相比于传统制造方法，粉末床熔融技术成本较高，其中粉末成本占据了重要部分。粉末床增材制造存在一个显著的特点：即使仅成形一个零件，也需根据零件高度准备能覆盖成形仓相应高度的金属粉末（对于有供粉仓的成形设备，同样需将金属粉末填充至所需高度），粉末利用率并不高。有研究发现，单次粉末床增材制造时仅有质量分数２％～３％的粉末熔化为金属部件，可见将粉末回收进行重复使用是降低成本、缩短生产周期的最有效的手段。然而，重复使用的粉末每次成形均会造成部分粉末质量变差，其物理、化学特性不可避免地在重复循环使用中发生一定变化。因此，有必要对其重复用于增材制造是否会导致零件性能下降进行验证，尤其是将粉末循环制件用于质量要求较高的航空航天和某些生物医学等风险较高的行业时。来自中国航发的研究人员，结合增材制造领域金属粉末的研究进展，选取近年来业内研究较多的316L不锈钢、Ti6Al4V和IN718合金3种粉末材料，对循环使用过程中粉末的化学性能、物理性能、制件性能变化进行了概述，并基于民用航空零部件增材制造需求，分析了金属粉末循环使用时存在的若干问题，提出了解决思路。 化学成分的变化 316L不锈钢粉末 316L不锈钢粉末与其他金属粉末最明显的区别为其表面存在一层SiO2氧化层，随着不断的重复使用，粉末表面氧含量上升，氧化层厚度增加，铬、锰、铁元素等向粉末表面扩散，氧化层成分由SiO2转变为MnCr2O4。多次重复使用后，粉末中一些原始元素，如铬、镍、锰、磷、硫、氮等轻微增加，碳、铁、钼、硅等略有下降，但从统计学角度而言，各元素变化均在测量误差范围内。此外，不规则、粗糙颗粒表面的硅、镍、硫、氧含量在多次重复使用后有所增加。诸多研究表明，316L不锈钢粉末元素的整体变化比较微小，可以近似认为其基本保持不变，这可能是由于粉末表面氧化层的存在阻碍了部分元素的变化。颗粒表面出现的一些非氧化物组成元素，则是因部分金属粉末在激光作用下局部熔化后发生成分偏析所致。 Ti6Al4V合金粉末 Ti6Al4V合金粉末主要应用激光选区熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBM）两种粉末床熔融技术成形，其成分研究主要集中于氧、氮、铝、钒等元素的变化。在循环使用过程中，EBM成形用Ti6Al4V合金粉末中氧元素含量有所增加，而SLM成形时各元素含量基本保持不变。 IN718高温合金粉末 近年来有关IN718高温合金增材制造工艺的研究数量有所增加，然而其粉末循环使用相关报道较少，仅有SLM、EBM、LMD修复等3种方式少量涉及。 SLM成形用IN718高温合金粉末在循环使用时，化学成分基本无明显变化，因具有高纯氩气保护气氛，在不添加新粉末的情况下可重复使用10次以上，添加新粉末时可重复使用达38次。但也存在氧元素含量上升，重复使用次数减少的情况。 综上所述，粉末循环使用过程中应重点关注氧元素的含量变化，虽然有研究表明成形件中的氧含量低于粉末原料的，但粉末表面氧化物的增加会影响粉末对激光的吸收，从而影响成形质量。此外，在粉末循环使用过程中还需对其中的亲氧元素和易烧损元素进行监控。 物理性能的变化 在粉末粒度方面，上述3种材料无论通过SLM还是EBM方式成形，平均粒径均增大，整体粒度分布变窄或基本不变。其主要原因为铺粉时小颗粒填充至大颗粒间隙中，随着成形的不断进行，小颗粒逐渐消耗减少；而成形过程中的飞溅、黏连、重熔等使得大颗粒数量增加。已有研究表明，不锈钢粉末多次使用后颗粒长径比增加，形状不规则颗粒数量上升，且存在较多的附属颗粒和黏结颗粒。随着重复使用次数的增加，卫星球的数量先减少后增加，但也有多次使用后卫星球数量仍不断减少的报道。 打印过程中产生的飞溅 在粉末形貌方面，EBM成形用Ti6Al4V和IN718合金粉末在多次成形后明显出现球形度下降、表面粗糙度增大的现象，甚至出现拉长和变形颗粒；SLM成形方式下，颗粒表面仅在使用次数较多时变得更为粗糙，球形度基本无变化；而部分316L不锈钢粉末在重复使用后出现球形度提高、表面更加光滑的现象，这可能是由于增材制造过程中的熔化和凝固使一些原本受热影响粗糙化的颗粒表面受到破坏所致。 3D打印的IN718零件 鉴于重复使用后粉末中小颗粒数量减少、卫星颗粒占比降低，其流动性普遍得到提高；但当使用次数过多，卫星颗粒数量再次上升时，流动性提高的趋势会有所减弱直至稳定。 此外，316L不锈钢粉末在循环使用过程中出现了磁性颗粒，并且含有大量细小的δ铁素体晶粒和一些完全或几乎完全奥氏体化的单晶粉末颗粒，而原始粉末中仅存在多晶奥氏体颗粒。推测相变是不锈钢粉末磁性发生变化的原因，在重复使用过程中需要将带有磁性的金属粉末进行筛选去除。研究人员在IN718合金粉末重复使用过程中也有类似发现，具体原因尚需进一步研究。由于磁性颗粒的存在会导致粉末团聚，降低铺粉质量，如何避免该现象将成为未来增材制造粉末循环利用的一个重要研究方向。 成形件力学性能的变化 随着循环使用次数的增加，粉末流动性、表面形貌和化学成分等均发生一定变化，成形件的力学性能亦会受到影响。目前，相关研究主要集中在拉伸性能、疲劳性能和冲击性能等方面。 3种粉末成形件力学性能随循环使用次数的变化 316L不锈钢、Ti6Al4V和IN718合金3种粉末循环使用后成形件的拉伸性能与原始粉末制件的相差不大，抗拉强度有时呈上升趋势；Ti6Al4V合金成形件的疲劳性能虽然整体没有显著变化，但高循环应力条件下表现出较高的疲劳寿命；IN718合金成形件的断裂韧性和断裂应变变化较大，但与重复使用次数并不存在明显的关联性。 Ti6Al4V第1、5、10、15批次的零件拉伸性能数据 综上，粉末多次重复使用并不会使成形件拉伸性能明显下降。成形件性能与内部缺陷有关。目前其他性能与粉末重复使用的相关研究十分有限，也没有建立缺陷与粉末重复使用次数的关系，因此无法表明粉末重复使用是否会导致其他性能或波动程度的变化。 END 金属粉末在源头上决定了增材制造的成本和产品质量，充分开展粉末循环使用研究对于控制成本、保障产品质量稳定性至关重要。本文综述了该领域应用最多的三种材料在重复使用过程中发生的物理化学以及打印件性能的变化情况，并为民用航空零部件增材制造需求提出了解决思路，更完整版本的论述可在QQ群查询原文。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.摆放位置和粉末重复使用对3D打印零件疲劳性能的影响 2.金属3D打印工艺链对TC4粉末性能的影响 3.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 4.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题

内容作者：新浪军事争鸣栏目作者百战刀 对于舰载战斗机来说，集成在机身内部的登机梯具有很大实用价值，使飞行员和维护人员在上下飞机时可彻底摆脱对外部登机梯的依赖，不再需要让地勤移动笨重的外置登机梯在拥挤而危险的飞行甲板上跑来跑去，提高了航母甲板舰载机作业的效率和安全性。根据新浪军事争鸣栏目，航空工业沈阳所王向明团队通过3D打印技术探索为国产舰载机制造轻量化内置登机梯，或填补一项空白。 对于舰载战斗机来说，这种集成在机身内部的登机梯具有很大实用价值，使飞行员和维护人员在上下飞机时可彻底摆脱对外部登机梯的依赖，不再需要让地勤移动笨重的外置登机梯在拥挤而危险的飞行甲板上跑来跑去，提高了航母甲板舰载机作业的效率和安全性。 所以全球主流舰载战斗机以及部分重视偏远机场部署能力的岸基战斗机都配备有内置登机梯，如“超级大黄蜂”和苏-33后期型的登机梯被折叠收纳在左边条下方，米格-29K、“阵风M”、A-10和F-35的伸缩式登机梯则位于前机身左侧或左边条内部。 这种3D打印轻量化内置登机梯显然是为国产歼-15舰载战斗机后续改进型号研制的，因为研制中的歼-35舰载战斗机作为先进隐身舰载战斗机，没有登机梯是无法想象的事情。 歼-15之所以没有内置登机梯，大概与其T-10K-7原型机有关，该机作为苏-33原型机还没来得及在左边条下方集成后期型上的折叠登机梯。此外当时为辽宁舰装备国产舰载战斗机的需求也非常急迫，导致歼-15研制时程紧张，这可能也是该机内置登机梯研究被延后的一大原因。 既然采用先进的3D打印技术来制造，那么歼-15的内置登机梯也就不大可能是苏-33的边条折叠式，因为这种简单的结构无需使用到3D打印技术。因此王向明团队制造的轻量化内置登机梯很可能采用了更复杂的伸缩式结构，由节节相扣的套管构成，通过钛合金3D打印技术来提高整体耐腐蚀性能和强度，同时保持轻量化。 和歼-15的伸缩式空中加油探管一样，这种伸缩式登机梯也可同样可被深埋入机身内部，从而无需在飞机表面增加大开口，或许对于歼-15这种已经定型的战斗机来说，如此设计的结构改动幅度会小一些。 内置登机梯并不是什么高科技，有没有却对舰载战斗机在飞行甲板上的作业影响甚大，相信在不久的将来，我们就能看到配备了内置登机梯的国产舰载战斗机闪亮登上航母甲板。

