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

高强铝合金由于优秀的比强度已成为商用和军用飞机主要的结构材料。对于大多数对安全至关重要的应用，高强度和高韧性是对结构材料的关键要求。然而，强度和韧性通常相互排斥，韧性会随着强度的提高而降低，导致设计者可以安全使用的高强度铝合金的屈服强度受到限制。 近期，西北工业大学黄卫东教授课题组开发了一种采用SLM技术3D打印的Sc/Zr改性Al-Mg和Al-Mn基合金，具有良好的强度和韧性组合，实现了与高强度7xxx锻造铝合金相当的高屈服强度，为制造高强、高韧铝合金提供了一种有效的策略。 激光增材制造铝合金及其复合材料的力学性能 通常，断裂韧性与裂纹尖端和局部微观结构之间的相互作用有关。特别地，采用SLM技术3D打印的Al-Mg（Mn）-Sc-Zr合金不仅具有超细第二相颗粒，而且在整个熔池中还存在明显的的非均相α-Al基体组织（混合了等轴晶和柱状晶）。此外，激光轨迹的重叠进一步在宏观尺度上产生了空间非均匀的微结构。因此，其断裂韧性与裂纹尖端以及超细非均匀微观结构之间的相互作用有关。 本研究中的Al-Mg-Sc-Zr粉末采用真空感应气体雾化(VIGA)工艺制备，粉末化学成分为Al-4.66Mg-0.48Mn-0.72Sc-0.33Zr-0.12Fe-0.03Si(wt.%)，并使用EOS M280 3D打印机制造。采用优化的工艺参数可实现高于99.4%的致密度，打印完的样品在325°C下直接时效4小时（峰值时效），以引入二次Al3(Sc,Zr)析出物实现沉淀强化。 以往有研究发现，采用SLM技术打印的Al-3Mg-0.2Sc-0.1Zr(wt.%)合金由柱状晶粒构成。而在本研究中，由于提高了Sc、Zr的含量，获得了由细晶粒和粗晶粒交替组成的非均匀晶粒组织。在熔池尺度上，显微组织由熔合边界处的等轴晶带和熔池内部的扇形柱状晶区组成，异质晶粒结构的起源归因于整个熔池中初级Al3(Sc,Zr)相（有效的成核位点）的不均匀沉淀。由于原生Al3的富集(Sc,Zr)颗粒和高冷却速率，等轴晶粒带中的晶粒被显著细化为超细晶粒(0.1–1μm)，其比铸态Al-0.7Sc合金（25±2.7-70±4.6μm)小一个数量级。 SLM制造的Al-Mg-Sc-Zr 合金的力学强度、表面粗糙度及断裂韧性数据 传统的高强度锻造铝合金通常包含三种类型的第二相颗粒：在凝固过程中形成的粗颗粒（直径约1-10μm）；在铸锭均匀化过程中形成的中间弥散体（直径约0.1μm）；以及在时效过程中形成的纳米级沉淀物实现了沉淀强化。与传统锻造铝合金相比，SLM加工的Al-Mg-Sc-Zr合金中第二相颗粒特征的关键区别在于成分颗粒的显著细化。由于熔池凝固过程中的高冷却速度，组成颗粒的尺寸被超细化至50-200nm，体积分数约为1%。因此，直接时效后合金的成分和弥散颗粒很难区分。在直接时效过程中，在α-Al基体中形成了纳米级（半径约2nm）的二次Al3(Sc,Zr)析出物。 由于缺乏与晶粒超细化相关的位错积累，该合金在拉伸试验期间表现出较低的屈服伸长率和整体应变硬化能力。试验结果表明，该合金的抗拉强度各向异性较低，而延展性体现出各向异性的特点。将SLM 加工的Al-Mg-Sc-Zr 合金的强度和韧性与传统的2xxx、7xxx 和Al-Li 锻造铝合金进行比较发现，前者具有良好的强度和韧性组合，性能堪比7075-T651高强锻造铝合金。 所开发的铝合金的应力应变曲线及其与传统高强铝合金的强韧性比较 从断裂力学的角度来看，金属基材料的断裂过程可以看作是内在损伤/增韧和外在增韧过程的综合结果。内在损伤取决于微观结构的特征，一般涉及裂纹尖端前塑性区第二相粒子的开裂或脱粘以及基体相的晶间或穿晶断裂等过程，内在增韧机制阻碍了可能的损害行为。相比之下，外部增韧机制如裂纹偏转和裂纹从I型方向分叉，通常会导致I型裂纹扩展驱动力的损失。 SLM处理的Al-Mg-Sc-Zr合金的内在损伤/增韧和外在增韧机理 据报道，铝基合金的固有损伤过程取决于多尺度第二相粒子的特性。通常，纳米析出物在很大程度上控制了滑移和变形行为，并间接影响合金的断裂韧性。组成颗粒和分散体通过影响空隙的成核、生长和聚结直接影响断裂韧性。当基体塑性变形时，大的组成颗粒很容易开裂，而中间弥散体具有较强的抗裂纹能力。 总之，对于SLM处理的Al-Mg-Sc-Zr合金，由于熔池凝固过程中初生Al3(Sc,Zr) 相的高冷却速率和不均匀析出，在合金中获得了超细且非均质的显微组织。成分颗粒的超细化促进了内在增韧，而非均质 α-Al 基体微观结构诱导了外在增韧机制，如裂纹偏转或分支等。尽管由于二次Al 3 (Sc,Zr) 纳米析出物导致的有序平面滑移导致脆性裂纹，但断裂韧性通过与超细和异质微观结构相关的多种内在/外在增韧机制得到有效改善。这项研究展示了一种制造高强度和高韧性铝基合金的新策略。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.西南交大采用X射线三维成像揭示3D打印铝合金疲劳行为的各向异性 2.华中科大：开发用于增材制造的新型抗裂纹、高性能铝合金 3.铝合金大尺寸构件3D打印一体化制造的需求、限制因素及进展 4.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总

