3D打印技术参考导读：专门从事增材制造设计的创新产品开发机构Puntozero应米兰理工大学方程式车队DynamisPRC的邀请，为其高压牵引逆变器开发了一种轻巧且更高效的冷却系统，并采用成分接近纯铝的材料进行3D打印。这种具有特殊结构的散热器将传热表面积增加了300%，重量减轻了25%。 电动赛车侧重于高性能环境中的动力传动系统创新和燃油效率。每辆电动汽车的一个关键系统是驱动电动机的电力电子设备，作为功率转换单元的高压牵引逆变器，可以将电池中的直流电将转换成交流电，从而驱动电动车辆的马达。通常，逆变器的控制器元件需要保持在最佳工作温度范围内，然而牵引逆变器的传统液体冷却系统通常非常笨重，这使得它们不适合高性能赛车应用。 该项目的目标是设计一种比传统组件更轻、更紧凑的高效冷却板。设计团队专门利用增材制造技术和先进的工程软件开发了一种高性能热交换器。 解决方案概述 Puntozero和Dynamis的工程师将管道曲率附近的不均匀流动和原始CNC加工散热器的传热表面积不足确定为优化的主要机会。经过多次快速设计迭代后，最终的冷板散热器具有以下特点： 仿生导流器可在拐角处产生均匀的流速并最大限度地增加液体和散热器之间的接触面积。 最大限度减轻重量的外部晶格结构确保了可制造性并通过对流促进冷却。 模块化的设计，使散热器能够更好的定位。 最终的冷板式换热器设计更轻且模块化 受鲨鱼鳞片结构的启发，Puntozero设计了一种具有定向层状几何结构的回转体，该结构与冷板管道相符合，可在拐角处产生均匀的流速并最大限度地促进流动。 导流板基于使用先进的场驱动设计为扭曲的陀螺晶格。在nTopology中，所有几何体都定义为距离场，使用字段来驱动几何能够以此前不可能的方式定义复杂设计特征的空间变化。用户可以从点、曲面、实体，甚至模拟结果和实验数据创建场。在此示例中，Puntozero的工程师使用基本数学方程创建了一个二体场，用于描述管道通道的中平面和等值面。然后，沿着X和Y方向扭曲了一个陀螺晶格，以引导弯曲周围的流动。最后，加厚了结构并将其与外部电池结合在一起。 内部晶格基于使用场驱动设计技术扭曲的陀螺结构 最终，这种具有扭曲陀螺结构的导流板将传热表面增加了300%，极大促进了传热，并消除了沿曲线的湍流。 轻量化结构的多重优势  对于散热器的主体结构，Puntozero的工程师选择了厚度逐渐减小的金刚石TPMS晶格作为散热器的主体结构。 该团队在优化外部晶格设计的同时考虑了多种工程和制造要求。例如，晶格的厚度随着远离与功率电子器件的接触表面而逐渐减小。较厚的区域促进热传递，提高散热器的效率，并提供可在 3D 打印过程中轻松支撑的坚固表面。另一方面，较细的支柱使后处理过程中的粉末排出更容易，并通过与周围空气的对流促进散热。 外部晶格在接触表面附近逐渐变厚以促进热传递 最终，外部晶格在提供必要刚度的同时，显著降低了系统的总重量（25%）和生产成本，提高了元件的可制造性，并增加了与电力电子设备的接触表面积以促进热传递。 3D打印制造和CT扫描 散热器在EOS M290系统上采用一种成分接近纯铝的m4p PureAl制造，随后进行CNC加工。 在整个流程中都需要始终考虑设计、材料和工艺之间的相互影响。这些学科在增材制造中都不是孤立的。在这个项目中，设计人员确定了合适的打印方向，以确保打印顺利进行。 脱粉后（左）和加工过程中（右）制造部件 CT 扫描显示，这个复杂的零件是按照规范制造的，没有缺陷 在对车辆进行测试之前，该团队使用计算机断层扫描技术扫描了散热器，结果证实：散热器通道内没有粉末，内部晶格的制造没有任何缺陷故障，零件的内部孔隙率在可接受范围，整个零件的尺寸最大偏差保持小于200微米。 目前，Dynamis和Puntozero已经开始着手进一步完善下一季的设计。他们现在专注于微调内部晶格，以减少压降并最小化组件的整体尺寸，同时保持相同的传热效率，以进一步减少系统的重量和尺寸。nTopology先进的晶格生成功能和可重复使用的工作流程使团队能够在他们当前的研发工作的基础上更快地创建创新解决方案。 注：本文内容源文摘自:nTopology、普立得科技。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.无须高能热源，NASA实现铝和铜等多材料一体3D打印 2.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术 3.美国家增材创新中心：借助衍生式设计平台能创建出怎样的高级热交换器 4.麻省理工在线研讨会：3D打印热交换器的特点与应用

在采用3D打印技术的过程中，遇到的难题太多？应用范围太窄？成功概率太低？综合效益不高？想要发展增材制造，却又担心投入太大，成果平平，最后竹篮打水一场空？为解决这些难题，安世亚太增材评估小程序正式上线！只需花费2分钟，就可以快速测评增材技术对产品的应用潜力，得到增材设计与制造方法的指导建议。 安世亚太公司基于对增材制造全流程的充分理解和全面把握，从大量工业品制造案例中抽取出20个核心判断要素，开发了这套全新算法的增材设计小程序。 增材评估小程序，是如何给出建议的？ 简单来说，这款小程序是在不熟悉增材制造工艺特点的情况下解答3个问题： • 产品是否适合增材制造；•产品在增材制造过程中要注意什么问题；•如何改进产品设计使其更能发挥增材制造的技术优势。对于刚刚接触增材制造的用户来说，这项技术显得“高深莫测”，无法把握增材制造的优势与约束，也无法基于增材制造进行“对症下药”的设计。 如果采用传统设计构型，必然无法利用增材制造所提供的自由设计空间，产品性能不能在本质上得到提升，甚至受限于增材制造技术的不成熟，性能反而劣于传统制造的产品。更有甚者，设计的缺陷会直接造成打印失败，严重打击用户对增材技术的信心。 安世亚太公司开发的基于数据算法的增材制造应用潜力评估系统，可实现自动评估产品的增材制造可行性与增材设计对产品的附加值潜力，并根据提供的信息生成增材设计与制造方法的指导建议。 增材评估小程序使用指南 该小程序简单易用，方便快捷，不管科研工作者、工程技术人员，还是销售市场人员，都可以迅速上手。接下来，以一款铝合金接头为例进行解释。该接头初始设计采用数控机床加工，装配面的精度要求公差小于0.01mm，装配面表面光洁度要求3.2以下，并且希望接头在保证承载能力的前提下尽可能减轻结构重量。 原始设计 假如不确定这个接头是否适合增材制造，或者不知道采用增材制造是否有价值，那么只需以下3步就可以得到答案。 