导读：日前，FAA正式向GE9X发动机颁布了适航许可证，GE公司随即发布了增材制造报告，公开披露了267个通过3D打印制造的零件材料、原因以及方法。本期内容，由3D打印研究院带你揭秘GE9X-Additive Manufacturing。故事要从波音777X首飞成功说起。 世界上最大的双发喷气客机波音777X完成首飞，全程3小时51分钟 这架飞机的机身总长达到了76.7米 载客量达400人-425人 从北京出发，777X航程可覆盖全球主要目的地 听起来就帅爆了！ 波音777X还搭载了全球动力最强劲的商用发动机GE9X(终于说到主角了），而且是双引擎！ FAA又给GE9X了适航合格证 GE9X的风扇直径达到了3.4m，进气道直径为4.5米，它比一架波音737的机身直径大76厘米。也就是说，波音777X上的一具发动机，便可以将波音737的机身“吞”进去。仅比波音767飞机机身直径小20厘米。 涵道比为10：1，其推力可达470千牛（100000磅）。 与上一代GE发动机相比可节省10%~15%燃油消耗。 这个牛逼玩意儿顺便还拿了吉尼斯世界记录 该发动机还拥有新一代压比达27：1的11级高压压气机、高效率和低排放的第3代TAPS III燃烧室，以及采用陶瓷基复合材料（CMC）的燃烧室和涡轮。 采用电子束粉末床技术制造的低压涡轮叶片相比传统的镍基高温合金轻50％左右，具有优异的比强度，使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高了10％的推力。 GE9X拥有近300个3D打印的零件 首次将多种材料的增材制造投入到单一航空发动机的生产中。 燃油喷嘴   燃油喷嘴的作用是将燃油雾化(蒸发），使燃油和空气充分混合，加速混合气形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效率。 采用3D打印技术，更易实现喷嘴设计的早期迭代，能够将设计更改和试验迅速合并，节省大量时间 每个GE9X发动机有28个燃油喷嘴，采用钴铬合金材料，用3D打印技术将20个零件合并成一个。 寿命提高5倍以上，减重25%，降低成本30%。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 顺便还收购了它。 低压涡轮叶片 每个GE9X发动机有228片低压涡轮叶片，由TiAl合金3D打印而成。 为什么选择TiAl合金？因为它牛逼啊！它轻啊！ 具有与镍基合金相同的材料性能，但重量却不到一半！   两百多个！每台发动机减重约400磅（减重50%），推力提高10%以上。 但是！ TiAl合金属于脆性材料，难以铸造，且在冷却过程中容易开裂，所以GE公司通过Arcam EBM A2X设备，采用了比较适用于脆性材料打印的电子束熔化技术（EBM)。 使用电子束熔化技术（EBM)可以控制热梯度，从而避免生产过程中产生收缩与裂纹缺陷。 顺便也收购了它。 T25传感器外壳 GE的T25传感器外壳是首个获得FAA认证的增材制造的飞机发动机部件。 每个GE9X发动机安装1个T25传感器外壳，使用钴铬合金3D打印而成， 为啥用增材？为了提高复杂零件的精度。 传感器的精度要求还是很高的。 将10个零件合并成1个复杂结构零件。从而提高30%的精度。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 燃烧室油气混合器 燃烧室油气混合器的作用先将将空气和燃油充分混合，然后将混合物送入燃烧室燃烧产生动力，主要是为了低排放。 每个GE9X发动机有1个燃烧室油气混合器，由钴铬合金3D打印而成。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 为什么采用增材技术呢？因为传统的工艺很难保证档板加工的一致性，而通过3D打印一体成形可以保证，还能减轻6%的重量并提高3倍使用寿命。 就问香不香！！！ 导流器   导流器，它能让发动机排出吸入的灰尘、沙子和其他碎片，延长发动机的使用寿命。 每个GE9X发动机有8个导流器，由钴铬合金3D打印而成。 一体化成型复杂结构，将原本13个零件合成一个内部复杂流道的零件打印出来。提高两倍以上的使用寿命。 该零件是使用Concept Laser M2打印机，通过激光选区熔化技术（SLM）完成制造。 热交换器 热交换器传统上由数十根细金属管焊接组成，用于GE9X的3D打印热交换器具有完全不同的外形。 包括优化的通道和充分利用3D打印设计自由度开发的复杂内部几何形状，通过3D打印一体成形，大大提高了热交换效率。 为什么使用增材技术？更轻、更便宜、更耐用 铝合金（F357）粉末,通过增材技术将原来163个零件合并为一个，不仅减轻40%的重量，还减少25%的生产成本。 ATC的现场负责人Antroine Townes说：“增材制造的独特之处和价值在于设计的灵活性和创新的速度。过去，设计师们受困于既有的制造方法。现在你可以不考虑这些限制，设计最适合发动机的零件，而不是最容易制造的东西。” EBM技术在航空中的使用越来越广泛，尤其是针对难以铸造的脆性材料。 EBM技术优势： 1、电子束扫描可将粉床加热到合理温度，有利于减小残余应力，防止应力集中导致零件开裂。 2、EBM在真空环境下进行，工作环境洁净可控，防止有害气体元素的影响。…

增材制造作为开拓制造业发展前景的新兴技术，在航空航天等高精尖领域不断开拓创新，将传统加工与智能化技术融为一体，将会为这些行业带来深远影响和重大变革。为了减轻质量、提高寿命、降低制造成本，航空发动机结构中整体金属构件的使用越来越多，也使得航空发动机关键零部件加工难度大、特殊材料利用率低等长期以来制约航空发动机发展的因素更加凸显。直接利用增材制造生产金属零件的技术构想，是由美国联合技术研究中心在1979年首先提出，其应用对象主要是针对航空发动机的核心部件——涡轮盘。但受当时工业激光器功率及数控技术水平的限制，该项技术并未立即引起太多的注意。自20世纪90年代起，GE、罗罗、普惠等企业和研究机构对金属增材制造技术及其在航空发动机领域的应用开展了大量研究工作，提出了可通过增材制造技术生产的航空发动机零部件，如图1所示。 图1 可增材制造的发动机零部件 截至目前，高性能金属增材技术已经带来了诸多效益，例如，实现了发动机新型号的快速研发、零部件的质量减轻、显著节约了昂贵的金属材质、实现了结构的多样化、延长了部件的寿命和降低了修复成本等。当前，航空发动机领域增材制造技术的应用需求和研究热点，主要集中在降低材料与机加工成本、缩短研制周期、拓宽设计自由度以制造复杂结构整体部件，而风扇/压气机研制所用到的钛合金构件激光熔化沉积增材制造技术更是其中的研究重点。 增材制造在风扇/压气机的应用 1. 整体叶盘 20世纪80年代中期，在航空发动机结构设计中出现了一种称为“整体叶盘”的新构型，如图2所示。整体叶盘把发动机转子的叶片和轮盘制造成一体，省去了榫头、榫槽及锁紧装置等连接件，使发动机整体结构大为简化、结构质量减轻、零件数量减少。例如，美国F414发动机第二级、第三级风扇及前三级高压转子改用整体叶盘后，零件减少484个、发动机推重比由7.5∶1提高到9.0∶1；消除了榫头与榫槽间的气流损失，提高了气动效率，避免了由于装配不当造成的磨蚀，尤其避免了榫头、榫槽间的微动磨损，使发动机的工作寿命和安全可靠性大大提高。 