同的是，桌面金属3D打印机可以单步打印零件，缩短交货时间，降低成本。 采用桌面挤出金属3D打印技术制造的17-4ph减震器活塞 3D打印带来的几何自由度也允许制造商制造快速原型和探索新的活塞设计，同时消除了将工作外包的需要。在桌面型金属打印机上进行零件原型设计也有助于顺利过渡到批量生产，因为像粘结剂喷射这样的大批量系统能够生产同样复杂的设计。（案例来源：Desktop Metal） 粘结剂喷射金属3D打印更适合于大批量零件制造 粘结剂喷射工艺的最突出特点就是可以实现金属3D打印的批量化制造。基于该工艺的装备价格比传统激光3D打印机要低，打印速度是四激光粉末床熔融设备的几十甚至上百倍，所用材料为传统MIM粉末，相比球形粉价格更为低廉，零件的制造成本也因此比激光3D打印的零件低几十倍。因此，粘结剂喷射工艺在装备成本、粉末成本以及打印效率方面都超过金属3D打印，即便其零件性能略低，但仍具备与注射成型零件相同的水平。因此，该技术更适合于实现大批量零件制造。 基于以上优势，当前主要的汽车主机厂正在加快该技术的使用进程。领先的粘结剂喷射金属3D打印开发商分别获得了汽车行业内主要品牌的合作：大众汽车正在积极与惠普合作，福特也正在使用ExOne的粘结剂喷射技术制造汽车部件，而Desktop Metal近日获得了某德国汽车制造商790万美元的合同，业内猜测该客户可能是宝马汽车集团。 Desktop Metal粘结剂喷射3D打印装备 那么，该技术又是如何实现零部件从几千个到几十万个批量制造的呢？ 制造商在大规模生产零件之前，最初的生产量可能会很少，原因有几方面。在一辆特定汽车的生产初期，即使最终可能生产数十万辆的汽车，制造商在最初可能也只生产几百辆用来作为市场测试，然后才开始大规模生产。另一个原因是，像福特野马Shelby GT500这样的高性能汽车的产量通常是有限的——2010年，福特只生产了2000辆这种汽车——这意味着汽车制造商可能只需要对每一个零件只生产几千个。与此同时，对于售后零部件而言，这一数字可能更小——市场对某个特定零部件的需求可能只有几百个。 粘结剂喷射适合堆叠打印，大幅度提高了3D打印制造效率 对于需要大规模生产的零部件，粘结剂喷射金属3D打印的另一优势则更为明显——无模制造。该技术消除了对模具的需求，允许工程师将已经经过改进的设计——无论是通过桌面挤出金属3D打印技术还是传统原型方法——都可以通过粘结剂喷射金属3D打印实现大规模生产。可与传统大规模制造工艺竞争的打印速度，粘结剂喷射金属3D打印允许在一次任务中生产数千个零件，其价格和生产速度可以与铸造、锻造和机加工等工艺竞争。这种速度，再加上低成本MIM粉末的使用和简单的后处理，使得该工艺生产零件单件成本可能比其他3D打印工艺低20倍，并使增材制造成为铸造、锻造和机械加工的可行选择。 采用粘结剂喷射金属3D打印技术和SLM技术制造的宝马水泵轮 以创新设计的汽车水泵轮为例，它通过发动机和散热器冷却循环，消散燃烧过程中产生的热量。然而与其他产品不同的是，该部件是作为一个整体设计的，这使得它能够更有效地运行，并通过减轻重量来提高性能。由于零件几何形状复杂，无法通过铸造或锻造来创造，水轮采用金属3D打印制造，虽然使用SLM创建的部件已经在汽车上得到了成功验证，但每个部件的成本对于生产车辆来说太高了。使用粘结剂喷射金属3D打印，能够一次创建多达150个零件，每个零件的成本也能够降低到5美元，从而更加经济。 END 3D打印技术的发展在汽车制造生命周期的每个阶段都创造了新的机会——从功能原型到中批量生产，再到售后市场和备件。而这些机会大多与生产速度和零件复杂性有关，或者两者兼而有之。因为它不受传统制造的限制，3D打印允许设计师和工程师进入一个巨大的新设计空间，并创造越来越复杂的零件。 当优化的零件面临大规模生产时，材料、成型效率、价格成为阻挡3D打印技术广泛应用的限制性因素，优势无法体现。新技术的发展则打破了这种壁垒，使优化的结构能够大规模实现，并以一种高效和更加经济的形式。 扫描关注 3D打印技术参考 视频号 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.视频：了解FFF/FDM增材制造技术如何赋能汽车行业 3.详述：主流汽车制造商正在如何使用增材制造技术 4.视频：探访通用汽车专用于增材制造的新工厂