第一步：扫描下图二维码进入微信小程序（也可以通过微信搜索小程序“工业品增材制造应用潜力评估”），填写产品信息。 注意：进入小程序后，请您仔细阅读使用说明，建议尽可能把产品信息写的详细一点，有助于算法更准确的评估打分 第二步：完成材料&工艺、结构&特征、性能&功能、生产&成本四个维度——20个评判要素对应选项的选择请您根据产品的特征，选择最符合的选项，并注意是单选还是多选。 第三步：生成评估报告，根据增材潜力评估结果分析增材制造可行性。 注：①目前版本为1.0版本，仅开放金属产品的评估功能，评估的对象可以是已经完成设计的产品，或者是正在研发的产品。②在评估前您应当掌握产品的材料要求、结构特征、性能功能等基本信息。如何看懂评估结果和建议方案？ 按照上面的案例，该接头初始设计采用数控机床加工，装配面的精度要求公差小于0.01mm，装配面表面光洁度要求3.2以下，并且希望接头在保证承载能力的前提下尽可能减轻结构重量。 本案例的得分高达81分，说明非常具有增材制造潜力，产品的部分特征非常适合发挥增材制造的技术优势，通过增材设计和增材制造非常有可能实现期望的产品性能改进。 在给出分数的同时，系统也给出了增材制造的建议方案。本案例中给出了3个建议，都是针对我们输入的产品信息自动给出的，用户如果决定采用增材制造生产该接头，一定要看懂这些建议。 在本案例中，尽管该接头具有很高的增材制造潜力，但是仅凭增材制造工艺本身并不能将潜力完全发挥出来，基于增材制造的优化设计才能真正发挥出增材制造的优势，是最后的“点睛之笔”。比如下图中接头1、2、3由于位置不同，受力明显不同，我们针对金属SLM增材制造的工艺特点，以及接头在不同位置的受力情况，分别进行拓扑优化设计，最终确定了3种不同的结构形式，实现减重50%。到此为止，一个完美的增材制造解决方案才大功告成。 经优化的增材设计成品 需要说明的是，分值的高低反映了产品符合增材制造技术优势的程度，也就是产品利用增材制造优势的潜力。但是增材制造可行性的判断应当结合系统给出的具体意见。例如，一个5米长的产品，即使很多特征都有利于发挥增材制造的技术优势（即分值很高），但是如果您不同意做切分打印，那么在现有技术条件下这个产品的增材制造可行性依然不高，系统在意见栏里会提示您“不建议用增材制造生产该产品”。当前增材制造工艺在材料选择、各项异性、表面光洁度等方面都有一定的局限性，本评估程序都会给出相应的建议。 更为重要的是，这些工艺上的制约因素，大部分可以通过增材思维的设计改进产品的结构方案来解决，以提高增材制造的可行性。同时，综合应用多种增材制造优化设计方法，还可以提高产品的综合性能、缩短制造周期、降低生产成本。 在后续版本中，安世亚太将推出针对特定工艺、特定材料、特定行业、特定产品的增材制造评估程序，力争做到更专业、更科学、更便捷。更多内容，可关注“安世亚太”公众账号。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.没有仿真，增材制造能走多远 2.通过相场模拟，获得金属3D打印过程中的晶粒演化特点，实现微观结构精准控制 3.汉邦科技金属3D打印助推高效换热器制造升级 4.领取门票：Formnext国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展9月深圳开展

超材料（Metamaterials，MMs）是指自然材料所不具备的特殊物理性质（如电磁/声学斗篷、零/负泊松比、负折射率等）的人工结构或复合材料，这些奇特的物理特性可以通过精心设计的（准）周期性结构或多材料组合来实现，在国防工业和民生领域都有着广阔的应用前景。增材制造技术由于在制备复杂结构方面具有巨大优势，为制备超材料提供了有效技术手段，为此，该团队2021年在材料领域顶刊Materials Today（IF=26.416）上发表论文，对超材料的增材制造技术与发展趋势进行论述，为超材料在工程机械、航空航海和生物医疗等领域的应用提供了思路，具体情况总结如下。 明晰了超材料的分类 近年来，超材料受到越来越多科研工作者的关注，各种各样具有不同物理特性的超材料被设计出来。根据超材料的功能不同，目前超材料大致可分为四类：电磁超材料、声学超材料、热学超材料和机械超材料，根据其具体的原理和应用领域不同，将上述四类超材料进一步细分为：（1）电磁隐身超材料、电磁吸收超材料、太赫兹电磁超材料等；（2）声隐身超材料、声波吸收超材料、声波聚焦超材料等；（3）热流控制超材料、热隐身超材料和热辐射超材料等；（4）吸能超材料、负泊松比超材料、最大体模量超材料等，如图1所示。 1. 超材料的分类与典型结构 指出了增材制造不同类型超材料的研究现状和发展趋势 根据成形材料的形态，增材制造工艺可分为丝状、粉状、液状、片状，适用材料包括金属、聚合物和、陶瓷，以及他们的复合材料，成形尺寸从纳米级到米级，可以极大地满足大多数超材料对于成形精度与尺寸的要求。然而，需要注意的是，不同的增材制造技术具有不同的特性，成形材料、尺寸、分辨率和表面质量等也都有显著差异。在超材料的增材制造方面，要根据所需材料的结构和特性选择合适的工艺，如图2所示。 图2. 典型增材制造工艺在成形各种尺寸超材料时的特点。三角形、圆形和正方形分别表示最大零件尺寸、最小零件尺寸和成形分辨率，符号的位置表示与波长对应的尺寸，两个符号之间的距离表示各种增材制造技术可实现的单元数量。 增材制造五模超材料 五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMs），也称为五模结构，是一种特殊的工程结构，其弹性矩阵中仅有一个特征值不为零。五模超材料与常规点阵结构相比，具有更强的可设计性、类流体特征和多物理性能协调能力，因此具有更加广阔的应用价值。然而，由于五模超材料的几何形状高度复杂，传统制造工艺难以实现。为此，该团队近年来采用增材制造技术成形五模超材料，通过均匀化等效性能方法以蜂窝结构和金刚石晶格构型为基础，得出了几何参数对力学性能的影响规律和结构设计对力学及传质性能的协同调控机制，设计并制备了两种形式的五模超材料：二维蜂窝状五模超材料和三维金刚石五模超材料，该五模超材料具有与水相似的声学性能，具有“隐身”效果，在水下声学工程领域有较大的应用前景。此外，优化三维五模超材料几何形状，可解除模量、强度与渗透率之间的耦合关系，从而实现力学和传质性能的协同调控，在生物支架工程领域具有较大应用潜力。 图3.增材制造的五模超材料。