图2 增材制造钛合金整体叶盘 整体叶盘技术代表了第四代、第五代高推重比航空发动机技术的发展方向，成为高推重比发动机的必备结构，是先进航空发动机研制必须采用的核心关键技术之一。整体叶盘增材制造技术将高性能钛合金材料制备与复杂零件直接近净成形有机地融为一体，与发动机钛合金大型整体叶盘传统制造工艺相比，具有成分均匀、组织细小、生产工序少、制造流程短、材料利用率高、制造周期短、成本低等优点，能够实现整体叶盘零件的低热影响、低变形修复。 钛合金整体叶盘增材制造技术已在EJ200、F119、F414、F110等军用和GE90、遄达900、PW300、BR715等民用航空发动机风扇及压气机转子上得到广泛应用。MTU、罗罗、GE、普惠等航空发动机公司从整体叶盘增材制造技术的提出和应用开始，就将有关整体叶盘的技术列为对外高度保密的核心关键技术，积累了几十年的研制经验。 2. 风扇/压气机机匣 1994年，罗罗公司与克兰菲尔德大学合作，开始探索航空发动机机匣的激光立体成形制造技术。2016年，罗罗公司和GKN航宇公司达成协议，扩展双方在遄达XWB-84发动机项目上的合作，GKN宇航公司负责为遄达XWB发动机设计提供高性能中间级压气机机匣，采用了包括增材制造工艺和新的焊接技术等最新设计方法和制造技术，如图3所示。这种由衬套、壳体、肋板等特征形式制造出的薄壁结构的零件还包括航空发动机叶片、燃烧室等，若采用传统的铸造、锻造、焊接、机加等工艺制造，则有周期长、材料利用率低等弊端。相比而言，增材制造能够比较容易地实现大型深径比薄壁结构的制备，可节约更多的研制成本及缩短研制周期。 图3遄达XWB-84发动机中间级压气机机匣 3. 宽弦空心风扇叶片 风扇叶片是涡扇发动机的核心零件之一。罗罗公司于1968年开始设计、制造宽弦风扇叶片，并在RB211-535E4发动机上成功应用。随着气动设计技术、结构技术、材料技术和增材制造技术的不断发展，宽弦空心风扇叶片在航空发动机上的应用更加广泛，罗罗、普惠、GE、斯奈克玛等公司均在各自的发动机产品上推广使用，如F119、遄达800等。宽弦空心叶片的应用改变了流道，减轻了风扇质量，并提高了发动机的推力。受此启发，伴随着材料工艺和增材技术的进一步融合发展，带新型气膜冷却结构的叶片、碳纤维复合风扇叶片、可调节导流叶片的增材制造技术也日趋成熟，如图4所示。 图4 增材制造的钛合金空心叶片 4. 轴承相关件 增材制造技术对轴承相关件的制造工艺主要集中在磨损故障的维修与力学性能的防护上。通过专用金属粉末对轴承、轴承座进行激光增材技术修复，以实现报废品的再生制造能力，节约了成本并缩短维修时间。罗罗公司的遄达XWB-97发动机采用的直径达1.5m的前轴承腔就是通过增材制造技术生产的，如图5所示。   图5 遄达XWB-97发动机的前轴承腔 5. 其他零部件 T25高压压气机温度传感器的外壳是GE公司商用发动机上首个获得美国联邦航空局（FAA）批准的增材制造零件，如图6（a）所示。传感器外壳主要用于保护温度传感器脆弱的电子元器件，防止结冰或被急速气流损坏。GE公司生产的T25传感器外壳于2014年10月完成最终设计，2015年2月通过FAA认证，在第二周就投入了使用，目前有超过400台GE90-40B发动机加装了用增材制造技术生产的T25传感器外壳。 普惠公司在齿轮传动涡扇发动机开发过程中，采用增材制造技术生产压气机静子和同步环支架，如图6（b）和图6（c）所示。借助增材制造技术，普惠公司可以将部件制造成任何形状，这就意味着未来将有更多零件，甚至整个发动机都可能通过增材制造技术制备而成。 图6航空发动机增材制造的部分其他零部件 增材制造技术发展趋势 尽管增材制造在航空发动机领域的应用探索已历经数十年，但在实际应用和推广方面仍处于起步阶段，以下几个方面是今后发展的重点。 1. 专用高性能材料的研发 当前，限制增材制造在航空发动机上应用的关键不是制造工艺，而是材料研发。其中，高性能合金，非金属聚合物，耐高温、防腐蚀、高韧性极限服役环境材料是航空发动机进行增材制造必不可少的原料，也是增材制造大规模应用的瓶颈所在。因此，增材制造专用高性能材料的研发将成为航空发动机领域的重要研究方向。 2. 建立完备的数据库与标准体系 经过多年探索发展，各国的增材制造技术正在逐渐从理论研究走向工程应用，而完备的数据库和标准体系的建立是其中的关键。例如，以国际自动机工程师学会（SAE）、美国材料与试验协会（ASTM）和国际标准化组织（ISO）为代表的研究机构综合多年的研究成果，建立了完备数据库和标准体系，形成了系统的研究方法。增材制造是一个多学科交叉、跨领域合作的热点技术，在未来研究中，需要加强基础理论的预先研究，建立各领域交流合作的共享平台，利用各学科优势互补创新，突破技术难题，形成基础研究和预研技术的体系化发展与规划，建立完备的数据库与标准体系是增材制造技术快速发展的基础条件。 3. 复杂结构的修复与再制造 航空发动机的研制是一个漫长的过程。一代发动机的研制需要10~20年甚至更长的时间，其服役工作的苛刻环境决定了对零件制造的要求极高。在很长一段时间里，金属增材制造的重点是航空发动机零部件的修复。因此，不仅要利用增材制造的特殊工艺研制出高性能的发动机产品，还应利用增材制造技术修复已失效的发动机零件，快速实现低成本的再生制造，延长发动机的寿命，同时节约一定的研制成本。 结束语 面对航空发动机对轻质量、高性能、长寿命、高可靠、集约化的迫切需求，目前基于增材制造并面向系统级、性能高效的功能集成化设计方法仍不健全，批量化增材制造产品稳定性难控制，制约着增材制造在高端动力装备的规模化应用。这也意味着基于增材制造技术，构建稳固创新设计、新型复合材料、特殊工艺制造、修复与再制造全流程技术体系，已成为促进该技术实现增材制造在动力装备规模化应用的重要发展途径。可以预见，随着研究的不断深入和行业的发展，增材制造技术必将给航空发动机制造业带来革命性的变化，机遇与挑战并存。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.航空航天领域增材制造四类典型结构及发展方向 2.系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.3D打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 4.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 --广告--

航空航天领域陶瓷3D打印的主要兴趣之一是使用该技术来制造陶瓷基复合材料，此类材料相对于超级合金具有明显的性能优势，而且密度要低得多。对于航空航天应用，重点是开发SiC基复合材料的燃烧室衬里、预混合燃料喷嘴护罩、涡轮导向叶片、喷嘴等发动机部件。这些部件的常规制造方法均基于预成型件的渗透，如化学气相渗透、聚合物渗透热解、熔融渗透以及结合了这些过程的混合方法。这些方法通常速度很慢，涉及多个步骤以及大量的后处理。3D打印则会更简单，并且可以实现自由和复杂的几何形状，包括截面尺寸的急剧变化，以及混合和多功能复合材料的制造。此外，3D打印可以减少生产步骤，缩短生产时间，从而降低成本。其中的挑战主要在于纤维增强材料的混合，实现零件完全致密以及工艺和性能的优化。 GE在LEAP系列和GE9X发动机上大量使用陶瓷基复合材料 航空航天领域应用陶瓷3D打印面临的挑战 SiC基复合材料的3D打印工艺有层压制造（LOM）、粘结剂喷射（3DP）和直接墨水书写（DIW）。LOM可在对商用机器进行改造后用于生产连续纤维增强复合材料；粘结剂喷射技术则允许使用量身定制的粘结剂和短切纤维增强材料进行打印，即使对于高SiC纤维负载量（体积比高达65％），硅熔体渗透也能完全致密化；直接墨水书写技术也显示出一定的应用前景，一项重要的需求是建模工作，以协助进行材料设计和工艺优化。 HRL开发的3D打印SiC陶瓷耐高温达1700℃ 3D打印制造的SiC复合陶瓷零件的机械性能仍落后于常规加工手段，但该技术制造的涡轮发动机零件（如第一级喷嘴和高压涡轮喷嘴段）已经证明可行。 