GRCop-42 是一种被 NASA 格伦研究中心设计为制造火箭发动机燃烧室衬里的高温、高强度、高热通量铜合金。近日，航空航天领域的增材制造服务提供商 Sintavia 开发了一种新的 GRCop-42 专有 3D 打印工艺及热处理步骤，使零件在不进行热等静压处理的情况下，致密度超过 99.94%、最小伸长率也超过了 32.4%（最小拉伸强度28.3 ksi、最小极限屈服强度52.7 ksi）。 Sintavia无须热等静压实现GRCop-42的高性能 根据3D打印技术参考在《NASA新材料3D打印工艺开发备忘录》一文，NASA 在GRCop-42 铜合金的3D打印工艺开发过程中，采用激光粉末床熔融工艺并进行热等静压处理后，材料的延伸率均未超过30%，而热等静压一直是 NASA 处理该材料的标准工艺。基于两项数据的对比，Sintavia 公司的新工艺从理论上将进一步减少 GRCop-42 铜合金 3D 打印零件的处理时间及生产成本。 GRCop-42机械测试样件分布图 火箭发动机燃烧室的制造材料非常关键。NASA用来打印燃烧室的铜合金材料均来源于经过验证的传统铜合金。2014年，NASA对其 GRCop-84（Cu-8% Cr-4% Nb）实施了SLM用粉改造，采用该牌号粉末制造的燃烧室可以产生高达2000磅的推力；2019年，NASA将合金元素的百分比减少了一半，成功实现了 GRCop-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）铜合金开发，该材料在具有同等高强度的同时大幅提高了导热系数，因此被用来替换 GRCop-84；与此同时，GRCop-42 比其他燃烧室内衬专用合金，如NARloy-Z（Cu-3％Ag-0.5％Zr）的导热率还要高。 推力室内衬铜合金导热率比较 下图显示了三种主要合金的低周疲劳（LCF）寿命，它是发动机燃烧室内衬材料失效的主要模式。与GRCop-84相比，GRCop42的寿命有些降低，但基本上与NARloy-Z相一致。这些测试结果意味着GRCop-42可能会成为一种制造发动机内衬的新材料。 燃烧室用低周疲劳性能比较 发动机燃烧室通常是多种金属材料的一体结构，NASA也在力推将铜合金与其他材料实现复合制造。 在一项名为 LCUSP 的项目中，NASA 成功展示了使用激光粉末床熔融技术（SLM/L-PBF）制造 GRCop-84 铜合金燃烧室衬里以及使用电子束沉积技术（EBF）在推力室衬里上制造 Inconel 625 冷却通道和外壁的能力。这种3D打印的多金属复合结构燃烧室于 2018 年成功进行了热火测试，NASA 还通过与工业界的合作进一步将其发展为成熟的双金属燃烧室。LCUSP项目的成功实践表明，不同工艺之间的“最佳组合”为快速开发低成本、梯度材料高质量火箭推进部件提供了上升通道。 SLM制造的GRCop-84燃烧室铜合金衬里和DED制造的Inconel 625外衬 2019 年，卫星发射公司 Virgin Orbit 采用增减材制造工艺为 NASA 实现了 GRCop-84 铜合金与镍基高温合金的复合金属材料燃烧室制造，热火试验证明基于该工艺制造的复合材料部件与传统制造的性能相一致。 2020 年，NASA 再次采用采用激光沉积技术在3D打印的 GRCop-42 铜合金燃烧室上直接制造了 HR-1 高温合金冷却通道喷嘴，这种整体式的结构将不再需要螺栓连接，增加了结构稳定性。与之相关的预防构建失败和变形的建模、工艺仿真、材料表征和测试也都在计划之内。 NASA在L-PBF打印的GRCop-42铜合金外采用LP-DED工艺打印HR-1高温合金制造整体式部件 NASA使用L-PBF工艺打印的GRCop-42铜合金和LP-DED打印的HR-1高温合金整体式部件 GRCop 铜合金系列已经在 NASA 多个项目中获得测试和应用，同时…

3D打印技术的进步已经改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计，可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。与传统批量生产方法相比，3D打印所涉及的工艺参数优化、表面粗糙度控制、支撑结构去除、后处理要求、兼容原材料和成本竞争力一直争议不断。但尽管存在挑战，采用该技术已经成功实现了金属、聚合物和陶瓷材料的热交换器制造。在本篇文章中，3D打印技术参考重点分析粗糙表面、微通道、表面积和晶格结构等因素对3D打印热交换器的性能影响。当前的研究发现，金属3D打印的表面粗糙度是影响热交换器性能的关键考虑因素；与预期设计相比，制造尺寸的偏差也非常显著，特别是当尺寸接近制造极限时。随着3D打印技术在最终产品表面质量、尺寸精度和实现更小尺寸精度方面的不断提高，热交换器的换热性能可能进一步提高。 表面粗糙度对热交换性能的影响 表面粗糙度是通过粉末床熔融技术制造不同类型金属热交换器的常见和关键考虑因素。3D打印的热交换器产生的表面粗糙度可能比通过传统方法制造的相同热交换器高一个数量级。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更严重影响传热效率。因此，有必要正确评估表面粗糙度并系统收集相应工艺参数的数据库。 3D打印的飞机电机热交换器，最佳翅片密度可优化热交换效率 在led的热管理方面，拓扑优化散热器比栅格结构具有更好的性能 制造尺寸的显著偏差可能与预期设计的偏差高达约20%，这也会影响微通道热交换器的热工水力性能。一些研究报告称压降受由此产生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影响，而一些研究报告称压降是受表面粗糙度的强烈影响，另有研究认为粗糙度与通道水力参数的比率更适合分析压降特性。对增材制造技术引入的表面粗糙度对传热机制的影响分析表明，决定热交换器传热效率的不仅包括粉末颗粒的尺寸，还有粉末颗粒的形状及其与热交换器表面之间的附着。 最小特征尺寸和制造精度对热交换性能的影响 型化电子设备的发展推动了开发小型散热器的需求，这些散热器可以耗散非常高的热量，确保延长系统的使用寿命。