二维五模超材料（A-B）结构构型与单胞；（C）频散曲线；（D）声场模拟；（E-F）理论力学受力分析结果；（G）相对模量和（H）相对强度与相对密度的关系曲线；三维五模超材料（a-b）结构构型与单胞；（c）压缩应力应变曲线；（d）压缩模量与体积分数的关系；（e-g）不同构型超材料传质过程速度分布云图；（h）复合五模超材料生物支架结构 尽管增材制造超材料的研究已取得了部分结果，但要取得更好的效果，还有很多科学问题亟待解决。在超材料的设计方面，一是需要将超材料的维度从二维扩展到三维，现有的MMs主要采用二维设计，可取得良好的仿真和实验效果，但在实际应用中，二维超材料的功能在垂直于二维平面的方向上会完全失效；二是需要降低超材料的各项异性，使其在不同方向上具有相同的功能；三是可以设计具有多种功能的超材料，如同时具有声波吸收和能量转换的功能。在增材制造技术方面，一是需要开发出能够同时成形性质差异较大的多材料增材制造技术，以满足超材料的多材料体系中异质材料的成形需求；二是需要开发出容易去除的支撑材料，以确保超材料的复杂结构具有足够成形精度的同时不受支撑去除的困扰；三是解决增材制造技术中成形精度和成形尺寸之间的矛盾，在提高制造精度的同时成形出大尺寸的超材料构件。 近年来，该团队在增材制造超材料的设计与制备方面，发表了系列文章，具体论文连接如下： https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.019 https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.05.038 https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.06.009 https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106331 https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111199 https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108417 https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.06.005 通讯作者宋波教授，曾获国家优秀青年基金、湖北省杰出青年基金等，发表SCI论文70余篇，包括Materials Today，Acta Materialia，Additive Manufacturing，Acta Biomaterialia等高水平期刊，封面论文1篇，ESI高被引论文3篇，热点论文1篇，机械工程学报2020高影响力论文10篇之一，获湖北省技术发明一等奖1项。 团队学术带头人史玉升教授，获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国十大科技进展、中国智能制造十大科技进展各1项、省部一等奖5项，获国家科技进步二等奖1项。史玉升教授团队从1991年开始进行增材制造的研发工作，目前形成了增材制造设计、材料、工艺、装备、测量、应用的成套关键技术。相关研究成果入选中国十大科技进展、中国智能制造十大科技进展，并入选教育部和湖北省创新团队。 注：本文内容来自华中科技大学、机械工程学报。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域 2.结构易仿、制造不易、科学更难 | 史玉升教授团队的4D打印研究进展 3.材料–结构–性能一体化增材制造 | 顾冬冬教授发表南航首篇《Science》论文 4.美大学借助3D打印开发出新型轻便、可防止变形失效的超材料

拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

近日，来自挪威科技大学和意大利特伦托大学的研究学者发表顶刊综述文章，讨论了迄今为止在改善金属3D打印点阵结构疲劳性能方面的进展，为全面理解晶格结构中的关键特征做出了贡献，填补了疲劳如何严重降低整体结构完整性的空白。 先进制造工艺的快速发展使超材料晶格结构的制造成为可能。这些轻量化、高性能的结构已迅速在几个主要工业领域获得应用，其全面使用只是时间问题。加速这一应用就必须对其相关参数有一个清晰的了解，并开发先进的方法来评估其机械性能及其在不同载荷条件下的失效机制。 事实上，晶格结构的性能深受工艺缺陷的影响。很多人只看到它具有轻量化、刚度和强度等综合性能，但对疲劳性能却关注甚少。疲劳始终是绝大多数关键结构材料的主要退化机制，尤其是在高温（蠕变疲劳）或不利环境（腐蚀疲劳）下。与刚度和强度的整体特性不同，过早疲劳失效是由局部因素驱动的，如缺陷、微观结构、表面粗糙度等。 航空航天、汽车、医疗领域3D打印点阵结构的应用 3D打印的点阵（蜂窝或晶格）结构特别容易发生疲劳损伤，主要原因有五个：•多孔材料的微结构是整体结构弱化的内在因素，多孔结构由在特定点（称为节点）连接的支柱组成，减少了承载面积并增加了应力集中。 •3D打印的点阵结构通常几何精度差、表面形态复杂，这导致打印完成的实际零件与和设计状态之间存在差异。 •对最小可打印细节尺寸（如桁架厚度和圆角半径）存在技术限制。对于精细特征尺寸，所需几何结构和实际几何结构之间不可避免的差异使传统的通过设计来减少局部应力集中的措施变得不再有用（如支柱尺寸逐渐过渡、支柱之间边缘平滑或应力释放槽）。 •相对于打印方向的支柱倾斜角度也是必须考虑的因素。倾斜支柱由松散粉末支撑，粉末的热导率低于固体，不同的热条件可能产生独特的微观结构和高度不规则的表面形态。 •疲劳比任何其他机械性能更受制造工艺的影响，已有很多研究强调了缺陷的重要性。 3D打印零件的表面粗糙度包括大量的局部缺陷（也称为微缺口），这些缺陷是疲劳裂纹萌生的潜在位置。3D打印技术参考曾详述金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响，在此我们不再展开讨论（请查看延伸阅读）。几何缺陷也会对点阵结构的力学行为产生影响，为了在疲劳预测过程中采用更准确的实际晶格结构，可以使用CT扫描技术，在此方面北理工方岱宁院士团队有详细研究。 北理工方岱宁院士团队3D打印的晶格结构和拉伸试样 很多有关晶格材料的文献表明，大多数疲劳设计方法都依赖于实验，而这些实验是为处理选定的晶格结构和材料而定制的，既费时又昂贵。另一方面，现有的理论方法似乎缺乏准确性，主要是因为它们的简化方法可能无法捕捉晶格结构中的真实应力分布。