军用飞机行业也在探索3D打印以提高战备能力和负担能力。陶瓷3D打印已经证明可以用于生产金属铸造的型芯和模具，从而大大节省时间和成本。就此而言，陶瓷3D打印可用于模制传统零件并制造具有改进冷却通道设计的新翼型，而这些新设计无法通过传统方法制造。 使用Lithoz的CeraFab8500设备，LithaCore450材料打印的陶瓷叶片型芯 陶瓷3D打印也被视为在极限环境下使用的颠覆性创新技术，它可以满足对高温材料（如超高温陶瓷）和复杂几何形状的需求。但是，目前缺乏可低成本和大规模生产的3D打印工艺来进行高强度和耐损伤陶瓷的生产。早期采用陶瓷增材制造的一个吸引人的领域是小型无人机的低成本发动机开发，它可以显著提高发动机的性能。在这些应用中，较高的组件故障风险具有相对不重要的影响，可以视为原型设计和加速迭代的测试平台。 几种主流陶瓷3D打印工艺的关键特点 目前，几种陶瓷3D打印工艺都在探索军用飞机的应用，如SLA、DLP、直接墨水书写（DIW）、粉末床激光烧结以及气溶胶喷射（AJP）等等。 直接墨水书写（DIW）技术是将陶瓷粉末与各种有机物混合，制成陶瓷墨水，然后通过打印机将其打印到成形平面上形成陶瓷坯体。对喷墨打印技术来说，陶瓷墨水的配制是关键。这要求陶瓷粉体在墨水中能够良好均匀地分散，并具有合适的粘度、表面张力及电导率，以及较快的干燥速率和尽可能高的固相含量。目前，该技术的难点是墨水中的固相含量太低，这会导致陶瓷坯体致密度较低，而过度提高固相含量又会使墨水的喷射变困难。此前有研究人员采用该技术制备了Si3N4陶瓷齿轮坯体，其密度达3.18 g/cm3 ，断裂韧性为4.4MPa•m1/2，抗压强度为600MPa。可以看出，喷墨打印技术所得制品具有良好的力学性能。这也说明喷墨打印技术在高性能氮化硅陶瓷的生产中具有巨大潜力。   采用直接墨水书写技术3D打印的Al2O3坯体 粘结剂喷射技术（3DP）是在粉末床上选择性的喷射粘结剂，通过层层制造得到最终的陶瓷坯体。该技术在制备多孔陶瓷零件时有较大优势，但是其成形精度较差，表面较粗糙，这与粉体成分、颗粒大小、流动性和可润湿性等有较大联系。在制造过程中，可以通过控制粉末层的湿度来提高所得毛坯的尺寸和表面的精度。3DP成形法所制备的零件致密度一般较低，通常需要后续工艺来提高其致密度，如在烧结前进行冷等静压和高压浸渗处理，可以显著提高烧结后制品的致密性，但同时也会使生产率降低。研究使用3DP技术制备Ti3SiC2陶瓷，随后进行硅熔体和铝硅合金的渗透，复合材料密度可以达到4.1g/cm3，这种全致密材料的弯曲强度最高为233 MPa，力学性能较好。3DP技术为陶瓷复合材料的制备提供了一种新型方案。 NASA格伦研究中心采用粘结剂喷射技术打印的SiC陶瓷复合材料涡轮发动机部件 SLA与DLP具有类似的原理，都在树脂中加入陶瓷粉末得到陶瓷浆料进行3D打印。与其他技术相比，基于光固化的技术适合制备高精度、形状复杂的大型零件。但其对于浆料的要求一般较高，如浆料需要有较高的固相含量、较低的密度，同时陶瓷颗粒需要在树脂中分散均匀，而且该方法的所使用的设备昂贵，制造成本较高。国际知名的几家陶瓷3D打印设备商均采用该成型技术。 中国采用光固化工艺在太空打印的8个陶瓷样件 使用Lithoz光固化设备打印的不同尺寸的陶瓷型芯 粉末床激光烧结（SLS）是采用激光选择性地扫描粉末床表面，使粉末材料受热熔化并粘结在一起，并最终形成坯体。陶瓷材料的烧结温度很高，难以直接进行烧结成形。目前，只能通过间接激光选区烧结法对陶瓷材料烧结，其方法是将低熔点的有机粘结剂覆盖于陶瓷颗粒表面，然后激光只对有机粘结剂进行熔化，使陶瓷颗粒相互结合。虽然改进后的成形过程较简单，但是由于有机高分子粘结剂含量较高，因而所得坯体密度较低，疏松多孔，故通常需进行后续处理提高致密度，如等静压处理、浸渗技术等。   采用激光烧结技术打印的SiOC/SiC涡轮叶轮：（a）SLS成型；（b）烧结后；（c）与硅渗透后 END 尽管一些公司已经开发出了完整的陶瓷3D打印技术，但截至目前，陶瓷相对于其他材料的3D打印仍然非常小众，属于新兴技术领域。据SmarTech分析公司发布的最新《陶瓷快速成型零件生产：2019-2030年》显示，随着所有主要的陶瓷增材制造技术的全面发展，并建立起足够的系列化生产，陶瓷3D打印市场将在2025年后迎来一个拐点。届时，一大批公司和行业将受益于该技术。到2030年，陶瓷增材制造市场的收入估计将达到48亿美元。 作为航空航天领域极富前景的高温陶瓷材料，3D打印将为其专业化组件的生产发挥作用。无论是作为高温合金替代物的陶瓷基复合材料，还是作为飞机或者火箭发动机高温结构组件的先进陶瓷材料，3D打印或将改变这些领域的制造方式。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.现在及未来，那些将受益于陶瓷3D打印的行业 2.2019年3D打印材料市场的演变：趋势和机遇（陶瓷金属篇） 3.LITHOZ 3D打印航空发动机陶瓷叶片型芯 4.ExOne金属粘结剂喷射系统，可打印金属、陶瓷和复合材料

本文概述了2020年以来3D打印市场范围内比较重要的5项技术突破和应用，以及5项重要的市场事件。相比去年而言，引人关注的新技术较少，但关键应用增多；此外，几项重大市场行为引起业内广泛关注，在突出显示技术应用深化的同时，市场格局也在悄然发生变化。 1. 陶瓷烧结只需10秒钟，速度提升1000倍 传统的陶瓷烧结通常需要借助昂贵的商业设备处理数小时时间。为了克服这一挑战，美国马里兰大学的研究人员发明了一种超快的高温烧结方法，既可以满足现代陶瓷的需求，又可以促进新材料创新的发现。在这项发明中，将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两根碳条之间，该碳条通过辐射和传导（以103-104°C/min）快速加热，能够在不到10秒的时间内达到高达3000°C的高温环境，陶瓷粉末被迫快速凝固，比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。 快速烧结原理 研究人员指出，新工艺可防止由于烧结时间短而引起的挥发和不良扩散问题，可广泛、快速地烧结各种陶瓷和金属材料，包括3D打印的陶瓷和金属生坯。将烧结时间从数十小时减少到几分甚至几秒钟，将为陶瓷3D打印的发展，带来极大推动。同时，这或许对太空陶瓷和金属3D打印带来新的机会。 2. 中美成功验证多种太空3D打印技术 2020年5月，新一代载人飞船实验船在轨飞行的2天零19小时内，以航天五院为代表的团队完成了多项空间科学实验和技术试验，其中包括多种3D打印技术的太空在轨验证。其中，中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”，成功克服太空失重环境导致的打印材料流变行为，创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行了微米级精度的在轨制造，为我国未来在轨制造零件提供了技术储备。 新飞船试验任务成功在轨制造的8件陶瓷样品 由529厂—西交大团队共同研制的“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”实现了国际首次连续纤维增强复合材料太空环境增材制造技术。连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料，密度低、强度高，开展复合材料空间3D打印技术研究，对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造具有重要意义。 12月初，美国Redwire也成功在太空在轨打印陶瓷零件。 3. 超多激光、超大型金属3D打印时代到来 突破了持续许久的四激光限制，2020年当属超多激光金属3D打印时代到来的元年。 10月20日，Velo3D推出新一代具有“超大容量”的Sapphire XC 3D打印机，φ600*550mm的构建体积配备了八台1000W的激光器，是市面上第一款商用化的超多激光金属3D打印机。 