先前对微通道的研究已经证明它们具有消散高功率密度的能力。微通道换热器的典型特征是压降大，这可能是由于通道中的流动分布不均和较长的流向流动长度造成的。歧管微通道换热器作为传统微通道换热器的替代品，歧管结构放置在平行运行的微通道的顶部，并通过多个入口和出口分配冷却剂流体。这种配置中的流动长度减少，改善了热交换器的水力特性。但传统上歧管和微通道是分开制造的，再通过一种粘合技术连接在一起，这个过程会增加交货时间，如果操作不当会影响性能。 夹层壁圆柱体强制对流传热示意图 利用晶格结构近似法和梯度法优化晶格密度分布的热交换器 增材制造技术可以将歧管和微通道以单个部件进行制造，并确保两个组件之间具有的适当接口。更复杂和优化的通道设计也可以通过该技术实现，这对于传统技术来说可能非常具有挑战性。研究发现，将不锈钢翅片的厚度从150μm减小到50μm可以将换热效率可以提高20-40%，将歧管的厚度从300μm减小到150μm，可以将换热效率提高10-30%。对由不锈钢、钛合金和铝合金打印的微通道进行研究发现，翅片和微通道的尺寸误差约20%，此外由于残留粉末，部分通道存在堵塞。与钛合金相比，不锈钢样品的尺寸误差更为突出。具有相似几何形状和预期尺寸的三个样品的传热系数和压降参数的差异归因于制造过程中出现的不准确。未来，如果3D打印可以达到更高的制造极限和精度，热交换器的换热效率将会进一步提高。 蜂窝结构具有更高的热传递性能 多孔材料包含大量空隙，增强了相对于整体块状材料的结构和功能特性。商业采购的金属泡沫就是这样一种多孔材料，据报道它具有良好的热和机械承载能力。周期性排列的晶格结构材料已经被结构工程师广泛探索，与随机开孔泡沫金属相比，单元格的自聚焦拓扑可以提供更好的强度和刚度特性。增材制造不仅可以自由制备具有定制形态参数的晶格，还可以将整个蜂窝结构打印在基板上，从而消除了额外的热界面材料阻力。 3D打印的新型分层分形体积太阳能吸收体，总体热转换效率与传统碳化硅整体蜂巢相当 不同的单元拓扑结构 GE 3D打印的镍基高温合金热交换器用于高温高压环境中 蜂窝结构具有更高的热传递和压降，但总体优势取决于单元拓扑结构，主要的传热机制决定了蜂窝结构在特定应用中能否使用。例如，在强制对流中表现最好的蜂窝结构在自然对流中可能不是最好的。仿生技术可以极大地激发3D打印技术制造复杂仿生蜂窝结构的可能性。一种具有三重周期最小表面的结构被证明具有更高的表面-体积比和高有效的导热性。 END 增材制造技术作为制造实验室和商业规模热交换器的可行选择，正在显著提高热交换的效率，并减轻重量和成本。虽然增材制造技术在生产优化和复杂的几何形状方面优于传统技术，但零件质量相对较差。增材制造技术的肯定有用，但需要做具体和系统的大量验证。当前的3D打印技术还无法替代传统方法，但3D打印技术的不断进步，将逐步解决这些固有缺陷，从而生产出轻量、多功能和高效的热交换器。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.由GE赞助的热交换器增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 2.纯铜热交换3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 3.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总 4.新趋势：使用多工艺融合开发3D打印多材料梯度合金

对于粉末床金属增材制造技术，无论是基于激光的还是电子束的，工艺参数如功率、扫描速度和扫描策略等均强烈影响增材制造过程中微观结构的形成，而微观结构会影响产品的最终机械性能。因此，微观结构是制造工艺和机械性能之间的关键桥梁。了解微观结构演化的机制并通过调整工艺参数来定制微观结构以获得所需的性能非常重要。然而，由于增材制造工艺参数众多，试错实验成本高昂且耗时。另一方面，随着计算能力的发展，数值模拟已成为理解潜在机制和探索过程-微观结构关系以实现增材制造中微观结构控制的有力工具，从而实现精准控形控性。 近日，NPJ计算材料刊发了新加坡国立大学闫文韬教授团队的一项成果，其开发了一种三维相场模型来模拟粉末床熔融增材制造过程中的晶粒演化，结合经典成核理论以及粉末颗粒和基材的初始晶粒结构，全面再现了多层、多道粉末床熔融过程中的晶粒演化，包括熔池中晶粒的形核和生长，粉末颗粒、基板以及熔池边缘处的外延生长，重叠区域的晶粒重熔和再生长，以及热影响区的晶粒粗化。为了验证模拟结果的准确性，研究人员进行了实验验证，且结果一致。   图1.SLM 过程模拟示意图 熔池形态和晶粒演化 初始晶粒的形状是等轴的，不同取向的晶粒用相对于成形方向进行着色。由于存储容量有限，仅考虑36个随机方向。所选取的材料为316L不锈钢，进行三层三道熔融过程模拟。316L不锈钢的液相线温度为1723K，超过该温度显示为红色熔池。对第一层1道和2道的模拟显示，熔池的自由表面被捕获，熔池边缘不规则，一些粉末颗粒部分熔化（黑色箭头）。在扫描第一层时，由于连续的能量输入，基板温度随着扫描叠加而升高。在进行第二层和第三层扫描时，扫描方向相对前一层旋转90°，因此扫描轨迹和温度场也旋转了90°。 图2.粉末和基板的初始晶粒形貌 晶粒的演变如实反映在了模拟结果中。当温度高于1723K时，粉末颗粒和基体熔化成液相，晶粒结构熔解于其中(图3f)。当局部温度低于1723K时，液相转变为固相，并在凝固区域形成晶粒。在扫描第一层2道时(图3g)，在第一层第1道中形成的一些晶粒被重新熔化。扫描第1层3道后(图3h)，从俯视图(Z方向)看，长晶粒和细晶粒交替出现。从侧面(Y方向)可以看出，这些细晶粒实际上是沿Z方向边长最长的晶粒。