在没有残余应力的情况下，可能影响晶格结构疲劳行为的变化源除了上面提到的几点外，还可能包括晶格结构中的支柱连接，这也是本综述关注的重点。 多孔材料示例：（A）闭孔泡沫（B） 开放式单元格（C） 规则点阵设计和制造具有具有足够抗疲劳的材料并能够可靠预测其安全寿命是一个巨大的挑战。 该综述文章总结了大量基于晶格结构的文献，以确定这些结构的潜在和主要局限性，特别强调它们在承受循环疲劳载荷时的情况。研究人员的目的是“填补空白”，全面了解晶格结构中的关键特征——疲劳如何严重降低其整体结构完整性，并就如何解决这一问题提供完整和最新的技术。 有限元分析已经在使用晶格结构的实际几何形状，以比较真实几何体和标称CAD几何体中的应力状态，从而定性地将数值结果与实验疲劳数据相关联。通过对试样进行显微CT扫描获得了打印完成的实际几何结构，以此对支柱连接处的应力分布进行的有限元分析表明，模型中的应力集中程度较高；然而，模拟值仍然低于实验中预期的应力集中程度。据报道，这是由于为了将有限元模型网格化而执行的平滑程序使表面切口的严重程度降低了，尽管结构中存在残余应力，在消除应力后也会显著影响数值分析的精度。 具有相同相对密度、弯曲和拉伸为主的多孔材料的典型压缩过程：1）线弹性状态 2）屈服后 3）致密化 在单轴疲劳荷载作用下，局部应力的存在将导致晶格中的应力呈现多轴、非对称和不均匀状态。因此，对于这些复杂结构，应采用能够解决平均应力和应力梯度下应力多轴性的疲劳准则。Boniotti等人报告了针对这些特定点的疲劳预测策略的主要结果，在对晶格的微观CT结构模型进行应力分析后，采用临界距离理论进行疲劳寿命预测。为了解决多轴问题，根据Sines提出的等效vonmises应力计算了应力幅值。在这种情况下，对于每个节点，在其周围的球形控制体积中确定平均等效应力振幅。控制体积的半径设置为El Haddad的尺寸参数，该参数是从相同材料的疲劳评估中获得的。当局部等效应力幅值大于材料的疲劳强度时，疲劳裂纹萌生将在有限元模型中发生。使用这种方法，能够成功预测疲劳寿命和失效位置。 END 晶格结构可以设计或定制，以实现特定的结构功能和性能要求。它们具有比表面积大、质量低、重复结构规则、孔隙连通性好等优点，因而具有很高的应用价值。 3D打印可以对点阵材料的微结构甚至多尺度结构进行全面而精确的控制。然而，缺陷和不完善是不能完全消除的。由于晶格表面的均匀化和提高其结构延性的可能性，对其进行特殊的后热处理可以显著提高疲劳寿命。 注：关于研究内容详情已上传QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 3.摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响 4.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案）

继2018年采用3D打印制造了轰动一时的钛合金卡钳后，布加迪在3D打印技术应用方面又有新动作。近日，布加迪发布消息称，其新开发的3D打印中空推杆（底盘区域的压力加载连接杆）重量仅为100克，却可传递高达3.5吨的力，使3D打印在结构设计、轻量化应用方面更推进一步。该项目由布加迪博士生Henrik Hoppe领导，他自2017年以来一直在开发创新的金属材料和制造工艺。其硕士论文就是关于钛合金制动卡钳，3D打印将已经高度优化的生产部件进一步减轻了43%的重量，同时保持了其良好的机械和制动性能。在其博士论文的研究中，Henrik Hoppe更进一步的研究了汽车制造用功能性3D打印金属部件的商业和技术潜力，并通过针对特定零件的应用来予以证明。在此前，这些类型的部件主要用于航空航天领域。 布加迪最新型Bolide跑车 3D打印复杂的类骨骼结构 结构优化在汽车制造领域非常普遍，但采用3D打印则可以打破传统的设计局限，实现更为复杂的三维结构。布加迪运用仿生学原理，使3D打印的部件具有骨骼般的结构：薄壁、中空内部和精致细节。这种组合使部件既轻便又具有极高的刚性。 中空、内部填充网格的结构（示意） 在新型跑车的设计过程中，研究团队继续减轻汽车重量，同时在每一个可以想象的领域增强创新。项目负责人Henrik Hoppe解释，从构思到生产，再到安装，工程师需要设计、规划各个步骤并进行所有计算，同时还包括评估生产组件的商业可行性。尽管布加迪在材料、制造工艺和零部件方面要求最高的质量标准，但必须在商业上可行。简单的说，无论设计如何创新，都不能显著增加成本。 在布加迪最新型Bolide跑车中，这种薄壁、中空的骨骼结构被大量使用。 3D打印的连接杆，实现“2两”拨千斤 在布加迪Bolide跑车中，3D打印的连接杆尤为突出。尽管尺寸狭长，但其内部采用支撑拱形结构，仅重100克。受力加载的钛合金连接杆位于底盘区域，根据操纵情况，连接杆可传递的力高达3.5吨，可谓2两拨千斤并不夸张。 3D打印的连接杆 该连接杆也是布加迪有史以来第一个在长度范围采用变壁厚的实例。根据3D打印技术参考找到的视频介绍，零件两端壁厚小并向中心增加，总体在0.4-1mm之间，这意味着该部件同时针对局部应力和重量进行了优化。布加迪甚至已经为该结构申请了专利。 280mm长、0.5mm厚、不到750g的排气尾管外壳 排气尾管是由3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的混合组件，已经重量优化的钛合金排气尾管已被系列生产。这种部件的长度超过280mm，壁厚一致只有0.5mm，重量不到750克。陶瓷材料的导热系数远低于钛合金，将其内置于钛合金外壳中，可以保证在高温废气下不会损伤外壳。混合组件与此前批量生产的组件相比，其重量减轻了约50％ 3D打印的钛合金外壳和陶瓷制成的排气尾管 此前布用于加迪凯龙的3D打印排气尾管外壳 以325g的身躯，抵挡1.8吨的力 Bolide跑车的前机翼安装支架也采用了3D打印的钛合金，同样具有空心的内部空间，壁厚为0.7mm，仅重600g，可承受800公斤的空气动力。 后机翼的下压力在时速320公里时可达到1.8吨，通过中央碳纤维翅片传导压力，机翼与翅片之间则通过3D打印的钛合金零件连接，其重量也仅有325g。此外，工程师还使用钛合金打印了转向柱的安装支架，一个部件集成了仪表板支架、转向柱支撑环以及车内的两个通风口。所有构件均设计为轻质空心结构，平均壁厚0.5mm。 转向柱支架 在其他方面，3D打印的钛合金还被布加迪用于制造前轴运动部件以及控制摇杆支架，后者壁厚仅0.4mm，重量为95g。使用布加迪内部开发的特殊热处理工艺，所有3D打印的钛合金零件强度达到1250Mpa，高断裂应变至少为19%。 END 尽管布加迪在Bolide跑车上应用了大量的钛合金3D打印零件，然而唯有连接杆的开发让他们尤其认为成就巨大。然而笔者并未查询到关于该部件的专利信息，只能猜测其内部结构可能较为复杂。通过本文也可知道，采用3D打印减轻车辆重量，很多部件不仅可以优化形状，还可做成中空或内置点阵结构，潜力巨大。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.详述：主流汽车制造商正在如何使用增材制造技术 2.宝马故事：还在专注锻造？不，它早已将3D打印规模化应用在日常生产中 3.嘀！你有一条来自宝马增材制造中心的视频邀请 4.布加迪极限测试3D打印制动卡钳 为批量生产铺路