鲁汶大学在增材制造研究方面拥有近30年经验，对增材制造的贡献排名全球第三，同时也是全球领先的增材制造学术机构之一。 鲁汶大学增材制造研究小组由鲁汶大学机械制造系教授 Ir. Ing. Brecht Van Hooreweder领导，其正在开展与激光增材制造相关的不同领域的研究活动，包括： 扩充增材制造材料库，包括陶瓷、铝和生物材料； 通过分析微观结构、纹路、孔隙度和热应力，研究与静态和动态机械特性相关的工艺条件； 优化软硬件的机械设计和工艺； 增强对X光、CT、过程监控和后处理的质量控制。 为进一步支持研究活动的开展，增材制造研究小组专门建立了一间实验室，配备了增材制造硬件（包括3D打印机、后处理设备、寿命测试设备、测量设备、粉末生产设备）和软件解决方案，这些软硬件部分由供应商提供，部分自行研发。 开发新一代增材工艺鲁汶大学增材制造研究小组利用3DXpert教育版和3D Systems 的ProX DMP 320金属打印机针对增材制造的打印准备、优化、制造和控制开展大量研究项目。研究人员高度重视与3D Systems合作过程中积累的行业经验，大规模使用3DXpert软件进行工艺设计，更为增材制造研究提供了强有力的工艺设计和流程控制支持。Ing. Jitka Metelkova 表示，其最为欣赏的是3DXpert能够灵活整合所有增材制造流程，包括从设计到制造的所有流程，他是PAM2（Precision Additive Metal Manufacturing）项目的初级研究员、增材制造工程师和玛丽居里博士后。“不管是CAD工具进行简单的设计，还是根据保护气流动设置扫描策略和激光参数，我们都使用3DXpert完成，这样就没必要使用其它软件解决方案了。” “将3DXpert软件和打印机结合起来使用，能够很好地达到我们的研发目标，那就是为整个金属增材制造流程寻找一个综合解决方案。在此之前，我们必须使用独立的软件和硬件产品，导致工作流程十分复杂化，甚至有些重要的流程根本无法实现，”Ir. Ing. Van Hooreweder教授说道。 “ 将3DXpert软件和打印机结合起来使用，能够很好的实现研发目标，这是一个串联金属增材制造工艺研发流程的解决方案。”—Ir. Ing. Van Hooreweder教授 加速新材料工艺参数研发根据PAM²项目框架，鲁汶大学使用ProX DMP 320打印机处理了两种不同的马氏体时效钢粉末（等级300）。他们使用3DXpert软件开展参数研究，为两类粉末开发最佳参数，同时确保较高的密度和较低的表面粗糙度。增减材混合工艺流程鲁汶大学正在对一种新的复合制造工艺进行测试，该工艺将连续激光与脉冲激光结合，以便有选择性的对表面进行精加工。Jitka Metelkova教授表示，“3DXpert支持极其复杂的扫描策略参数设置，如重熔扫掠，使得我们能完成之前必须手工修改的参数设置。”定制网格结构为研究增材制造的Ti6Al4V 网格结构的复杂载荷条件，鲁汶大学的研究人员使用3DXpert设计了一种网格结构几何体，其具有变化的孔隙梯度。研究人员对这种新设计的几何结构进行了准静态拉伸、拉-拉、拉-压和压-压疲劳试验。研究结果《Fatigue life of additively manufactured Ti6Al4V scaffolds under tension-tension, tension-compression and compression-compression fatigue load》发表在Nature出版集团旗下刊物《科学报告》（Scientific Reports ）。 Jitka Metelkova表示，“3DXpert能够快速灵活地设计出所需的定制网格结构，正如本例中的疲劳样品，它具有很好的孔隙梯度，加快了我们的研究进度。” 未来增材制造工程师培养鲁汶大学机械工程系设有一门增材制造课程，讲述了各种增材制造方法对应的主要原理，并概述了增材制造行业的最新研究成果和当前遇到的研究挑战。 为确保未来的工程师能够适应增材制造研究和制造环境，增材制造课程框架中也包含了使用3DXpert软件进行扫描策略设计的教学内容。 助力增材制造行业未来鲁汶大学从一开始就积极参与增材制造研究，也对增材制造技术的未来充满信心。他们也将持续加大投资，解决增材制造技术的应用障碍。 “未来几年我们的目标包括准确预测增材制造得到的金属网格结构的疲劳寿命，研究实体区域和多孔介质区域混合的情况，并确保零部件质量好、可重复性高，”Ir. Ing. Van Hooreweder教授说道。“我们过去与Oqton 和3D Systems的合作非常成功、卓有成效，相信接下去也一定能合作愉快。” 520 Oqton Live Day5月20日，本周五，Oqton与 TCT 合作带来特别版线上Live直播！最新最全的功能展示、行业应用、技术专家实时连线，尽在「Oqton堃腾智能制造」微信视频号！点击或扫码识别，一键预约开播提示： △左右滑动查看更多 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.5月20日锁定TCT Asia…

增材制造技术突破了传统制造技术难以制造复杂结构及功能的瓶颈，能够实现材料、结构和性能的统一，是彻底从原材料到最终产品的全过程的数字化设计与制造方式。因此，增材制造为复杂零件的宏微观结构和功能的一体化制造提供了新契机，既可用于制造复杂曲面、晶格点阵，也可制造薄壁或空心结构等复杂零件，通过对材料的微观结构和组成成分的设计，还可以实现零件的结构功能一体化。 随着增材制造技术的应用规模不断拓展，工艺和设备的自动化和智能化需求日显重要。与此同时，增材制造技术还远不能满足现代制造业的标准化、自动化生产模式的需求。为促进增材制造技术的自动化和智能化，本文对增材制造的设计方法、材料、工艺和设备、智能结构、生物结构以及在极端环境中的应用进行了全面综述，描述了未来5~10年的技术研究路线图。 图 1 增材制造技术发展路线图 一、设计方法 面向增材制造的设计方法目前研究的主要方向如下： 1）拓扑优化。一种计算机辅助设计方法，用于生成复杂结构的创新设计，表现出刚度可调、梯度特征和优异的轻质性能。通过拓扑优化把多个部件合并成一个部件是常见的优化策略。 2）综合优化。结构设计需要同时满足多个目标和相关约束，例如复杂的载荷条件、耐热性、有限的应力和位移。综合优化不仅包括典型的结构设计约束，也包括工艺的约束，例如材料的各向异性、打印方向和过程参数。 3）微观晶格和宏观结构的梯度设计。 4）数据驱动的集成工艺-结构-性能的设计。以实现多个工艺参数、打印方向和结构设计的并行优化。 图 2 面向增材制造的设计方法（a）飞机机翼拓扑优化；（b）发动机的薄壁晶格填充；（c）耐热结构的双梯度材料和功能设计；（d）带有支撑结构的金属承重结构；（e）和（f）承重结构的无支撑设计；（g）钛合金多层级设计；（h）、（i）和（j）卫星支架的实体-点阵并行设计；（k）连续变化的点阵多层级设计。 未来增材制造设计方法的发展方向如下： 1）结构和多学科拓扑优化。结构设计的综合优化需要考虑宽频振动、循环载荷下的材料疲劳、极端高温和强辐射等极端情况，需要实施外部载荷的多物理量模拟，以增强和拓宽综合优化角度。所设计的部件保持必要的机械性能，并具有其他功能，例如光学、电磁、热性能等；引入多物理驱动的体积设计，将多尺度特征和多类型材料进行数字化整合，实现结构的功能融合。 2）知识库驱动的设计方法。这是智能设计和制造系统的一个重要方面，知识库包括材料数据库、功能晶格单元库、工艺参数组合、以及它们之间的相互影响关系。这些信息可以通过多物理过程模拟、人工智能以及机器学习算法建立。 3）以成本为导向的设计。收集设计、制造和服役期间的真实数据流，支撑面向成本的设计。在数字系统中实现产品设计的迭代过程将显著降低开发成本和时间成本。 4）自动化超材料结构设计。通过模块化、参数化设计方法，创造具有期望性能的超材料。 图 3 增材制造的智能化设计方法发展路线图 二、材料 增材制造技术可使用现有的多数材料，目前发展现状总结如下： 1）金属、聚合物、陶瓷和天然材料已经用于不同的增材制造工艺中。 2）在使用同质材料的基础上，已经开发了使用异质材料(包括各种复合材料和多种材料)的工艺，以便获得更高的性能、更多的功能，包括例如阻燃聚合物、直接金属和陶瓷复合材料。 3）具有某些响应特性的智能材料，如形状记忆的4D打印。 图 4 增材制造用材料的体系分类 增材制造用材料的未来研究方向： 1）完善材料设计理论。通过材料基因组建立专业数据库，实现智能优化选材。通过建立成分、工艺、微观结构与性能之间的内在联系，可以根据材料的性能设计出满足要求的微观结构。 