扫描第三层第三道后，最终晶粒形貌如图3j所示。从图3h和3j的对比可以看出，上层形成了粗晶粒。   图3.三层三道 SLM 过程中温度场和晶粒演变，a-e温度场演变；f-j晶粒演化。a和b中的红色区域显示了两条轨迹中的熔池形态。相邻层之间扫描方向旋转90°；部分熔化的粉末颗粒由黑色箭头突出显示 在三层三轨SLM过程中可以观察到不同种类的晶粒演化。这些演变从以下四个方面进行分析。 (1)熔池内的晶粒演化。在熔池内，晶粒长大方向垂直于熔池边界（如图4a中白色箭头所示），与热传导方向相反。熔池边界附近的晶粒形态表明晶粒从基底和部分熔化的粉末颗粒外延生长。此外，在熔池中可以观察到新的晶粒，这些新晶粒中的一些来自异质成核，如图4c中所示的“B”晶粒。 (2)重叠区的晶粒重熔和再生长。在第三道的扫描过程中，重叠区的晶粒部分或全部重熔，然后部分重熔的晶粒(如“A”晶粒)通过外延生长进入第3熔道区域，如图4b、c 、d。晶粒的重熔和再生长在相邻层间的重叠区也会发生，如图4e所示，在蓝色虚线矩形区域内进行了重熔和再凝固，并将第一层部分熔化的晶粒延伸到第二层。在从第1层到第2层的外延生长过程中，晶粒竞争生长，只有一部分晶粒能够成功延伸到第2层。在第二层扫描中竞争力较高的晶粒扩展到第三层时可能失去竞争力，如图4e中的“C”晶粒。这可以归因于90°旋转扫描，从第2层到第3层，扫描方向旋转90°，因此热传导方向和温度梯度也发生了改变。 (3)相邻层间晶粒生长方向发生变化。如图4e-f中红色箭头所示，当晶粒从第1层生长到第3层时，晶粒生长方向发生了变化。晶粒沿与热传导方向相反的方向优先生长，热传导方向在相邻两层之间旋转90度，这导致了相邻两层间晶粒生长方向的旋转。实验中也观察到类似的晶粒生长方向的旋转。 (4)晶粒粗化。熔池边界附近的晶粒以大晶粒以牺牲小晶粒的方式长大变粗，基板的温度会随着扫描次数的增加而升高，进而导致基体晶粒粗化。同时，随着扫描层数的增加，下层区域的温度也会上升，底部的晶粒也会粗化。 图4.XZ横截面中SLM粉末熔融过程中的晶粒演变 晶粒尺寸的演变 晶粒尺寸的所有数据均基于3D模拟结果计算。83.4%晶粒的纵横比大于1.5，说明三层三道打印主要形成了柱状晶粒。一些等轴晶粒通过晶粒形核引入，由于晶粒粗化，它们在制造过程中不会延伸或收缩太多，从而形成等轴形态。实验得到的晶粒长宽比分布和模拟之间具有良好的一致性。随着时间的增加，熔池向前移动，晶粒不断形成，并在后面的凝固区域中长大和粗化。因此，早期的晶粒数和平均晶粒体积随时间增加。凝固完成后，由于不能引入新的晶粒，晶粒数趋于稳定；而平均晶粒体积因不断的晶粒粗化而略有增加，最终趋于稳定。平均晶粒体积在同一层的第1道到第3道以及从第1层到第3层依次增大。 图5.不同层、不同熔道的晶粒数目及体积变化 对于同一层的三条熔道，随着新的扫描进行，基板和样件的温度逐渐升高，这导致液固间的温度梯度降低，晶粒可以在较高的温度下生产，并导致体积增加。不同层间，下层晶粒向上层竞争生长，导致上层平均晶粒体积大于下层平均晶粒体积，即平均晶粒尺寸由下层向上层逐渐增大。   图6.由 TiB2纳米颗粒增强316L不锈钢的晶粒形态 除以上研究内容外，研究人员还结合温度梯度和冷却速率分析了对熔融过程中异质形核和晶粒长大的影响。同时，为了验证相场模拟的潜力，对SLM制造的纳米增强316 L不锈钢进行了晶粒细化重现。该研究对了解金属3D打印过程中微观结构演化的机制提供了一种有效途径，对通过调整工艺参数来定制微观结构以获得所需的性能具有指导意义。 注：研究论文已上传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.知识回顾：粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制 2.GE增材：具有增强后处理和质量控制的金属3D打印 3.杨永强教授演讲：金属增材制造技术的进展及展望 4.一种新型「氩/氦」保护气体，显著减少金属3D打印过程中的飞溅和缺陷风险

近年来，3D打印技术的发展形式越来越多样化，无论具体到哪种成型材料，都有很大的技术革新。在金属3D打印方面，多激光、少支撑或无支撑的PBF技术已经是现实，而以区域性的面熔化为代表的技术是如今最新的技术类型；在液态树脂工艺方面，Carbon连续液面制造技术的龙头地位可能面临一种称之为HARP的高速大面积打印技术挑战，后者在3D打印的尺寸、速度方面取得了更大的进展；而在高分子粉末烧结技术领域，无论是基于喷墨还是光纤激光的高速烧结工艺，都将面临来自基于投影曝光和阵列二极管激光烧结形式的挑战。 从材料到工艺，这些新技术的发展，无疑将3D打印的速度、尺寸和规模提升到了新的层面。本期，3D打印技术参考分别介绍当前基于面曝光/烧结以及熔融的工艺类型及其发展情况。 光敏树脂面曝光3D打印技术 基于投影的DLP 3D打印机最先实现了材料的面成型，从而大大提高了光敏树脂的3D打印速度。在此基础上发展而来的“连续液面制造”（CLIP）技术以及基于面阵曝光的LCD技术，则是光敏树脂面曝光的进一步发展，两者分别从速度和打印尺寸方面发展了该技术。 1. Clip连续液面制造技术 Clip技术由Carbon公司于2013年推出，与DLP打印过程中平台反复上升下降的过程不同，Carbon在打印工作台与光源之间设置了一层透明透气窗，投影仪光源在整形后获得平顶光束，由3D模型分层驱动自下而上透过透气窗投影到工作台下表面。在光源照射的同时透入氧气，同时工作台连续匀速向上抬升，氧阻聚效应使透气窗和固化区域之间形成一层几十微米厚的液态未固化层，使得固化区域与透气窗可以轻松无损伤分离，从而实现连续无间断的打印。这种方式的打印速度比传统DLP还要快10-100倍。 