本文内容来源：3D科学谷。 尽管较大的工业热交换器仍采用传统的制造技术，但大多数时候，对热交换器的需求朝向尺寸越来越小，结构越来越紧凑的趋势发展。 金属3D打印-增材制造助力实现越来越小巧的热交换器，在更紧凑的设计中找到了越来越多的应用，例如电子设备、可再生能源应用、制冷循环、燃料电池，ICE电动汽车。本期内容将带领大家一起来领略通往这些更高效、更集成的热交换器3D打印的设计之路。 3D打印-增材制造技术提供的主要好处是增加了设计自由度，这允许更有效的传热，同时减少所需零件的数量。这带来更少的空间占用和更少的材料，从而使设备的重量更轻，且同时可以管理更高的热负荷和功率密度。 CAD建模-更智能 有多种方法可以利用增材制造优势获得更高效的热交换器。到目前为止，最常见的是通过使用点阵晶格结构，针状鳍片和微通道来增加可用于热交换的表面。 胞元填充方面，可以尝试nTopology的nTop平台，在这里通过创成式算法来完成复杂的设计。nTop平台的一大优势是可以实现看智能化的点阵结构自动圆角。当通过点阵技术减轻零件重量时，从DfAM（增材思维）角度看，在点阵晶格和外蒙皮之间建立牢固的连接非常重要（以防止分层）。传统的3D建模过程首先需要选择所有交叉点，然后才能尝试在所有位置创建回合。 软件工程师知道这会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。通过启用nTop平台的高级计算方法，可以通过输入圆角值（包括较大的圆角值），消除了对模型故障的担心。 点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀组织保持竞争优势的能力。 圆角应用的答案在于自动化，nTop平台提供了自动圆角化的解决方案。由于nTop 平台中3D模型背后的底层数据结构，传统上被视为有风险或脆弱的操作在nTop平台中可以轻松得以实现。 来源：additivalab 除了点阵的应用，针状鳍片的设计几乎总是有益的：虽然圆形和椭圆形鳍片带来的改进或许很小，但金刚石、翼型和矩形鳍片带来的改进很明显。 所有这些特征允许更高的热传递，不过如果不适当地设计，由于与流体流动相反的阻力增加，尤其是点阵晶格结构会损害系统的整体效率。 CAE仿真-驱动设计 仿真驱动设计在热交换器的设计方面体现得尤为明显，利用众所周知的流体动力学公式，对于每个模型都可以追踪总热交换和热交换系数。再次注意到，随着网状结构的密度增加，压力损失和热交换增加。而且，在制冷剂侧，管道厚度的增加对应于通道部分的减小，并因此导致相当大的压降。 提高热交换器效率的另一种方法是增加内部通道中的湍流。在轴向流中产生涡流，有可能创建一个次级正交速度场，从而减小边界层的厚度并促进热交换。这种涡流可以通过扭管或涡流发生器产生。 通过提高粗糙表面方法可以获得传热增强，不过在某些案例中虽然这种方式可以获得高达70％的传热系数改进，但这种方法大大提高了摩擦系数，从而又导致了更高的压降。这样的效果对于具有较小水力直径的微通道变得更加敏感。 来源：additivalab 通过Ansys Fluent来计算各种结构CFD模型中的压力损失和热交换情况。在相同的重量下，某些几何形状在热流体动力学性能方面优于其他几何形状。通常，空气侧压力损失的增加与模型内材料的密度成正比，通常具有更致密的网状结构的几何形状阻碍了空气的通过，产生了局部重要的压力跳跃，增加了总体损失。 通过Ansys的CFD-Post可以定性评估散热器各个点的压力和温度条件，以便能够解释热交换器各个区域中的热流体动态交换行为模型。 通过选区激光熔化技术（SLM / DMLS），可以与热交换器的主体以结构一体化的方式制造出来，而无需组装，并且几乎不需要额外的费用，从而确保将传热系数提高诸如40％或者更高的水平。 开启材料人工智能开发之路 此外，除了几何形状方面的设计考虑，通过3D打印实现更具热传导效率的材料方面的设计是另外一条曲径通幽之路。Intellegens的机器学习工具AIchemite™为波音亞仕得加速器提供最高的热传导性能产品且不降低机械性能要求。其中，Alchemite™人工智能引擎几乎是在最大化热传导性能和抗拉强度的两个方向上寻找到了最佳材料组合。 通过Alchemite™人工智能引擎可以将通常需要2年的材料开发设计过程缩短为3个月。通过调整金属元素的组合，来开发适合性能要求的热交换器。通过Alchemite™人工智能引擎可以将开发过程可视化，持续性的获得开发进展。 除了从设计端发力，另外一个重要的考虑因素是认证。 工业革命以来，热交换器在工程系统中具有长期的应用，这意味着传统工艺制造的热交换器的性能和可靠性的置信度很高，而增材制造热交换器所采用的是新兴的制造工艺和创新性的设计方式，这样的新兴工艺需要更多的资格鉴定数据来支持和加速产品的认证过程。 增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。西门子研究院还推出了基于模型的快速认证技术（ICME），这是一种数据驱动的快速认证技术（机器学习）。如何通过数据、仿真以及人工智能的结合实现数据驱动的认证以打开产业化大门。 工欲善其事必先利其器，在所有创造价值的源头，在所有可能颠覆的源头，不管是CAD,CAE还是人工智能开发新材料组合，算法无疑是最重要的部分之一。 而总体来说，设计出轻量化、高效的热交换器需要对增材制造设计（DfAM）建立基本了解，只有充分的了解设计的理念和制造的约束，才能确保零件的可制造性。