11月10日，SLM Solutions正式发布其下一代12激光金属3D打印机，使打印速率提高到1000cc/h及以上成为现实。12激光系统的推出不仅对于增材制造业来说是一个颠覆性的突破，对于整个制造业来说也是一个重大的进步。 多激光金属3D打印机的基本特点 同月，3D Systems公布了其为美国陆军正在开发的开发“世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机”的更多细节，该系统配备9台激光器，成型尺寸达到1*1*0.6m。 除此之外，弗劳恩霍夫研究所开发的5激光器原型机成型尺寸为1*0.8*0.5m，Additive Industries明年将推出10激光金属3D打印机建造尺寸为0.6*0.6 *1m。 4. 国内大型金属和非金属构件实现关键航空航天应用 2020年5月8日，由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船返回舱，在东风着陆场预定区域成功着陆！此次试验船飞行任务的圆满成功，实现了我国超大尺寸整体钛框架3D打印制造的首次航天应用。 载人飞船返回舱防热大底框架结构是气动力热作用下最主要的承力部件，由航天五院总体部主导研制的直径达4米的超大尺寸整体钛框架全部采用鑫精合公司的3D打印工艺制造，成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本的目标。新一代载人飞船试验船的成功返回标志着我国超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。 新一代载人飞船试验船返回舱及采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物 2020年7月23日，长征五号运载火箭搭载“天问一号”火星探测器成功点火起飞。这是长征五号运载火箭首次执行应用性发射，运载火箭上的一个重要部件——级间解锁装置保护板，由中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所通过采用华曙高科连续增材制造系统HT1001P解决方案加工而成。 级间解锁装置保护板 级间解锁装置保护板直径达5米，单批次加工件数较少，加工频次较低，如采用传统注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也较高。而采用3D打印技术，则无需开模、一体成型。研制单位将保护板拆分成50件分别打印，每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm，最后将零件拼接而成，耗时仅48小时。该部件的成功应用，实现了国产新型大幅面增材制造装备的应用验证。 5. 3D打印为欧美对抗疫情发挥重要作用 自欧美爆发疫情以来，3D打印为这些地区快速提供物资发挥了巨大作用，多家3D打印公司将本公司的技术用于用于医疗领域。 Carbon每周生产的鼻咽拭子和防护面罩分别超过100万支和18000个；Formlabs则使用250多台内部3D打印机，每天生产多达15万支检测拭子，Markforged的生产规模也扩大到了每天10万只；英国的Photocentric公司则采用光固化技术进行呼吸器兼容阀门的打印，每周的生产量达到4万个。除此之外，巴黎医院紧急安装了60台Stratasys F123打印机，生产各种用于救援工作的产品，包括面罩、口罩、电动注射泵、插管设备以及呼吸阀等。 3D打印批量制造鼻咽拭子 面对疫情，3D打印快速制造的优势解决了一些国家产品供应短缺的问题，这些例子说明在紧急情况下3D打印可以快速反应。 6. 投资超1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业 6月，总投资超过1500万欧元的宝马增材制造中心正式开业。该中心汇集了宝马集团迄今为止所有关于该技术的专业知识，囊括了当今市场范围内几乎所有最为先进的3D打印装备和最广泛的技术门类。此举将加强宝马创新先锋的地位，保持其在汽车增材制造领域的发展。 宝马新增材制造中心内景 据统计，宝马集团使用3D打印超过27年，已经生产了数百万个零件，成为3D打印领域的深度玩家。宝马集团力图在单个组件、小批量生产及大规模生产零部件的多个领域，都能够提供最佳的技术和生产工艺链条。高大上的3D打印制造、未来数字化生产的新方向成为宝马集团生产系统中非常重要的组成部分，在大批量生产方面拥有巨大潜力。 7. 飞而康规划50台华曙金属3D打印机，欲打造一流增材制造超级工厂 近年，国内航空航天事业迅猛发展，增材制造的应用不断深化，而专注于航空航天增材制造服务的飞而康因此也迎来了历史上难得的发展机遇。2019年，飞而康与华曙高科达成战略合作，双方致力于航空航天最新设备研制和飞而康材料及工艺研发，打造基于华曙高科金属解决方案的“飞而康金属增材制造产业化超级车间”。车间列装华曙高科超大型、大型、中型金属设备，已支持多项国家重点型号工程的研制，涉及数十个航空航天器型号任务。 飞而康增材制造车间局部 为满足快速增加的订单需求，飞而康进一步扩充车间产能。今年5月，飞而康发布消息，将规划产能再翻四倍，将华曙高科金属设备的列装数量将会扩充至50台，届时车间的加工能力将跃上一个新的台阶，成为名副其实的增材制造超级车间。10月初，飞而康已经收到第20套金属3D打印系统，其中19套是大幅面的 FS621M和FS421M系统，飞而康将继续打造其超级增材制造工厂。 8. 铂力特中标4600万元金属3D打印项目，产业化应用加深加快 据中化商务电子招投标平台11月消息，西安铂力特中标北京动力机械研究所3300万元高尺寸、大幅面激光选区熔化成形设备和1300万元中小规格激光选区熔化成形设备项目。招标人隶属中国航天科工集团第三研究院，具有明显的航空航天背景。如此大金额购买相关设备，定是基于明确的应用需求以及对设备质量的绝对信心，而这种信心也定是来源于长时间的验证。 铂力特2020年推出了多款金属3D打印机。据官方介绍，铂力特于3月发布BLT-S450，可满足我国大推力重型运载液体火箭发动机关键部件大尺寸、复杂曲面精密结构成形要求，为航天液体动力领域高质量发展赋能；6月发布BLT-S600，突破了四光束联动扫描与拼接等关键技术，成形尺寸、成形精度处于国际先进水平；8月发布BLT-S510，首次在全球实现单向1000毫米级大尺寸金属3D打印，填补了国内外空白，达到国际先进水平。 BLT-S600市场价格1000万以上 除中国供应商获得较大订单之外，无支撑金属3D打印的领导者VELO3D，于今年6月宣布获得航空航天客户2000万美元的订单，这也是迄今为止该公司获得的最大订单。通过这三项市场行为，3D打印技术参考认为，航空航天领域对3D打印技术的应用正在进入快速发展时期。 9. Stratasys 1亿美元收购可编程光固化创业公司，完善聚合物3D打印体系； Stratasys公司以FDM技术起家，其基于该技术的工业级3D打印机在各行各业广泛使用， 在该市场具有领导地位。2012年，Stratasys与以色列Objet公司合并，从而将Polyjet技术收入囊中，基于该技术的彩色3D打印机具有业内最高的精度和最优秀的表面质量，继续奠定了其在业内的领导者地位。2014年，Stratasys 4亿美元收购MakerBot，弥补了其在大众消费级市场的短板。 然而，随着3D打印独角兽企业Carbon的崛起，CLIP、HARP等高速光固化制造技术受到广泛关注，并日益显示出批量制造的优势。本月，Stratasys宣布将以1亿美元（约合6.5亿人民币）的现金加股票，收购基于光固化3D打印技术来大规模生产零件的美国初创公司Origin，希望步入光固化树脂3D打印批量化生产的大潮流中。Origin凭借专有的高速P³技术，可以使3D打印尽可能的实现自动化和可扩展，同时提供针对速度和批处理进行了优化的打印技术和材料，以可预测的和具有竞争力的成本扩大规模。