Clip连续曝光3D打印 目前，Carbon公司已经证实了该技术可以被用于制造业，同时已经改变了几个行业的制造方式。 2. LCD面阵曝光3D打印技术 LCD 3D打印工艺是一种基于面阵曝光的技术，相比SLA单点激光逐层打印而言，制造精度略逊一筹，但生产效率会高出10-20倍；就曝光技术来说，跟DLP非常类似，但其成型尺寸几乎没有任何限制。总之，该技术兼具高速、批量化和低成本，因此基于该技术的产品价格往往更加亲民。 LCD技术打印牙模 3. HARP“大面积快速打印”技术 2019年，一项名为“大面积快速打印”（HARP）的技术被开发成功。该技术使液体冷却剂在液态树脂下面循环。冷却剂是一种氟化油，实际上，它既可以在打印前加热打印床，也可以过滤去除散射紫外线提高打印的精细度，同时还能够在打印时吸走热量。这种技术的改进可以使高达两米的零件能够在短短几个小时内迅速打印完成，打印尺寸可以达到约1m×1m×4m。 “高面积快速打印”（HARP）的技术 为了使HARP技术商业化，研究人员已经成立了Azul 3D公司，并声称使用 HARP 系统的打印速度和打印规模都是罕见的，其中打印规模是行业领先者的20 倍，速度是 100 倍，吞吐量是2000 倍。 聚合物粉末床面烧结技术 1. EOS LaserProFusion 技术 2018年11月，EOS宣布推出LaserProFusion技术，它采用近百万个二极管激光器排成阵列激光，瞬间一次性烧结粉末材料，相比过去的单个CO2激光器，新技术的烧结速度快出10倍。EOS将其称为唯一能够取代注塑成型的“革命性的聚合物增材制造技术”，它将使工业3D打印在未来市场更具吸引力。 整个截面同时烧结 LaserProFusion总输出功率可达5千瓦，在进行单层扫描时，只激活与CAD数据相匹配的二极管，整个截面同步烧结，这比依赖单个激光光斑沿整个构建区域移动的方式自然要快很多。该技术是基于2017年EOS推出的P500平台进行改造的，新工艺使P500的工作能力提高了两倍以上。EOS介绍，LaserProFusion技术使聚合物连续制造提高到了新的生产力水平，在5000-10000件的制造量级中相比注塑成型更具成本效益，足以与传统注塑技术同台竞争。 从实质上讲，LaserProFusion仍是基于激光的烧结技术，区别在于多点同时烧结。然而，自该技术公布至今将近三年，一直未有研究进展公布。 2. 聚合物粉末床直接图像红外面烧结技术 2020年11月，有20多年投影仪制造经验的挪威公司Visitech宣布推出一款近红外 (NIR)产品，并将其用于高分子粉末床烧结。通过将近红外射线投射到聚合物粉末床上，可一次实现整层烧结。在这种情况下，DLP技术将不再单单指代光敏树脂面曝光，而是将其拓展到了高分子粉末成型。 聚合物粉末床面烧结原理 通过增加投影仪的数量，可以实现打印尺寸和规模的扩展 这种基于近红外光的面烧结3D打印技术被称之为直接图像红外烧结（DIS）。与传统的基于激光器以及EOS最新的LaserProFusion技术相比，DIS是一种完全不同的烧结技术，同时也区别于基于粘结剂喷射的高速烧结技术。 单激光、多激光、多点烧结及粘结剂喷射高速烧结过程对比 DIS能够像DLP技术一样，实现更高的打印速度，一次曝光能够实现一整层烧结。Visitech还开发了一种可扩展平台可实现多台曝光机构的集成，因此能够扩大打印尺寸，提升生产效率。根据7月最新的消息，Visitech公司基于面烧结技术已经成功实现尼龙粉末3D打印，并有望在尼龙粉末烧结领域开辟出一种高产量和低成本的新方法。 金属粉末基于多点同时熔化的区域打印技术 2013年，LLNL开展了一项战略计划，使用高功率激光二极管阵列、脉冲激光器以及专用激光调制器，实现金属粉末区域瞬间熔化成型，而不是像传统的基于激光的粉末床熔融技术那样依靠一个或几个激光那样逐点扫描。这项研究自2017年获得报道之后再未有进展公布。直到本月，一家被称为Seurat Technologies公司基于该技术实现了4100万美元的融资。 面区域打印技术原理 新的金属3D打印技术的领先之处在于其采用了光寻址光阀（OALV）技术——使用一种特殊的激光调制器精确调整辐射分布的激光能量。该技术并没有增加激光的数量，而是通过控制光束增加同时熔化的面积。Seurat能够将200 万个激光点区域性的输送到15mm的正方形区域，并精准控制每个点的功率和持续时间，实现该区域瞬间熔化成型。 面区域打印的金属样品 通过光束调整后，每个光点的直径只有10微米，远小于传统激光光斑直径的100微米，但多点同时熔化却极大提高了整体成型效率，同时具有更高的分辨率。通过采用混合激光光源以及选取适当地光学放大倍率，打印速度可提高200倍。Seurat还指出，该技术在进粉末熔化时并不会产生任何的飞溅和烟尘，残余应力更低，因此在精度和表面质量方面更加优异。 除金属粉末面熔化技术之外，近期还有一种基于立体光刻的金属3D打印技术诞生。其理由光聚合原理生产高精度零件生坯，原料为金属粉末和光敏聚合物的混合体。通过掩模曝光，可以精确快速地成型整个层面，聚合物粘结剂选择性的在局部交联，将金属粉末粘结在一起，打印完的生坯经历脱脂和烧结后可以形成致密化的零件。该技术相比粘结剂喷射金属3D打印技术具有更高的效率。 END 3D打印技术最新形式的发展壮大基本上都在美国发生，无支撑金属3D打印技术的代表Velo3D、区域面熔化的Seurat Technologies以及喷墨技术的独角兽企业Desktop Metal，莫不是在正式推出产品之前就成功进行多轮融资。实际上，连贾跃亭这样的在中国排的上号的老赖都可以在美国成功融资，被各国政府看重的3D打印技术自然不难。这种新技术的开发方式让多家公司迅速发展起来。 工信部装备工业发展中心李方正博士曾指出，我们一直在努力追赶国外的技术，但当我们接近追赶上或已经追赶上时，发现对方的玩法变了，这不得不让我们有更多的思考。另一方面，3D打印技术发展的速度之快，着实让人侧目。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.基于立体光刻的超精密金属3D打印技术 2.粘结剂喷射3D打印：高DPI并不意味高精度，五个因素是关键 3.专题：金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 4.GE增材：具有增强后处理和质量控制的金属3D打印