在《南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战》一文中，我们已经介绍了顾冬冬教授关于航空航天领域高性能金属材料的综述，以铝、钛为代表的轻质高强合金，以及以Ni基高温合金为代表的承载耐热合金，是激光增材制造中重要的应用材料；轻量、大型、整体及复杂结构则是增材制造主要的发展方向，这其中包含了非常多复杂而先进的科学问题。本期，我们继续跟随顾冬冬教授的脚步进行深入学习。 一、大型金属构件的激光增材制造 应用于航空、航天、船舶、核电等现代工业的大型金属构件正朝着复杂化、一体化、高性能化方向发展，激光能量沉积技术已证实可满足大型金属构件的成形要求。然而若要在钛合金、镍基高温合金、高强钢、难熔合金等难加工金属材料大型关键构件上获得更广泛的工业应用，仍需进一步解决两大关键难题： 1. 高能激光长时间剧烈非稳态循环加热和高速冷却条件下，成形材料的晶粒形态及显微组织很难控制，以凝固晶粒、内部缺陷及显微组织为核心的冶金质量和性能控制是激光增材制造大型金属构件的基础难题； 2. 激光增材制造过程中热应力、组织应力、凝固收缩应力等多种类型复杂应力的累加与耦合，易导致大型金属构件变形，甚至开裂，大大制约了大型金属构件激光增材制造的控形与控性。 有研究指出，增材制造技术实现工业应用的最大障碍是成形件中的热应力及多种结构缺陷。北京航空航天大学王华明院士认为，内应力及变形开裂是长期制约金属构件激光增材制造技术发展的瓶颈。钛合金密度低、比强度高、耐蚀性强，已被广泛应用于飞机发动机构件、主承力构件、起落架等，但其较差的加工性能制约了它的工程应用范围。 经过多年研究，王华明院士团队突破了飞机钛合金大型主承力构件，TA15、TC4、TC11等大型复杂整体结构主承力飞机钛合金加强框及 A-100超高强度钢飞机起落架等关键构件的激光增材制造，并实现了主承力构件的装机应用。 大型整体金属构件的激光熔化沉积制造 (a)钛合金飞机大型关键主承力构件；(b)航空发动机梯度性能钛合金整体叶盘；(c)轮盘-叶片梯度过渡区的凝固晶粒组织　 西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队面向中国C919中型客机的需求，利用激光能量沉积技术制造了TC4合金体系C919飞机翼肋缘条，其长为3100mm，探伤和力学性能测试结果皆符合中国商飞的设计要求。 (a)LMD成形C919钛合金翼肋缘条 (b)SLM成形钛合金风扇叶片包边 (c)SLM成形镍基高温合金发动机机匣 此外，近年来大型SLM装备的发展为结构更为复杂的大型整体金属构件的成形开辟了新途径，基于SLM成形的钛合金风扇叶片包边长度可达1200mm，具有复杂的空间曲面结构，且成形尺寸精度较高；基于SLM成形的镍基高温合金发动机机匣尺寸达到了Ф576mm×200mm，为发动机关键零部件的设计、制造及应用验证提供了重要的技术支撑。 二、复杂整体结构的SLM制造 随着航空航天领域对热端部件服役性能要求的日益提高，整体结构的设计与制造越来越受到重视，内含复杂内流道、多孔点阵等难加工结构，已超出了传统工艺的制造能力，而基于SLM技术可使这些复杂整体结构的快速制造成为可能。 整体结构的增材制造技术已证实对未来空间探索至关重要，NASA提出了火箭发动机核心部件“制造速度提升10倍、生产成本降低50％以上”的目标。其采用SLM技术实现了氢火箭助推器的整体制造，继而实现了结构减重、制造效率和服役性能的显著提升；火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件的打印和应用是其近年来的另一项成功实践，该案例克服了铜材料的高反射和微细流道结构优化以及激光增材制造成形质量的多重挑战。这种大型复杂结构的整体制造，为增材制造技术的发展提出了更高要求。 NASA基于SLM成形的铜合金整体构件及性能测试。(a)NASA和AerojetRocketdyne公司开展的激光增材制造构件点火试验；(b)火箭发动机燃烧室铜合金衬套整体构件 美国GE公司基于SLM技术研发了发动机新型燃油喷嘴，这是近年来复杂整体结构增材制造航空工业应用最为著名的案例。燃油喷嘴作为典型的复杂装配体，无论是成形制造还是装配组装，工序多、工装多、耗时长、成本高，且加工精度及稳定性很难达到使用要求，对于传统制造技术来说都是一大挑战。针对这一难题，GE公司采用SLM技术加工IN718镍基高温合金，实现了燃油喷嘴的整体设计与制造，将原先20个小部件的“组件”变成一个整体的构件。这不仅消除了不同部件之间冗余的连接结构，还对燃油喷嘴结构进行了优化。最终整体设计制造的燃油喷嘴实现了25％的减重效果，同时缩短了制造周期，降低了生产成本，且使用寿命提升了5倍以上。 GE公司基于SLM技术制造的航空发动机燃油喷嘴构件。(a)先进涡桨发动机(ATP)；(b)燃油喷嘴在发动机内的工作原理；(c)激光增材制造燃油喷嘴构件 三、轻量化点阵结构的增材制造 对于航空航天飞行器而言，减重是永恒的主题，而传统制造方法已将零件减重的可能性发挥到了极致。将点阵结构优化设计与增材制造技术相结合，可使构件具有高比强度和高比刚度等优异的力学特性。激光增材制造因具有叠层自由制造的工艺特性，赋予了复杂轻量化结构极高的设计及成形自由度，可成形传统加工方法难以成形的轻量化复杂点阵结构。 点阵结构在多领域广泛应用 近年来，激光增材制造成形复杂轻量化点阵结构已成为热点研究方向之一，为航空航天等领域轻量化金属构件性能及功能的突破带来新契机。传统经典结构、创新结构以及基于拓扑优化的点阵结构都能为构件性能提升带来突破。 增材制造技术在航空航天点阵结构产品设计与制造领域已展现出一定的发展与应用潜力，并以轻量化和高性能作为主要考核目标。而且，激光增材制造点阵构件已在国际民航客机制造领域获得了实际工程应用。空客公司基于SLM技术设计和制造的仿生点阵结构机舱隔板，在成形材料上选用新型轻质高强铝合金，该在结构设计上基于生物启迪实现了跨尺度仿生点阵结构设计，在宏观尺度上基于“黏菌自适应网络”算法实现了主体结构设计，在微观尺度上则借鉴了骨骼生长的生物灵感，完成了超过66000个网格的排布，实现了微观网格稠密度与应力分布相匹配，最终使得跨尺度仿生点阵构件较原蜂窝复合材料隔板结构在相同冲力下的位移减少了８％(９mm)，有望批量应用于A320客机上。 空客基于SLM技术设计制造的新型仿生点阵结构机舱隔板.