此次收购预计将于2021年1月完成，届时 Stratasys将 巩固其在聚合物和3D打印生产应用领域的领导地位。 10. 国际巨头2020营收喜忧参半，伴随大幅裁员 2020年上半年，3D Systems总收入2.468亿美元，与2019年上半年的3.093亿美元相比下降20％。即便第三季度有所好转，但前九个月营收仍比去年同期降低17.8%至3.81亿美元。在此情况下，3D Systems于二季度开始减少其运营及研发费用，并开始重组计划，以专注于其医疗保健和垂直行业，与公司新战略不符的业务部门将会被剥离。该公司希望将其运营成本降低1亿美元，作为重组计划的一部分，3D Systems计划裁员20％，希望明年实现盈利。截至目前，公司"战略再聚焦 "和削减成本的努力正在取得成效。 Stratasys在今年6月宣布，为减少疫情影响，将在全球范围内裁员10%以“精简”业务，即便必须支付约600万美元的遣散费，但此举以及其他降低成本的政策预计将为公司每年节省约3000万美元的运营费用。Stratasys在今年前九个月收入3.94亿美元，相比去年同期降低14%，公司业务自第三季度开始改善，自二季度为通用汽车安装了17台FDM打印机后，8月份又获得了公司有史以来最大的航空订单——为AM Craft安装4台F900系统。…

自SLM Solutions正式发布其下一代12激光金属3D打印机之后， Additive Industries以及3D Systems随即也公布了多激光金属3D打印机的研发进程。而多激光的概念早就超越了我们的传统认知，向着5激光、8激光甚至更多数量发展。到目前为止，从事该技术开发的企业和机构明确的已有五家。本期，我们一一介绍他们的技术亮点，并在最后对比国内玩家当前金属3D打印机发展关注的重点。 Fraunhofer——5振镜、可扩展的下一代金属3D打印技术 弗劳恩霍夫基于粉末床的金属3D打印技术新型加工解决方案是其FutureAM项目的一部分。该项目于2017年11月推出，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍，重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。该项目截至本月结束，所有课题均取得了技术上的飞跃。 基于此所开发的原型机集成了五个激光扫描系统，其最大制造尺寸为1 m x 0.8 m x 0.5 m。为了提高系统的生产率，Fraunhofer采用了扫描振镜和线性轴系统的同步运动（也即光学系统可移动），这便为打印尺寸的可扩展提供了可能。这也是与其他品牌的产品相比最大的亮点，从此，基于SLM工艺的金属3D打印技术的成型尺寸可能不再受限制。 Fraunhofer 多激光3D打印的下一代劳斯莱斯发动机的演示器组件 SLM Solutions——12激光、双向铺粉、大层厚烧结工艺的搭配 SLM Solutions 12激光设备的上市对于整个制造业尤其是金属增材制造行业来说无异于一场技术革命，具有里程碑式的意义，它必将引起一系列的追赶浪潮。配备12台1千瓦的激光器和0.6 x0.6 x0.6 mm的成型舱室，新设备比SLM 280单激光设备快了20倍；同时使用光学变焦等创新技术、全新优化的风场舱室设计以及成熟的烧结多孔风墙专利技术，使其能够达到最佳的生产效率和稳定性。 除了激光数量的增加，该设备同时配备双向铺粉和大层厚烧结工艺，三者的配合无疑会带来一场关于打印速度的革命，使打印速率提高到1000ml/h及以上成为现实。 为了便于将新设备集成到工厂和供应链中，SLM Solutions还将自动成型缸替换、自动打印开启以及外部预热站和外部除粉站等自动化功能集成其中，在提高生产效率和降低人的参与的同时，使其更加满足工业自动化的发展要求。 新设备打印的大尺寸IN718中框组件，φ560*427.5mm Velo 3D——8激光、一键式校准、可质量追踪的无支撑SLM解决方案 Velo 3D是业内第一家推出商业多激光金属3D打印机的企业，这家公司能够像往常一样备受关注，仍然是其解决了该技术所固有的多个痛点。配备8台1KW的激光器，成型尺寸保持了一贯的光学设计、重复涂铺技术、气流技术和计量系统等体系结构，Flow预处理和Assure质量控制软件也集成在内。 Velo3DSapphire XC3D打印机 Velo 3D最亮眼的技术除了无支撑外，还包括预检和自动校准功能，系统在设备打印前会对光斑、激光叠加精度、窗口镜、传感器等进行预检和自动校准，在打印过程中也会时刻跟踪每一层的关键参数，如粉末平整度、熔池数据等是否符合规格。这些措施相比其他品牌极大保证了制造的安全度，同时降低了操作人员对设备调试能力的要求；其质量追踪系统可以逐层提取和跟踪数据，监视构建过程的任何缺陷，确保生产质量，并最终提供详细的构建报告。 Sapphire XC配备Velo3D集成化的解决方案 Velo 3D要解决的是一切在生产中遇到的设备操作、打印失败、后处理以及后检测的难点，让金属3D打印更方便、更进一步、更低成本的落地应用。 3D Systems——受美军方委托开发世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机 如标题所示，3D Systems在美国陆军研究实验室（ARL）作战能力发展司令部处获得了1500万美元的机器开发合同，所设计的金属3D打印系统配备9台激光器，成型尺寸达到1m x 1m x 0.6 m。美军方希望将其用于满足武装部队的弹药、地面车辆、直升机和导弹防御需求。 3D Systems大型设备的关键器件源于其成熟的DMP打印机技术 上月，新系统的第一份测试打印已经完成。该机器的光学系统能够为九台激光器中的每一台提供单独的熔池监控系统，从而改善零件质量控制。由于采用了几乎相同的光学系统，新机器能够利用公司现有的材料工艺库。3D Systems还将六台高对比度单镜头反光（SLR）摄像机集成到机器的构建室内，从而可以进行现场监控。除了粉末床图像外，该系统的固件还可以捕获传感器数据、位置数据和熔池数据，并将所有数据整理到SQL数据库中，以待全面了解零件质量。 3D systems DMP Inspection自动执行数据分析 与传统的PBF技术不同，新设备采用了选择性粉末沉积工艺，仅通过在需要的地方沉积材料，因此可以减少在打印非常大尺寸零件时所需要的金属粉末的用量。与其他品牌的不同之处还包括，新设备使用真空构建室，氧气含量可保持在25ppm以下，氩气的消耗大约相当于其他类型金属3D打印机的十分之一，从而使零件具有较高的化学纯度，显著降低机器运行期间氩气的总购买成本，并通过提高粉末的可重复使用性来节省总成本。 Additive Industries明年推出10激光金属3D打印机 Additive Industries虽被我们提及不多，但它的实力不容小觑。这家荷兰3D打印机制造商在2015年就推出了大型设备，并在汽车和航空航天获得应用。 近日，该公司公布了其在研产品的研究进展，新型MetalFAB-600配备10台1kW激光器，建造尺寸为0.6 m x 0.6 m x 1 m，打印速度可以达到1000ml/h。新打印机还将实现关键生产流程的自动化，如粉末处理、激光对准和校准，以最大程度地提高机器产能。 Additive Industries上一代MetalFAB1 打印机 MetalFAB-600将于2021年底正式推出，主要面向传统的铸造和机械加工行业。…