2）对于以目标为导向的多层次、多因素材料设计。对于结构材料，要实现面向材料的增韧设计；对于智能材料，如形状记忆聚合物和合金，要实现可控的变形恢复设计。 3）智能复合材料。先进复合材料的先进制造技术将为实现跨尺度智能复合材料结构的设计和制造提供有力的工具。 三、工艺和设备 增材制造的工艺设备几年取得较大的进步，主要情况如下： 1）正在向智能化转型。在保持一定效益的基础上，在规模化生产效率、质量控制和柔性生产等方面提高核心竞争力。 2）将高端机床和智能工业机器人引入增材制造装备，大大提高增材制造过程的自动化控制水平。 3）设备自动化与数字信息化相结合。基于数据、软件和网络，结合多尺度建模、机器学习和人工智能等先进技术，建立数字生态系统，有效地将信息与物理过程联系起来，激发新制造能力。 4）机器人辅助下的增减材复合制造，可以通过在线识别和实时反馈实现自主路径规划和原位参数调整。 5）创建一个包含机械、统计和控制建模的数字双胞胎，以智能和经济有效的方式认证增材制造产品。 图 5 增材制造工艺装备的智能化和工业化发展路线图 增材制造智能化转型仍处于探索的早期阶段，其未来有如下几个发展方向： 1）开发多机器人协作下的混合增材制造解决方案。以敏捷制造为核心的混合制造结合了各种加工技术的优点，在多材料、多结构和多功能制造方面显示出良好的前景。 2）提高监控和传感设备的功能和集成度。增材制造过程中的信号处理涉及视觉、光谱、声和热，多功能传感器的集成装置将有助于其在行业中的应用普及；同时，通过与数据预处理软件的耦合，将提高物理建模、过程优化和闭环控制中的数据可用性。 3）将工业互联网融合成增材制造数字孪生。工业互联网可以解决数字孪生的核心问题——模型和数据，从而通过云平台共享和分析数据和模型。 4）完善增材制造数字生态系统。集成先进设备或技术，如工艺监控、信息感知、机器学习、人工智能、数据库等。 四、智能结构 增材制造技术在智能结构制造主要表现在以下方面： 1）可集成传感、驱动、计算和通信功能。比如纤维增强复合材料的3D打印使得分层和中空结构的集成制造具有重量轻、强度高和成本低的优点。 2）超材料制造。结合先进的微观结构设计方法，增材制造可制造具备非常规的机械、光学、声学或热性能等的超材料。 3）形状记忆聚合物、液晶弹性体、水凝胶先进材料。如传输或处理信息的新型3D打印电子设备、基于电气组件的具有感测能力的结构、监测心脏组织收缩的组织培养装置、对环境刺激具有动态响应的智能设备。 图 6 具有各种功能的智能结构：（a）具有热收缩性能的人造皮肤；（b）金属墨水直接书写和电子元件的取放相结合的平台；（c）导电和功能材料的电荷编程调幅；（d）可变形结构的4D打印。 智能结构制造的未来方向： 1）融合不同的物理场和多维打印，用于复杂的多尺度结构，基于传感和驱动能力的有效组合对刺激做出动态响应。 2）更多独特功能的材料。 3）在极端条件下的适应性。因此，在结构设计之初，就应该考虑各种不同的工作条件，集成在线诊断、柔性控制、全生命周期设计和自动原型制造的智能系统。 五、生物结构 生物3D打印技术的应用现状主要有以下几个方面： 1）不涉及细胞的3D打印假体和生物可降解支架。 2）活细胞3D打印结构，可以被植入以修复/替换人体中的缺陷组织/器官。 3）导电生物材料和聚合物，能够响应物理、化学和生物刺激。各种生物3D打印工艺也在不断发展，如嵌入式打印技术直接将细胞沉积在缓冲液中，基于光聚合的增材制造技术实现水凝胶储器快速打印，精确的单细胞打印等等。 图 7 生物3D打印技术的代表性进展：（a）悬浮液中基于挤压的生物3D打印人类心脏模型；（b）具有血管化肺泡模型的光聚合水凝胶的高分辨率立体打印；（c）装载细胞的水凝胶3D打印快速制造的组织结构。 生物3D打印技术未来的发展方向： 1）活体打印。3D打印的活体结构在结构和功能复杂性方面还不能完全匹配天然器官。3D打印技术在构建复杂多尺度结构时需要更高的空间分辨率和效率，此外还需要更多与3D打印兼容的功能生物材料。 2）跨学科挑战。有效控制3D打印结构内的细胞生长发育是其成功应用的基础。对于植入的活体结构的生物功能，应进一步建立活体结构和人体之间的相互作用和联系。 3）监管和伦理挑战。3D打印活体构是生物医学行业中的新事物，这些产品涉及伦理问题应受到高度监管。 图 8 生物3D打印技术发展路线图…