(a) 机舱仿生隔板结构图 ;(b) 机舱仿生隔板实物图 ;(c) 跨尺度仿生结构设计 ;(d) 机舱仿生隔板零部件选区激光熔化成形实物图 四、多功能仿生结构的增材制造 激光增材制造的金属构件正从高性能向多功能发展，Nature以“推开3D打印的限制”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，道法自然，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。 空客为未来航班生成仿生设计 未来增材制造的发展将更加凸显材料创造、结构仿生以及多功能集成优化。生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织结构，以达到最优的性能/功能来应对环境的变化。许多生物系统具有独特的多功能组合，而这往往是人工合成材料难以实现的。现代分析表征技术已证实，天然材料的优异性能或特殊功能，是依靠其内部复杂的多层次结构实现的，其尺度范围通常横跨纳米尺度到宏观尺度。对于性能/功能驱动的增材制造，基于生物灵感的仿生结构设计，是创新增材制造结构的重要途径之一，并有望实现增材制造结构性能/功能的跃升。 然而，仿生设计在原理上很简单，但在实际制造中却有相当难度，原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。 顾冬冬教授团队基于下一代高超音速飞行器、空间探测器等航空航天装备的整体化、多功能化发展趋势及潜在工程应用，面向减振抗冲击、隔热/防热等综合功能需求，创新发展了仿生结构及材料布局，实现了仿生结构的激光整体增材制造及其多功能化，其中涉及结构、材料、工艺、功能等多因素的耦合、匹配及一体化调控。 激光增材制造轻量化抗冲击仿生功能结构.(a) 皮皮虾尾节宏观形貌 ;(b) 仿生双向波纹板抗冲击结构SLM加工;(c) 水蜘蛛及其在水下构建的住所—潜水钟;(e)SLM成形仿生网壳结构 仿生设计为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但“结构易仿、制造不易、科学更难”，其中涉及的关键科学难题包括：仿生微结构与构件典型功能的映射关系及优化模型；仿生设计的跨尺度结构激光增材制造工艺约束性及成形机制；激光增材制造仿生结构的多功能一体化评价方法及响应机制等。因此，增材制造新技术与仿生结构设计相辅相成、相得益彰，而关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。 思考与展望：激光增材制造技术未来的研究与发展趋势 激光增材制造技术的科学内涵决定了其发展趋势是实现微观-介观-宏观跨尺度的材料-结构-工艺-性能/功能一体化。激光增材制造技术未来的研究与发展趋势中，下列方向值得进一步关注： （1）以高性能/多功能为驱动的激光增材制造材料-结构-工艺一体化，主动实现构件的高性能和多功能； （2）激光增材制造的“多相材料”和“多材料”设计、制备与成形，以实现将“合适的材料添加到合适的位置”； （3）激光增材制造创新结构设计实现构件高性能化和多功能化，以凸显“独特的结构实现独特的功能”； （4）构建面向全尺寸构件和全工艺流程的激光增材制造工艺仿真、监测、反馈及工艺优化关键技术与方法，全面提升激光增材制造工艺技术水平、质量以及工业应用水平。 注：本文主要内容来源于顾冬冬《航空航天高性能金属材料构件激光增材制造》，部分内容参考自《中国激光》。文章原文已上传至QQ群。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读： 1.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 2.航发综述：增材制造典型复杂结构的种类及应用情况

生物体完美地将传感和执行融合在一起，达到一体化的目的，但对于机器人等智能装备而言，却是一个极为复杂和具有挑战的难题。为此，近年来国内外学者将半柔性、柔性传感器集成到机器人等智能装备中，以期实现其传感-执行一体化功能。但目前的传感和执行多是相互独立，需通过将其在元器件水平集成，因此研发在材料水平上集成的传感-执行一体化智能器件，成为一个新的发展趋势，有望为其灵敏度和响应速度的提升提供新途径。 近期，华中科技大学、吉林大学、中国地质大学（武汉）和清华大学合作完成了4D打印仿蝎子缝结构研究，实现了器件传感-执行一体化，相关文章发表于《Advanced Science》，并被选为封底文章。本期所讲述的内容并不限于该研究的介绍。 4D打印仿蝎子缝结构，实现传感-执行一体化史玉升教授团队受蝎子缝感受器超敏缝结构的启发，仿生设计出梯度缝结构，4D打印炭黑纳米粒子/聚乳酸（PLA）复合材料，成形出具有自主形变并能自感知应变和温度的仿生缝结构器件。 炭黑纳米粒子/PLA复合材料具有良好的导电性能和形状记忆效应，通过3D打印的器件在加热后可发生可控形状变化，故称4D打印。在加热过程中，由于炭黑纳米粒子与PLA的膨胀率不同，炭黑纳米粒子间的距离改变引起电子遂穿效应变化，使器件电阻改变，从而将热信号转变为电阻信号实现温度自感知；同时，器件在形状改变过程中，器件缝结构周边的炭黑纳米粒子会接触-分离，器件内局部接触电阻变化使器件的电阻改变，从而将自身形变信号转变为电阻信号实现应变自感知。 复合材料和4D打印示意图 基于此，研究者将该仿生4D打印器件应用于模拟手指触碰手机屏幕。在温度激励下器件形状改变，模拟手指主动触碰屏幕，在这个过程中器件形变引起其缝结构间距的变化使器件整体电阻改变，实现器件形状变化自感知。在触碰瞬间，可通过电阻的变化检测到器件触碰屏幕的应力，实现触碰应变自感知。 主动触摸手机屏幕的应用 该研究成果将智能材料、仿生结构和3D打印有机结合，实现了材料水平上传感-执行一体化，为未来机器人等智能装备的关键器件研发提供了新的思路和途径。 注：此前，史玉升教授团队还分别采用SLS及SLM技术分别打印了磁性多孔结构和螺旋结构，实现了一种新型的4D打印。结合上述内容，两篇研究原文已上传QQ群。 3D打印仿生“传感羽毛”改善飞机性能，仿生海螺用于人体防护 游隼是世界上飞的最快的鸟，能以非常陡峭的角度进行高速俯冲捕食，其生理机能表现出的机械性能，可改善飞机的空气动力学，提升飞机的安全性和燃油效率。 借助游隼羽毛特点，开发先进结构 英国BAE系统公司于2017年利用增材制造技术开发出“传感羽毛”，能够在飞机出现失速危险时提前预警，还可改变靠近飞机表面的气流，有效减少机翼遇到的阻力，提升飞机速度，未来有望用于战斗机等武器装备中。此项研究将为航空航天业带来真正意义的创新与效益。 除此之外，2017年，麻省理工学院的研究人员采用3D打印技术成功制造出仿海螺壳的工程材料，并且进行了有效测试。