点击「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 据外媒最新消息，Desktop Metal于近日收购了多材料3D打印技术领袖Aerosint，后者开发了一种能够用于粉末的多材料沉积系统。双方虽同属铺粉技术领域，但工艺类型相差甚大。 DM所从事的的粘结剂喷射技术目前仅能够成型单一金属材料，打印后的生坯经脱脂烧结后形成致密化的零件。Aerosint着力于开发基于激光和粉末床的多材料3D打印工艺，该公司独有的粉末沉积系统能够通过旋转的转鼓，在构建区域内选择性地沉积不同类型的粉末材料，从而达到在特定位置打印特定材料的目的。这种铺送粉技术似乎可以搭配多种成型工艺，如激光烧结、粘结剂喷射以及激光熔融等，从而实现多种聚合物、陶瓷以及金属材料的混合成型。 Aerosint粉末沉积原理 Aerosint打印的双聚合物零件 然而如果将问题细究，基于粘结剂喷射的多金属材料如何实现脱脂和烧结？不同金属材料有着不同的熔点，打印后的生坯如何共同实现致密化是目前的困扰之一。 面临同样困扰的还有以色列Xjet公司，其最早提出了3D打印金瓷结合的概念，主张采用纳米颗粒喷墨技术实现金属和陶瓷的结合，但同样面临脱脂和烧结的问题。多年过去，Xjet公司并未公布关于该技术更多的信息。 烧结完成的金属-陶瓷一体结构 采用基于激光烧结/熔融技术则不然，它可以在每一层直接实现粉末材料的冶金结合。实际上，如今绝大多数成功实现多金属材料成型的工艺大都采用了激光熔融或激光沉积。此前，Aerosint公司已经成功实现了316L不锈钢和CuCrZr（铜铬锆）混合双金属打印。 Aerosint打印的双金属零件 Aerosint打印的双金属零件 当前，3D打印多金属材料在应用方面最知名的案例是多材料火箭发动机喷嘴的制造，这代表了多材料打印在优化散热方面的优势，该技术因此也可以用于随形冷却模具打印。其他的，外硬内柔的耐磨刀具、具有不同介电和导电特性的射频元件等也可以采用多材料3D打印技术制造。 多数成功实现多金属材料成型的工艺大都采用了激光熔融或激光沉积 多材料金属3D打印目前属于较为前沿的研究，像Aerosint这样采用转鼓沉积不同粉末的技术并不多见，但却最为实用。国内有些公司也在进行金属多材料3D打印研究，但采用的铺粉工艺完全是将两种粉末分开方式，仅能打印最为简单的零件。 DM完成对Aerosint收购后，将作为全资子公司运营。而DM将如何运用后者的技术，还要在未来两年后看到具体细节。

近日，西南交通大学在增材材料疲劳性能评价方向取得重要进展，并在国际疲劳领域顶级期刊International Journal of Fatigue上发表题为“The effect of defect population on the anisotropic fatigue resistance of AlSi10Mg alloy fabricated by laser powder bed fusion”的学术论文。博士研究生吴正凯为论文的第一作者，吴圣川研究员为通讯作者，英国皇家科学院和皇家工程院两院院士、中国科学院外籍院士Philip J. Withers为共同作者。 3D打印材料疲劳寿命的分散性——最大缺陷分布不确定 激光粉末床熔融（L-PBF）作为应用最为广泛的增材制造（AM）技术之一，具有成形精度高、复杂构件适应性强等技术优势。铝合金具有比强高、成本低、抗腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车等工业领域。随着轻量化、一体化铝合金零件的迫切需求，各种复杂形状的铝合金零件如带有凸台、薄壁以及复杂内腔等构件的制备已成为目前的发展趋势，L-PBF技术有望为复杂铝合金零件提供一种新的快速制备方法。然而，相较于钛合金、镍基高温合金等其他金属而言，3D打印铝合金的研究相对滞后。由于铝合金粉末流动性差，以及激光反射率高、热传导性高等特性，在L-PBF成形过程中极易在内部产生未熔合、气孔、裂纹等缺陷，严重降低其疲劳性能，是影响其发展和应用的重要原因之一。 与焊接存在局域缺陷相比，增材缺陷具有全域分布特点。由于缺陷的位置、尺寸、形貌、数量以及多个缺陷之间的相互作用关系不同，构件局部的应力集中往往存在明显的差异。Murakami指出，影响金属材料疲劳寿命分散性的根本原因是最大缺陷分布的不确定性。此外，L-PBF成形还具有方向性，成形构件在不同堆积方向的疲劳性能也具有显著差异，是影响其发展和应用的重要原因之一。目前关于增材铝合金缺陷致疲劳断裂的研究大多局限二维表征手段（如断口观测等），对于增材制造内部三维缺陷主导下的疲劳损伤失效行为欠缺准确表征，亟需建立增材制造三维缺陷特征与其各向异性疲劳性能的关系。 缺陷容限评价——准确辨识和定量表征缺陷的几何特征 对于增材制造铝合金，合适的去应力热处理可以消除大部分残余应力，并有利于降低组织各向异性。在实际应用中，对承受疲劳载荷的部件往往需要对表面进行加工处理，以避免表面粗糙度对疲劳性能的影响。所以在经过热处理和机加工后，增材制件内部缺陷则会成为控制其疲劳行为的主要因素。