如果你以为3D打印还没有搞明白却去搞什么4D打印，并对其嗤之以鼻，那一定小看了这个概念。4D打印技术自2013年提出以来就引起了学术和工业界的广泛关注，它属于智能构件的增材制造技术，是在材料、机械、力学、信息等学科高度交叉融合基础上产生的颠覆性制造技术。华中科技大学史玉升教授团队在该领域已经进行了大量研究，当属国内在该领域的研究先驱，本文将展示他们在4D打印概念、研究进展及应用领域的部分见解。 01 4D打印技术研究概况 4D打印技术是3D打印在三维坐标轴基础上增加了“时空轴”，也应当归入增材制造技术的范畴。2013年1月到2019年12月，WebofScience统计了关于4D打印技术的研究论文发表情况，从中可以看出关于4D打印的论文发表数量逐年增多，论文引用量也在逐年增多；关于4D打印的研究主阵地在美国，中国紧随其后，论文发表数量大约只有美国的一半。而目前研究4D打印的工艺以现有常见的3D打印工艺为主，主要有FDM、SLA、墨水直写、喷墨打印、DLP、SLS以及SLM技术。 Web of Science 关于4D打印研究论文发表的统计数据 尽管在4D打印领域已有比较多的研究，但4D打印的概念与内涵还存在争议：是“3D打印+时间”，还是“3D打印+智能材料”？抑或“3D打印+智能材料/结构”？众说纷纭，尚未达成共识。4D打印是否“只能看、不能用”？应当以什么思路进行研究？现在发展到什么程度？今后又该从哪些方面入手研究，这些都是4D打印领域的研究者迫切想知道的问题。 02 4D打印技术内涵不断丰富   4D打印的概念最初是由美国麻省理工TIBBITS教授在2013年的TED大会上提出，他将一个软质长圆柱体放入水中，该物体自动折成“MIT”的形状，这一形状改变的演示即是4D打印技术的开端，随后掀起了研究4D打印的热潮。4D打印在提出的时候被定义为“3D打印+时间”，即3D打印的构件，随着时间的推移，在外界环境的刺激(如热能、磁场、电场、湿度和pH值等)下，能够自驱动地发生形状的改变。由此可见，最初的4D打印概念主要体现在现象演示方面，注重的是构件形状的改变，并且认为4D打印是智能材料的3D打印，关键要在3D打印中应用智能材料。 MIT 4D打印的功能结构 随着研究的深入，4D打印的概念和内涵也在不断演变和深化。2016年，华中科技大学史玉升教授组织国内的有关专家，在中国武汉召开了第一届4D打印技术学术研讨会，提出4D打印的内涵，即增材制造构件的形状、性能和功能能够在外界预定的刺激下，随时间发生变化。推动了4D打印技术由概念向内涵方向发展，相比于最初的4D打印概念，新提出的内涵表明4D打印构件随外界刺激的变化不仅仅是形状，还包括构件的性能和功能，这使得4D的内涵更丰富，有利于4D打印技术从现象演示逐渐走向实际应用，只有性能和功能发生了变化才满足功能化、智能化的定义，才具备应用价值。 华中科技大学4D打印柔性磁电器件流程示意图 然而，史玉升教授团队发现上述新提出的4D打印内涵仍然存在一定的局限性，尚未完全揭示4D打印的内涵。为此，他们随后每年举行一次4D打印技术大会进行讨论和交流，通过持续交流讨论认为，4D打印不仅是应用智能材料，还可以是非智能材料；也应当包括智能结构，即在构件的特定位置预置应力或者其它信号；4D打印构件的形状、性能和功能不仅是随着时间维度发生变化，应当还能随空间维度发生变化，并且这些变化是可控的。因此，进一步深化的4D打印内涵注重在光、电、磁和热等外部因素的激励诱导下，4D打印构件的形状、性能和功能能够随时空变化而自主调控，从而满足“变形”、“变性”和“变功能”的应用需求，这“三变”中只要实现了其中一个，便认为是实现了4D打印。今后，随着4D打印研究的持续深入，其内涵也必将进一步得到升华。 03 4D打印技术的应用场景   4D打印技术是在材料、机械、力学、信息等学科的高度交叉融合基础上产生的颠覆性制造技术，是制造复杂智能构件的有效手段。因此，4D打印技术具备广阔的应用前景，必将推动高端制造领域的发展。 1. 航空航天领域 4D打印技术不仅可解决航空航天领域部分构件结构复杂、设计自由度低、制造难的问题，而且其“形状、性能和功能可控变化”的特征在智能变体飞行器、柔性变形驱动器、新型热防护技术、航天功能变形件等智能构件的设计制造中将展现出巨大的优势。下面以航空领域的智能变体飞机和航天领域的人造卫星天线为例阐述4D打印技术在航空航天领域的典型应用。 美国国家航空航天局提出的智能变体飞机的概念设计 美国国家航空航天局提出一种未来的智能变体飞机的设计构想。该智能变形飞机的外形可随外界环境而产生自适应变化，能保持整个过程中性能最优，舒适性高同时成本降低。飞机在巡航、起飞、降落和盘旋的时候，可以自动响应环境的变化分别变形至最佳形状，以获得各种状态下最优异的性能。比如，适当改变展长可以使得升阻比提高，从而增大航程和航时；改变弦长可以优化升阻比，提高飞行速度和机动性；改变机翼的弯度可以增强飞机的机动性。这是4D打印在航空领域典型的、极具前景的应用。 形状记忆合金成形的人造卫星天线 4D打印技术还可用于成形折叠式卫星天线。形状记忆合金是一种具有变形回复能力的智能金属材料，常用于4D打印工艺，用来成形结构复杂的智能构件，这种折叠式的卫星天线就是一例典型应用。当卫星在地面尚未发射时，将用形状记忆合金丝4D打印成形的天线在冷却条件下揉成团状，等卫星发射后进入太空，天线受到太阳的辐射而温度升高，即能回复到原来的初始形状。这种4D打印的折叠式可展开天线可具备复杂的空间结构，其性能能够人为定量控制，这是传统制造工艺无法实现的。并且天线可以在发射前以折叠的形式放在卫星舱体内，使得卫星的空间可以得到很好的利用，关键是相对于传统卫星的太阳能电池板和天线，折叠式天线还具备体积小、重量轻的优点。 2.汽车领域 在汽车领域，智能自修复材料可以大显身手。汽车凭借智能材料，可以“记住”自身原来的形状，甚至可以在汽车发生事故后实现“自我修复”的功能，还可以改变汽车的外观和颜色。4D打印构件组成的汽车会具有可变的外形，比如可调节的天窗和扰流板，汽车可以根据气流改进其空气动力学结构，提升操纵性能。丰田公司采用TiNi基形状记忆合金成形散热器面罩活门，当发动机的温度低于形状记忆合金的响应温度时，形状记忆合金弹簧处于压缩状态，则活门关闭；当发动机温度升高至响应温度以上时，弹簧则为伸长状态，从而活门打开，冷空气可以进入发动机室内。 记忆合金温控器 3. 生物医疗领域 生物支架经常用在外科手术中。如血管支架，起到扩充血管的作用。我们希望支架在植入时所占空间较小，处于收缩状态，当植入到指定位置时再撑开以实现扩充血管的功能。支架一般是多孔结构，这些特点使得4D打印技术尤其适用于生物支架的成形。采用光固化成形的具有形状记忆功能的气道支架，从临时形状到永久形状(功能实现)的形变过程仅需要14s。除了生物支架，接骨器也是4D打印技术的重要应用，和生物支架具有相同的形状记忆原理，4D打印形状记忆合金得到多臂环抱型锁式接骨器，形状记忆合金在温度刺激下发生变形，撑开以实现骨骼的固定。 4D打印技术在生物医疗领域的应用 4. 软体机器人领域 软体机器人也是4D打印技术的典型应用之一。软体机器人广泛采用仿生结构设计技术，模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料成形，可以在大范围内任意地改变自身形状和尺寸，具有无限多自由度和连续变形能力。4D打印软体机器人不需要复杂的驱动机构，并具有多种功能属性，包括传感、自修复和自组装等功能。哈佛大学在2014年采用高弹性硅胶材料成形的仿海星软体机器人，利用压缩空气提供软体机器人运动的驱动力；利用橡胶材料成形的气动肌肉可通过气泵对肌肉充气促使其发生形变。采用光固化成形的形状记忆光敏树脂，可通过加热至材料的玻璃化温度以上，具有形状记忆效应的高分子由于弹性势能的释放能从临时形状回复至初始形状，从而实现一个抓取的动作，实现了软体机器人的雏形。 哈佛大学4D打印的16脚软硬质弹性体功能机器人 04 结论与展望   4D打印在3D打印的基础上引入了时间和空间的维度，通过对材料和结构的主动设计，使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上能实现可控变化，满足变形、变性和变功能的应用需求。3D打印技术要求构件的形状、性能和功能稳定，而4D打印技术要求构件形状、性能和功能可控变化。4D打印这种极具颠覆性的新兴制造技术在航空航天、汽车、生物医疗和软体机器人等领域具备广阔的应用前景，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。对4D打印的深入研究必将推动材料、机械、力学、信息等学科的进步，为智能材料、非智能材料和智能结构的进一步发展提供新的契机。 注：本文内容来自史玉升教授《4D打印——智能构件的增材制造技术》。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.史玉升教授团队4D打印仿生结构，实现传感-执行一体化 2.哈佛：多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统实现功能器件制造 3.3D打印磁性活化材料—赋予材料生命力 4.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 --广告--