海螺壳的内部结构非常独特，包含三个不同层次，导致微裂纹难以扩散，因此使其具有超强的耐用性和抗断裂性，它的韧性甚至能够达到珍珠层的10倍。 普通结构与仿海螺壳结构的力学实验对比 采用3D打印技术仿制的海螺壳工程材料，防裂纹扩展性能是最强基材的1.85倍，是传统纤维复合材料的1.7倍，非常适合用于制备抗冲击防护头盔或人体装甲。研究人员表示，这种材料具有类似Z字形的矩阵，裂缝传播困难，采用传统方法很难仿制这种材料。 道法自然，增材制造应向自然界“借材料、借结构”生物系统经过数十亿年的进化和自然选择，已形成并优化了其复杂的多层级组织结构，以达到最优的性能／功能来应对环境的变化。Nature以《推开3D打印的限制》”为题发表评述指出，材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展，并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”，突出生物仿生、生物灵感，以实现预期的功能。 同时，Nature《生物材料进化的启迪及其应用》综述性论文认为，生物材料蕴含着大量的源自于自然界的成分与结构信息，并指出尽管生物材料的化学成分一直是其设计关注的焦点，但对于其在非医学领域的潜在应用，应更关注其在结构拓扑优化、力学性能、功能等方面的物理属性及响应。 而南航顾冬冬教授也指出，“结构易仿、制造不易、科学更难”，仿生设计虽为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径，但在实际制造中却有相当难度，原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。 增材制造仿生结构设计与制造，应突破诸多科学问题，而这些关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。 注：本文部分内容参考高分子科学前言、顾冬冬教授中国激光特邀综述文章。欢迎转发 联系微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中科院化学所3D打印仿生结构登录Nature子刊 2.美借助3D打印实现十年前的先进仿生结构制造 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.国内：结构优化和增材制造在高速飞行器上的应用和面临的挑战

近期，美国马里兰大学采用3D打印设计和开发了一种鱼骨仿生结构可变弯度机翼，该机翼由鱼骨状内部骨架和柔性蒙皮构成，可实现连续光滑变形，因其创新性获得了美航空航天杂志的报道。本期，3D打印技术参考将对该应用进行介绍。 ▎诞生于十年前的先进设计 这种“鱼骨主动变弯结构”最早由马里兰大学航空航天工程系主任诺曼·韦利的博士生于十年前提出，它可以实现机翼弯度变化，不需要整流罩即可获得所需的机翼表面形状。 鱼骨主动变弯结构设计 研究团队还设计了可用于变形机翼的柔性蒙皮，内部使用硬塑料制成的肋与软塑料制成的几何网格点相连接，形成被弹性体覆盖的柔性蜂窝结构。这种柔性蜂窝蒙皮泊松比为零，即在一个方向上拉伸或压缩时，另一个方向没有任何尺寸变化。 ▎因过于复杂而无法制造 然而，由于蒙皮内部几何子结构过于复杂、试验样件制造困难、成本高昂等问题，该鱼骨仿生结构在变弯度机翼上的试验验证工作一直未能实现。 3D打印技术的出现和快速进步，彻底解决了模型制造的问题。韦利团队利用3D打印方法将FishBAC骨架、蒙皮内部的蜂窝状子结构、抗撕裂层和蒙皮表面整体打印出来。这一方面解决了复杂结构制造困难的问题，另一方面还可以将模型制作得很小。该鱼骨仿生结构变弯度机翼，从翼根到翼尖只有42厘米，但是结构细节却非常完整，缩小尺寸降低了成本和打印时间。 3D打印的仿生结构风洞机翼模型 研究团队对3D打印原理样机还进行了风洞试验，试验中风速达到每秒24米，原理样机实现了预期的变形，同时结构没有发生颤振，试验证明了将鱼骨仿生结构用于变弯度机翼的可行性。 风洞测试装置 ▎仿生结构变弯度机翼的优点和未来发展 传统飞机机翼弯度变化主要通过副翼和襟翼的收放来实现，这会带来两个问题：一是控制面与翼盒之间的缝隙会增加阻力，二是这些控制面都是刚性的，机翼弯度不能实现连续精确变化。而鱼骨仿生结构变形机翼与传统机翼相比，具有很多优点。 一方面，这种仿生结构可以提高飞机控制系统权限，由其制造的机翼90%的结构可变形，为飞机控制系统提供了更多权限。对于小展弦比机翼，优势更加明显。二是改善飞机气动性能，机翼结果在变形过程中表面光滑连续，减少气流中断，从而获得更高的气动效率。 未来，这种机翼模型完成所有地面试验之后，将率先在小型无人飞机上进行飞行试验。 延伸阅读：中国商飞借助3D打印实现复杂结构制造，加速研发进程 中国商飞下属北京民用飞机技术研究中心在灵雀H验证机的开发过程中大量采用3D打印技术。 灵雀H验证机的机头、发动机短舱、起落架舱等部位大量运用复合材料3D打印。这些部件都有复杂的外部曲面，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。而且零件有可能变形过大，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。 灵雀H验证机 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。 灵雀H整体打印的活动结构 最终，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，飞机总重不足30公斤；与此同时，3D打印也大大加速了设计迭代的进程，使项目从立项到首飞，仅用了5个月时间。 除北研中心外，中国商飞公司上海飞机设计研究院在此前曾采用3D打印技术为ARJ21、C919和CR929三大型号制作了千余件模型，成型率100%，有力地支撑了各型号设计优化、工程评估和试验验证等工作。同时，也为型号研制节省了大量外协时间和近百万的外协经费。 注：本文部分内容由航空工业发展中心宋刚编译。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.中国商飞：3D打印助力制造翼展6米、仅20余公斤灵雀H验证机 2.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 3.空客为未来航班生成仿生设计