缺陷的存在对材料内部的应力状态影响极大，导致应力集中，进而诱导裂纹萌生，降低疲劳性能。因此，获取增材制件内部缺陷特征，构建缺陷、应力和疲劳寿命间的关系是缺陷容限评价的重要目标，因此如何准确辨识和定量表征缺陷的几何特征成为缺陷容限评价的首要问题。 图 1：(a)L-PBF工艺及取样方向示意图；(b)不同取向试样内部缺陷三维成像结果；(c)缺陷等效椭球示意图；(d)不同取向试样内部缺陷尺寸与角度关系图。 X射线断层扫描技术（X-CT）在复杂制件损伤检测方面的优势显著，其可以在三维空间上实现材料内部缺陷及损伤的可视化，并准确给出缺陷的空间尺寸、形貌和分布特征，为缺陷以及裂纹演变提供有效的技术支持，已成为当前材料失效机制研究的顶尖研究手段。此外，为定量表征材料内部缺陷对疲劳强度的影响，1976年日本学者Kitagawa和Takahashi将传统的名义应力评价方法与线弹性断裂力学（LEFM）理论相联系，基于材料的疲劳极限Δσw与裂纹扩展扩展门槛值ΔKth，得到疲劳极限与裂纹尺寸的函数关系，即著名的Kitagawa-Takahashi（K-T）图。Beretta等通过对比传统加工材料和增材制造材料对缺陷的敏感性，发现K-T图缺陷容限评定概念依然适用于增材制造部件。 沿构建方向加载的高周疲劳试样与垂直于构建方向加载的高周疲劳试样投影到平面上的所有缺陷 研究表明，随着缺陷等效尺寸的增大，材料的疲劳极限逐渐降低，裂纹扩展门槛值逐渐增大并逐渐达到长裂纹扩展门槛值；表面和近表面缺陷会在很大程度上降低其疲劳性能，且疲劳失效和断裂往往受表面最大缺陷处控制，因此可基于缺陷X-CT三维成像数据，利用极值统计方法估测不同尺寸下部件内的最大缺陷值，并结合K-T图对增材制造材料进行疲劳性能评价，探讨缺陷对疲劳极限的影响规律。基于上述实验及理论方法，本论文综合利用X射线三维成像（X-CT）、扫描电子显微镜（SEM）、单轴拉伸、高周疲劳、疲劳裂纹扩展门槛值等多种试验手段深入系统开展了L-PBF成形AlSi10Mg合金在垂直于堆积方向（X向）和平行于堆积方向（Z向）的三维缺陷特征、拉伸性能、疲劳寿命等方面研究，以探索增材制造三维缺陷与各向异性疲劳性能的关系。 无损、快速评估材料的疲劳性能 研究结果表明，不同取向L-PBF成形的AlSi10Mg合金试样内部三维缺陷形貌具有显著的各向异性，采用等效椭球模型表征具有扁平状特征的缺陷，并取等效椭球的长半轴（a）与中半轴（b）所在平面的法向与加载方向的夹角（θ）作为缺陷的角度特征参数，可以有效表征缺陷的最大特征尺寸及形貌的各向异性。当缺陷的等效直径大于160 μm时，Z向试样缺陷的特征角度趋向0 °，而X向试样的特征角度趋向于90°，不同取向试样表现出缺陷角度特征的显著各向异性，也说明了缺陷三维形态具有显著的各向异性。疲劳实验结果表明，Z向试样的疲劳极限为45 MPa，显著低于X向试样的疲劳极限（118 MPa），但X向试样的疲劳数据分散性却显著高于Z向，疲劳性能各向异性极为显著。 图 2：(a) 缺陷特征尺寸和位置表征示意图；(b) 不同取向试样疲劳源缺陷表征；(c)不同取向试样疲劳性能对比；(d) 缺陷特征尺寸对疲劳性能的影响。 对疲劳断口裂纹源缺陷进行表征和统计，结果表明不同取向试样的疲劳裂纹均从表面或近表面未熔合缺陷处萌生，尺寸较大的扁平状未熔合缺陷主要分布在堆积层平面内，沿加载方向具有更大的投影面积，显著降低了Z向试样的疲劳强度。基于缺陷特征尺寸的极值统计方法和标准K-T图，对不同取向试样的疲劳极限进行预测，结果表明，对于Z向试样的预测结果误差在10%以内，而对于X向试样的预测误差较大，达到了30%左右，预测结果偏于保守。基于以上研究内容，论文构建了增材制造三维缺陷特征与其各向异性疲劳性能的关系：首先通过X-CT对试样内部缺陷进行三维精准表征，并将其等效为椭球，将其在投影面积的平方根（√area）作为缺陷特征尺寸；然后基于极值统计方法对不同取向试样内部的最大缺陷特征尺寸进行预测；最后结合修正的Kitagawa-Takahashi（K-T）图对不同取向试样的疲劳极限进行评估。 图3：(a) 不同取向试样内部缺陷特征尺寸的极值统计方法；(b) 不同取向试样内部缺陷尺寸概率评估；(c) 不同取向试样内部最大缺陷尺寸与试样体积的关系；(d) 基于缺陷极值统计的疲劳性能概率评价K-T图。 此研究加深了对三维缺陷致增材金属疲劳行为的理解，提出了基于缺陷三维成像的增材金属材料疲劳性能评价方法，可无损、快速评估材料的疲劳性能，并可对金属增材制造提供必要的工艺反馈信息，为3D打印材料的抗疲劳评估提供了思路。考虑到缺陷尺寸、形貌、位置等的综合影响，该团队应用大数据、机器学习等算法构建缺陷特征与疲劳强度和寿命之间的关系，进一步地，把材料成分和增材工艺作为输入参数，建立更加准确的疲劳寿命模型。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 2.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 3.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案） 4.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响