据外媒7月份的消息，美国陆军研究实验室（ARL）的作战能力发展司令部已向美国领先的3D打印机制造商3D Systems授予了1500万美元的机器开发合同，后者将与国家制造科学中心（NCMS）合作，开发“世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机”。上周，该项目公布了许多新细节。该金属3D打印系统需要配备9台激光器，成型尺寸达到1m x 1m x 600mm，将用于满足武装部队的弹药、地面车辆、直升机和导弹防御需求。除了系统本身之外，3D Systems还在开发补充材料、软件和服务，以提供更全面的产品。 九激光系统将用于制造陆军武器系统的金属零件，来自美陆军 ARL的高级制造、材料和流程计划经理Stephanie Koch指出：“当我们着手这个项目时，我们需要一种更快的方法来生产主要地面战斗子系统的关键部件。迄今为止，该项目所取得的进展是巨大的。我们期待在未来几个月内逐步开发出全面的生产解决方案，该解决方案将实现新功能，以解决转型过度的问题。”在陆军进行安装后，该技术将提供给领先的航空航天和国防供应商。 用于大型金属3D打印系统的高级光学器件 到2020年10月，新系统的第一份测试打印已经完成。该机器的关键部件基于3D Systems成熟的DMP系列打印机来选择，其光学系统能够为九个激光器中的每一个提供单独的熔池监控系统，从而改善零件质量控制。由于采用了几乎相同的光学系统，因此新机器还能够利用公司现有的材料工艺库。 3D Systems还将六台高对比度单镜头反光（SLR）摄像机集成到机器的构建室内，从而可以进行现场监控。摄像机提供了自顶向下的视图，这意味着用户不需要执行图像处理过程。除了粉末床图像外，该系统的固件还可以捕获传感器数据、位置数据和熔池数据，并将所有数据整理到SQL数据库中，以待全面了解零件质量。 3D Systems的联合创始人兼CTO Chuck Hull补充道：“ 3D Systems秉承创新精神，我们的客户在推动这一过程中发挥了关键作用。我们与ARL的合作使我们能够加大研发力度，在使ARL达到其目标的道路上实现了许多行业首创。我们在该项目的第一阶段所取得的成就将为下一阶段提供动力，这将有助于我们帮助ARL扩展其能力并巩固其供应链。” 提高材料效率 与传统的PBF 技术不同，3D Systems将采用选择性粉末沉积工艺，仅通过在需要的地方沉积材料来减少粉末的使用。3D打印技术参考猜测该技术可能与Aerosint混合材料铺粉系统类似，其在打印过程中采用两种不同的粉末，其中一种廉价粉末用作支撑材料，这种方法可以减少在打印非常大尺寸零件时所需要的金属粉末的用量。该系统的打印基板同样可以预热，以减少热应力并提高沉积质量。 Aerosint选择性粉末沉积技术使用特殊装置来沉积两种或多种材料 3D Systems在打印前对构建室抽真空能够排除粉末中的氧气 此外，该公司将继续采用真空构建室，氧气含量保持在25ppm以下（大多数传统金属3D打印机中氧含量约为500-1000ppm），氩气的消耗大约相当于其他类型金属3D打印机的十分之一，从而使零件具有较高的化学纯度，还可以显著降低机器运行期间氩气的总购买成本，并通过提高粉末的可重复使用性来节省总成本。 该项目自2018年10月就已启动，但官方并未指出项目何时结束。从目前的趋势来看，多激光、超大型金属3D打印的时代或已到来。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中文视频：SLM Solutions上市12激光、20倍速NXG XII 600金属3D打印机 2.重磅：Velo3D 推出8激光器超大幅面金属3D打印机 3.GE增材：金属3D打印中气流（风场）设计的重要性 4.中国航天科技集团首席信息官：金属增材制造技术在航天领域的应用(视频)

昨日，SLM Solutions 12激光金属3D打印机正式发布，型号命名为NXG XII 600。这台备受期待的设备配备了12台1千瓦的激光器和600x600x600mm的成型舱室。NXG XII 600是目前市场上打印效率最快的设备，比SLM ®280单激光设备快20倍，同时使用光学变焦等创新技术，使其能够达到最佳的生产效率和稳定性。此设备主要用于大尺寸零件的批量化生产，为汽车和航空航天等行业新应用带来更多的可能，为工业级的批量化生产开启新的篇章。NXG XII 600配备多种创新技术，全自动化运行，让生产力上升至全新的高度。激光的使用效率在成型过程得到了根本性的优化，从而使打印速率达到最高。此设备为实现批量化生产重新设计了全新的光学系统，基于定制化的激光扫描系统最适合打印分区实现大面积搭接。所有12套光学组件可以通过“缩放变焦功能”的双透镜系统提供光斑尺寸快速定义，使客户能够在焦平面中选择不同的光斑尺寸，使打印速率提高到1000cc/h及以上成为现实。最终实现单次打印作业的超高零件产出，同时降低批量生产的成本。 12激光同时烧结，烟尘很大，如果没有好的风场，问题会很严重 轮廓与填充采用不同尺寸光斑 SLM Solutions的首席运营官SamO'Leary强调该设备的发布意味着增材制造的新时代已经开始，他提道，“NXG Xll 600是一场工业制造业的革命。到目前为止，一直被外界认为没有办法突破四激光系统的限制——可是今天的12激光系统，不仅对于增材制造业来说是一个颠覆性的突破，对于整个制造业来说也是一个重大的进步。这台设备将为用户带来前所未有的增材制造体验，它能在提高生产力的同时很大潜力降低生产成本，用户可以将真正的批量化生产完全集成到供应链中。” NXGXII 600打印的大尺寸IN718中框组件 NXGXII 600打印的大尺寸铝合金引擎机壳 NXGXII 600打印的大尺寸零件 为了便于将NXG XII 600集成到工厂和供应链中，解决方案中包括几个自动化功能，如自动成型缸替换、自动打印开启以及外部预热站和外部除粉站。 为了实现全平台上零件特性的统一，SLM Solutions采用全新优化的风场舱室设计以及成熟的烧结多孔风墙专利技术。客户还可以通过为风场重设计的双向铺粉专利技术，实现更加紧凑的腔室布局和风场的优化。 NXG XII 600采用全新优化的风场舱室设计以及成熟的烧结多孔风墙专利技术 NXG XII 600具有可靠的热管理设计理念。减少温漂移的同时，以实现及保证客户多达12个激光打印的无缝搭接。此外，该设备还提供全新的用户操作界面，此界面可为操作人员优化工作流程且减少培训需求。SLM Solutions为客户提供了最高的设备生产力、稳定性及安全性。 该设备有两种不同的粉末处理选项：一个是基于重力的粉末加载方式，另外一个则基于粉末真空自动运输加载方式，这两种解决方案都将每个打印作业之间的停机时间保持在最小。 设备功能概述 成型尺寸: 600x600x600mm 12台激光器，每台1KW 缩放变焦功能 集成打印扫描分区，均匀分布所有12个激光器的打印工作 自动成型缸更换 自动打印开启 外部预热站 外部除粉站 通过降低每个零件的成本和总的制造时间来降低生产成本 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SLM Solutions将推出12激光金属3D打印机（附解析） 2.重磅：Velo3D 推出8激光器超大幅面金属3D打印机 3.GE增材：具有增强后处理和质量控制的金属3D打印 4.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