梯度材料是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度。在组合方式上，梯度材料有金属/金属、金属/陶瓷、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属以及非金属/塑料六种。在制造工艺方面，对于不同的材料组合方式已经发展出了不同的工艺类型，3D打印是其中之一。 经后处理抛光和热等静压处理的3D打印火箭燃烧室 在往期文章中，我们已经注意到欧洲的多国团队已经发起了联合项目，共同推动多材料、多工艺协同金属3D打印。国内清华大学林峰教授团队、北京科技大学曲选辉教授团队以及华南理工大学杨永强教授团队也已将该方向纳入其中。本期，3D打印技术参考以NASA的实践为例，介绍采用最优的工艺组合实现多金属梯度成型的实践案例。 增材制造为开发具有复杂内部特征和薄壁的火箭发动机组件带来了重要设计和制造机会，但主流的工艺都集中在制造单一材料，而现实应用中的整体式部件可能是多种材料的组合。因此，现有的增材制造工艺无法完全优化应用结构。NASA在定向能量沉积技术方面的探索已经表明，增材制造为节省成本和缩短制造周期带来了可观回报，同时使零件重量和性能也得以优化。 GRCop-84铜合金与Inconel 625高温合金的复合 NASA于2014年开始旨在探索使用3D打印技术生产低成本上层级推进系统能力的LCUSP项目。在该项目中，NASA成功展示了使用激光粉末床熔融技术（SLM/L-PBF）制造GRCop-84铜合金燃烧室衬里以及使用电子束自由沉积技术（EBF）在推力室衬里上制造Inconel 625冷却通道和外壁的能力。这种3D打印的多金属复合结构燃烧室于2018年成功进行了热火测试，NASA还通过与工业界的合作进一步将其发展为成熟的双金属燃烧室。 SLM制造的燃烧室铜合金衬里和DED制造的镍基合金外衬 LCUSP项目的成功实践表明，不同工艺之间的“最佳组合”为快速开发低成本、梯度材料高质量火箭推进部件提供了上升通道。 GRCop-42铜合金与HR-1镍基高温合金的复合 RAMPT是NASA于2017年开始的另一项借助3D打印开发并推进火箭发动机部件设计与制造的项目，其不仅希望减少零件数量和重量、提高可靠性，还希望保持稳定的供应链。在该项目中，NASA采用激光能量沉积技术（LP-DED）打印了直径1.5米、长度1.8米的镍基高温合金（NASA HR-1）整体通道火箭喷嘴，并将零件数量从1100多个减少到10个以内，制造时间也仅仅90天。这种近乎完整的原型设计和制造能力使研究团队迅速用于制造更大尺寸的火箭演示器件，如SLS火箭的RS-25发动机喷嘴，它的尺寸相当于此前打印喷嘴尺寸的1.5倍。研究人员最终在五个月内验证了3D打印的整体冷却通道和薄壁结构，并有效控制了打印变形。 NASA采用激光能量沉积制造整体式火箭发动机喷嘴 NASA采用激光能量沉积制造的HR-1合金整体式喷嘴，直径1.5m，长度1.8m，其尺寸为RS-25喷嘴的65％ RAMPT项目进一步增强了3D打印在喷嘴和燃烧室制造中的优势，并进一步完善了相关技术。NASA近些年新开发了一种新的3D打印铜合金GRCop-42，并正在研究在SLM打印的该合金的燃烧室上直接采用激光沉积HR-1高温合金冷却通道喷嘴，这种整体式的结构将不再需要螺栓连接，增加了结构稳定性。与之相关的预防构建失败和变形的建模、工艺仿真也都在计划之内，相关的材料表征、测试等也在进行之中。 NASA在L-PBF打印的GRCop-42铜合金外采用LP-DED工艺打印HR-1高温合金制造整体式部件 NASA使用L-PBF工艺打印的GRCop-42铜合金和LP-DED打印的HR-1高温合金整体式部件 GRCop铜合金系列已经在NASA多个项目中获得测试和应用，同时HR-1高温合金的微观结构和材料特性也正在得到研究。结合铜合金的导热性和镍基合金的高温强度，双金属或多金属的一体化结构部件无疑会减少很多制造步骤并增加稳定性。但是，与其将这种结构称之为双金属或者多材料，不如称其为梯度材料。 3D打印梯度材料在航空航天领域大有可为 成分梯度合金在航空航天领域具有重要的应用潜力，工件的不同位置工作条件可能不同，所需要的的特性也会有差异。例如一个位置需要抗腐蚀，另一个位置需要抗蠕变，这就需要连接两种或多种不同的合金；再以燃烧室为例，其衬里需要铜合金的高导热性，外层则需要镍基合金的高温强度。虽然目前已经有冷/热涂层和熔焊等不同的金属连接技术，但它们对于大型部件的连接要么成本很高，要么工艺复杂。 使用激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）等技术对金属部件进行增材制造具有非常大的优势，它提供了更好的尺寸精度，最大限度的减少后处理，并改进了组合材料的机械性能。 广州雷佳杨永强教授团队3D打印的梯度材料 在该领域，清华大学、西安交通大学、北京科技大学等均有知名学者在进行研究；北京隆源和广州雷佳也开发了基于铺粉的多材料3D打印设备。除此之外，中航工业沈阳飞机设计研究所早在多年前已经采用增材制造实现了300M与A-100钢梯度复合设计成型，这种方式可以使飞机起落架的制造成本降低45%。而至于国内火箭燃烧室等部件的制造则没有任何消息，也并不排除已经开始研究或早已取得了重要成果的可能。 END 金属3D打印技术包含多种不同的工艺，粉末床熔融、定向能量沉积、冷喷涂等等，各种工艺已经证明适用于不同的制造领域。然而各种工艺都有其技术限制，无论受制于材料、尺寸还是成本，各项工艺无法通用。 如何推动金属增材制造多材料和多工艺融合发展，充分发挥增材制造技术的潜力，综合运用多种工艺突破单一技术的制造极限，正在美国和欧洲地区获得关注（查看延伸阅读）。 欢迎转发主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.推动多材料、多工艺协同金属3D打印，欧洲多国合作发起联合项目 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.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP