与所有制造过程一样，最终产品的质量在很大程度上取决于基材的特性和加工技术的精度。对于金属3D打印，尤其是粉末床熔融工艺，即便有很多厂商已经意识到在粉末生产、处理以及打印再到后处理的过程中应当进行气体保护，但对于此方面的研究几乎未受到充分关注。一个关键的问题是，对于采用不同的气体保护，是否会取得不同的结果。 全球最大的工业气体生产商林德集团和医疗领域增材制造的领导者法国3D Medlab公司合作，展开了在特殊气体氛围下，对3D打印钛合金点阵结构生产质量的影响，双方希望以此提高由Ti64制造的医疗产品的质量和生产效率。因为像晶格这样的结构必须稳定、具备所需的所有机械性能，最重要的是能够维持细胞的生长。然而3D打印过程中的烟尘和杂质会导致零件中产生缺陷，即使氧气含量的微小差异也会影响元素的稳定性，从而破坏材料的结构和化学特性。 3D Medlab晶格结构植入物 该研究于2020年1月至2021年3月完成，双方研究了新工艺气体对Ti64晶格结构在激光粉末床熔融(L-PBF)过程中的飞溅形成、工艺稳定性及3D打印零件性能产生的影响。使用光学断层扫描进行的过程监控表明，与单独使用氩气相比，使用氩气-氦气混合气体保护，显著减少了激光熔融过程中的飞溅。研究结果证实，这种氩氦混合气体可将飞溅物的排放量降低35%，显著降低了缺陷的产生风险并提高了零件的整体表面质量。 氩/氦混合气体显著提高了零件的整体表面质量 林德增材制造粉末冶金专家表示：“可靠、可重复的3D打印能力是提高产品质量的关键，这对医疗行业至关重要。此外，从商业角度来看，打印时间是增材制造中重要的单一成本要素，但通过使用恰当的保护气体可以提高薄壁零件的打印速度。林德的新型氩氦混合气体正是为此而开发，是钛合金医疗器械制造领域向前迈出的重要一步。” 3D Medlab增材制造主管表示，孔隙率水平和表面质量是高复杂零件机械性能质量的基本要素，通过确保产品尽可能接近原始设计规格，同时减少可能带入人体的金属粉末，该指标因此成为业内定义增材制造医疗器械质量的首要标准。通过与林德公司的联合研究发现，氦气与氩气的合理平衡，可以对打印质量和生产效率产生重大影响。 有资料指出，打印室内的惰性气体是影响零件质量和整体生产速度的关键因素，该研究的主要目的也是评估理想的气体混合物来优化这两种结果。单独使用氩气时，打印过程会观察到大量飞溅物（或由激光引起的熔融金属颗粒）落至相邻打印部件上。在高度复杂的零件上产生飞溅会影响打印质量，并导致零件螺纹的质量下降。此外，使用纯氩气会产生一定程度的孔隙率。 延伸阅读：「氮/氩」混合气体显著提升工业纯钛3D打印零件的性能 更高的生产效率并不以牺牲质量为代价，根据断层扫描的结果，林德和3D Medlab的研究将孔隙率降低了70%，而点阵结构的压缩性能仍与仅用氩气时相当。除了这两家公司在混合气体方面的研究之外，国内南方科技大学严明教授课题组在多年前研究了氮气与氩气混合气体对商业纯钛和钛合金3D打印零件性能的影响。研究发现，采用氮气与氩气的混合气体作为保护气体，相比于传统工艺中充入氩气作为保护气体，额外的氮元素能够强化钛材料，使材料的力学性能明显更加优异。 在商业纯钛3D打印过程中采用氮、氩混合气体进行保护 严明教授课题组研究数据 通过对同一种工业纯钛的实验研究发现，当氮比重为0.65wt.％时，材料的综合力学性能达到最佳，屈服强度和拉伸强度分别达到807和1037MPa，断裂伸长率为19.15%，与纯Ar打印试样相比，分别提高了49.53%、42.02%和0.78%，显著高于仅采用氩气保护条件下的材料性能。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 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.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

金属3D打印技术包含多种不同的工艺，如粉末床熔融、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。从个性化到小批量，再到超过10万件的大批量制造，3D打印正在创造一个个奇迹。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。 为推动金属增材制造多材料和多工艺融合发展，来自八个欧洲国家的21个工业和研究合作伙伴正在共同推进一项名为MULTI-FUN项目。该项目为期三年，由欧盟Horizon 2020创新计划资助，树立有两个重要的战略目标：第一个是通过使用新型活性材料，提高金属3D打印零件的性能；第二个是通过创新和经济高效的新3D打印技术，实现大尺寸、多材料、复杂结构协同制造。 21家参与者 这项工作的核心是完成与多功能、多材料3D打印相关的四项科技目标。其重点在于推动整个行业的发展，并不针对任何一种特定的3D打印技术。期间，一些合作伙伴将致力于PBF粉末床熔融技术，而一些可能聚焦于WAAM电弧增材制造，同时还会有机构着重开发新材料，特别是多材料3D打印。 MULTI-FUN项目计划将不同3D打印工艺进行组合，如通过将定向能量沉积（DED）和金属喷涂技术相结合来最大程度发挥作用，新一代一站式增材制造设备将使用两种甚至多种不同材料，在具体零件制造过程中将有选择的加入“活性”材料。 基于此，纳米技术有望被采纳，并有可能实现以下新材料和新型功能性零件的制造： 1.集成具有最高导热系数的散热材料（基于纳米技术，达到最先进水平的50%），从而使局部传热率提高100%。 2.高度集成的设计，例如在复杂形状金属结构中嵌入绝缘导线。 3.在金属零件中增加传感和数据传输功能，用于结构状态和健康监测。 在零件打印过程中直接嵌入功能器件 该项目设置有四个目标 第一个目标是开发五种专门用于增材制造的新材料，其中三种将使用纳米技术。这些材料将具有显著的热、电和耐磨性能，利用纳米技术一次优化两个材料参数，可使产品效率、质量和可靠性提高至少40％，从而能够制造出新的多功能产品。 第二个目标是开发一套包含软硬件的新系统，集成多种增材制造技术，能够使用不同工艺来打印五种新材料。最终，合作伙伴希望能获得至少十种材料组合，这些组合可采用不同的3D打印工艺进行协同制造。 七个具体的应用案例，分别是致动器壳体、大型隔板、透明A柱、仪表板、铝铸件模具、碳纤维零件模具、汽车测试零件 第三个目标是通过新设备打印七个展示零件并对其进行评估。这些零件涉及结构零件、模具和测试设备，并覆盖汽车、航空、航天和制造业四个市场。 第四个目标是对材料、硬件、工艺策略以及零件设计和制造的所有环节进行评估，以更好地利用原材料和资源，减少对环境的影响，并将成本降低35％。 该项目将形成四项关键成果 该项目的实施必将更加充分发挥增材制造技术的潜力，综合运用多种工艺也将突破单一技术的制造极限。在项目实施和落地过程中，将形成四项关键成果： 1. 先进的金属材料：先进的结构金属和相应的活性材料解决方案，可实现创新的多功能新产品。 2. 新型增材制造设备：用于多种材料加工和原位合金化的硬件和软件，用于并行运行的几种增材制造技术的刀具路径规划和过程控制。 3. 多材料设计知识：通过集成、多材料设计，提高零件性能和模具冷却效率。 4. 标准化知识：增强对增材制造技术的深入理解，并有助于制定标准并支持监管机构接受多材料增材制造。 在MULTI-FUN项目中，比较知名的参与者包括德国弗劳恩霍夫协会结构耐久性和系统可靠性研究所、德国航空航天中心、欧洲焊接联合会(EWF)以及一些中小型企业，可谓是要将最前沿的生产技术直接运用到生产一线。 作为3D打印高级材料研究的参与者，MULTI-FUN项目将为欧洲中小型企业带来新机遇和新业务，整个价值链中的企业既是技术的提供者也是最终用户，不仅可以建立和执行针对增材制造的培训、接触最前沿的3D打印技术，还能对整个开发过程中涉及到的产品享有定价权。项目将推动中小企业通过技术和质量上的领导力获得更多发展机会，从而使其能够在增材制造材料、设备、质量等方面处于领先地位，以增强欧洲制造的竞争力。 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.新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功 2.GE增材 : 金属3D打印的广泛工业化需须受益于人工智能 3.增材制造的工业化与金属数字工厂

近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜团队和西北工业大学副教授张彪团队在Advanced Materials合作发表论文，报道一种用于光固化4D打印的超高力学性能形状记忆高分子材料。这种新材料在橡胶态断裂应变超过1240%，在150%-250%的应变区间可以重复加载超10000次。此外，其优异的光聚合性能使其成为数字光处理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和软体机器人领域应用潜力非常大。该项研究被Advanced Materials后内封面重点报道。 4D打印是一种新兴的制造技术，它能够使打印出来的三维结构的形状在外界环境刺激下随时间变化。与用于4D打印的其他主动软材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形状记忆高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的刚度，并且能与各种3D打印技术兼容。其中，采用DLP 3D打印技术打印可光固化SMP，可以制造具有复杂几何形状和高分辨率的4D打印结构。然而，现有可光固化SMP在力学性能方面具有局限性（伸长率偏低、抗疲劳性能差等），这极大地限制了它们的应用范围。因此，亟需发展可承受大变形且具备抗疲劳能力的光固化SMP，以满足工程应用中对4D打印智能材料力学性能的高要求。 图 1. 超高力学性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技术的4D打印 联合研究团队合作开发出了一种超高力学性能可光固化SMP体系。该材料体系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）组成，故称为tBA-AUD SMP体系。如图1所示，该SMP体系极易光固化，与基于DLP的3D打印技术兼容，可以制造出高分辨率-高度复杂的3D结构。研究团队开展了大量实验，研究tBA-AUD SMP体系的大变形机理和探索其在高承载-大变形结构中的工程应用。 图 2. tBA-AUD SMP前驱体溶液的相关特性 如图2所示，通过流变测量、凝胶分数试验和固化时间测试表征了tBA-AUD SMP前驱体溶液的3D打印性能。交联剂AUD含量在50 wt%以下前驱体溶液具有较低的黏度，适用于DLP 3D打印。AUD含量越高, tBA-AUD SMP体系的平衡凝胶分数越高，固化相同厚度的前驱体溶液所需的时间越短。 图 3. tBA-AUD SMP体系的热力学性能 如图3所示，通过热力学性能测试标定了tBA-AUD SMP体系的大变形、形状记忆和耐疲劳性能。tBA-AUD SMP体系在编辑温度（80 °C）下具有较低的弹性模量和超高的断裂伸长率。tBA-AUD SMP 体系具有近乎100%的形状固定率和良好的形状恢复率（~90%）。此外，这种SMP材料可以承受超过10000次大变形循环加载（循环应变150%-250%）。 图 4. tBA-AUD SMP体系的大变形机理 如图4所示，通过红外光谱测试、应力松弛实验和单轴拉伸试验对比新鲜试样和10000次疲劳后试样，以阐释tBA-AUD-SMP体系的大变形和抗疲劳机理。AUD交联剂的高分子量和氢键的综合作用赋予了tBA-AUD SMP体系大变形性和抗疲劳性。 图 5. tBA-AUD SMP三维构件的高度变形能力及其在智能家具中的工程应用 图 6. tBA-AUD SMP在航空航天中的应用 如图5和图6所示，3D打印的 tBA-AUD SMP三维构件具有高度变形能力，在智能家居和航空航天等工程应用中潜力巨大。tBA-AUD SMP的断裂伸长率远高于先前报道的各种可3D打印SMP。使用tBA-AUD SMP打印的三维结构具有大变形能力和高承载能力，使其成为制造带有SMP铰链的智能家具的理想材料。利用tBA-AUD SMP的快速热响应能力，可以制作用于展开太阳能电池板的智能铰链。通过穿过铰链微孔的电阻丝的加热，折叠编辑的铰链可在1分钟之内恢复到笔直状态，完成太阳能电池板的快速部署。该项研究开发了适用于DLP打印的大变形-抗疲劳形状记忆聚合物光敏树脂，可以满足各类4D打印工程应用对先进智能材料的高断裂应变、高抗疲劳能力、高承载能力和适应于先进制造工艺等的综合要求。西北工业大学副教授张彪、南方科技大学博士后李红庚和博士生程健翔为论文共同第一作者。葛锜为论文的通讯作者，南方科技大学为唯一通讯单位。该项研究得到国家自然科学基金、深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室和陕西自然科学基础研究计划等项目资助。注：本文内容来自南方科技大学。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大在液晶弹性体3D打印研究方面取得新进展 2.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域 3.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 4.南科大：一种新型抛光技术，可获得纳米级超光滑表面

2021年5月28日，国际著名学术期刊《Science》发表了南航材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授团队的研究综述论文《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》（Dongdong Gu*, Xinyu Shi, Reinhart Poprawe, David L. Bourell, Rossitza Setchi, Jihong Zhu, Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing. Science 2021, 372, eabg1487）。标志着南航在基础研究和重大成果方面取得新突破。南航是本文第一署名单位，顾冬冬教授为本文第一作者和通讯作者。 同期Science主编以“跨尺度调控”为题，对论文做了亮点评述，认为激光增材制造有望变革零部件的设计方式。顾等人建议将串联式设计和成形构件的增材制造策略，变革至更为整体性的方法来优化金属构件。这种更为综合的方法将有助于减少制造所需的工序数量，并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。 高性能金属构件是航空、航天、交通、能源等现代工业的基石，且高端装备的服役性能很大程度上取决于构件的高性能。高性能金属构件多服役于极端严苛环境，故对构件的选材、制造工艺、性能/功能均提出了严峻挑战。激光增材制造（3D打印）技术是当前世界科技强国竞相发展的一项战略性关键核心技术，可满足现代工业对难加工金属构件短周期、高精度、高性能制造的重大需求。激光增材制造逐点逐域的局部成形特性，决定了工艺过程和成形性能涉及宏观–介观–微观至少6个数量级的大跨尺度形性协调，这是其核心科学挑战。传统增材制造遵循典型的“串联式路线”，即结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能；但因材料、结构和工艺等多因素耦合规律复杂，激光增材制造精确成形需反复试错，造成金属构件高性能目标实现困难。为对应上述挑战，本文提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）这一整体性概念，其概念性创新在于：变革传统的串联式增材制造路线，发展新的材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，在复杂整体构件内部同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，以主动实现构件的高性能和多功能。材料–结构–性能一体化增材制造的概念及内涵 为明晰“材料–结构–性能一体化增材制造”的科学内涵与技术途径，本文面向下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势，针对隔热/防热、减震抗冲击、空间抗辐射等多功能需求，创新发展鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝等仿生结构，并基于陶瓷/金属梯度复合材料、碳纳米管增强金属基复合材料等多材料设计与布局，实现仿生多材料整体构件的材料–结构–性能一体化增材制造及其高性能/多功能。 多功能整体构件的材料–结构–性能一体化激光增材制造：以下一代空间探测着陆器“大底”构件为例 本文定义了“材料–结构–性能一体化增材制造”的两大特征及其内涵。其一是“适宜材料打印至适宜位置”，从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局3个复杂度层级，揭示了多材料构件激光增材制造的科学内涵、成形机制与实现途径；其二是“独特结构打印创成独特功能”，揭示了拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构增材制造的本质是分别将优化设计的材料及孔隙、最少的材料、天然优化的结构打印至构件内最合适的位置，提出了基于上述三类典型结构创新设计及增材制造实现轻量化、承载、减震吸能、隔热防热等多功能化的原理、方法、挑战及对策。 材料–结构–性能一体化增材制造的特征之一：适宜材料打印至适宜位置材料–结构–性能一体化增材制造的特征之二：独特结构打印创成独特功能 本文建立了“材料–结构–性能一体化增材制造”的跨尺度实现原理及调控方法，包括微观尺度的材料组织与界面调控、介观尺度的粉末激光熔凝及致密化工艺控制、宏观尺度的构件结构与性能精确协调。本文进一步对“材料–结构–性能一体化增材制造”未来发展方向进行了总结与展望，包括更加数字化的材料创成和结构创新、更具自主决策功能的打印装备、更加智能化的打印过程、更加多元融合的打印工艺、更加绿色可持续的打印技术及应用等。 高性能/多功能金属构件材料–结构–性能一体化激光增材制造的跨尺度形性调控机制 “任何成绩都是苦出来的，成功没有捷径，唯在勤勉” 在着手进行论文写作时，顾冬冬和团队成员从2016年开始有意识地将研究发展目标定位在Science、Nature级别的论文上，一是因为增材制造技术日益成为国内外研究热点，Science、Nature每年都有增材制造论文发表，但多为欧美国家作者，形势催人奋进；二是因为团队长期聚焦金属激光增材制造基础研究，特别是2016-2017年获得国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目课题资助后，一直在潜心思考，如何在Science、Nature级别的期刊上取得高水平基础研究成果的突破。在前期有了充分的研究准备后，顾冬冬从2020年1月寒假期间开始构思写作这篇论文，2020年12月定稿并投稿，2021年2月收到评审意见并利用春节假期完成论文修改，2021年4月论文录用。面对论文最终成功发表的结果，顾冬冬说“任何成绩都是苦出来的，成功没有捷径，唯在勤勉”。 “论文写作的过程就是不断寻求突破的过程” Science论文注重概念性创新，因此在论文写作中，如何在金属激光增材制造研究领域发掘不同点、构筑创新点，是顾冬冬一直思索的问题。他在文中提出了“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的整体性概念，将传统的串联式增材制造路线，发展变革为材料–结构–工艺–性能一体化“并行模式”，“论文写作的过程就是不断寻求突破的过程”，顾冬冬教授在论文写作中精益求精，为了让阐释更为形象具体，采用“拼图”这一大家熟悉的形式，来诠释一体化增材制造的概念及内涵，这是在论文构思与写作过程中不断迭代、不断完善的概念性突破，以凸显研究思路的特色与创新。 Science论文具有高度凝练的思想。工程科学领域的论文既要面向世界科技前沿，更要面向国家重大需求。当前航空航天装备服役条件严苛化、材料–结构一体化、装备功能多样化的发展趋势，要求增材制造的材料和结构更多元异构化、工艺技术更复合化、增材制造过程更智能化，顾冬冬凝练了材料–结构–性能一体化增材制造的两大特征及内涵：适宜材料打印至适宜位置（the right materials printed in the right positions）；独特结构打印创成独特功能（unique structures printed for unique functions），为高性能/多功能金属构件激光增材制造提供普适性原理与方法。 “以更高的标准要求自己，不放过每一个细节” Science期刊具有强烈的精品意识，Science期刊及其论文在概念、思想、内容、形式等方方面面完美融合了科学与艺术、传统与现代、经典与时效。“以更高的标准要求自己，不放过每一个细节”，这是顾冬冬在论文写作过程中对自己的高要求，论文中的每一句语言、每一个措辞、每一幅图片、每一帧线条，无不体现着国际学术出版的最高标准和要求。Science论文集成了科研的创造力、想象力、理解力、表现力，而这些能力都需要在平日进行积累和储备。Science论文的录用与发表是一个艰辛而美好的过程。论文的概念创新和思路凝练，不是一蹴而就的工作，而是一个反复迭代的过程，在完成这篇论文的过程中，顾冬冬经历了反复思考、自我否定、探索修正、自我完善，直到形成新观点、新方法。在修改这篇论文时，正值2021年春节假期，顾冬冬放弃春节与家人团聚，每天工作12小时以上，利用两周时间完成全部修改工作。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址：延伸阅读：1.顾冬冬教授：航空航天领域增材制造四类典型结构及发展趋势 2.顾冬冬教授：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.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 4.2021 TCT 3D打印展精品展品（二）：性能高，结构复杂，功能强大

由于在电子设备、热管理系统和航空航天工业以及电动汽车等许多应用领域的广泛潜力，高纯铜的3D打印得到了广泛研究。然而这种材料并没有像其他金属那样获得广泛的应用，其原因在于纯铜的3D打印有几个重大的加工挑战需要解决。 由于铜的高导热性，熔体区域散热迅速，局部热梯度大，容易导致分层、卷边和零件失效；而且，铜对氧化具有高敏感性，需要对其3D打印工艺进行特殊处理；此外，纯铜还是一种高反射金属，传统的SLM技术难以对其进行加工。然而，纯铜的3D打印工艺探索并非停滞不前，而是接连取得实质性进展。本期，3D打印技术参考汇总纯铜的3D打印工艺种类。 基于粉末床熔融技术的纯铜3D打印 纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于常规激光器打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器等。因此，基于传统SLM技术的纯铜3D打印发展的始终不尽如人意。 真正的转机是绿激光和蓝激光的发展。纯铜对515nm绿激光的吸收率接近40%，对450nm蓝色激光的吸收率则达到65%，分别相当于常规SLM用红外激光的8倍和13倍。随着对短波长高功率激光器开发的克服，采用SLM技术进行纯铜3D打印开始出现转机。 2017年，Fraunhofer激光技术研究所表示正在探索采用绿激光进行纯铜3D打印；同年，日本岛津推出了100w的高功率蓝光二极管激光模块，并采用它进行了纯铜的3D打印。但对于这两家机构，目前尚未看到有专用的SLM设备推出，Fraunhofer则表示未来将创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器，稳定输出最大功率达400w的515nm波段激光。真正的商业化是在2018年，通快推出了第一款绿激光SLM打印机，该设备配备波长为515nm的TruDisk1020绿光激光器，打印零件铜含量高于 99.9％，实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。该设备将亮相今年上海TCT 3D打印展。 通快采用绿激光3D打印的纯铜器件 除激光粉末床熔融技术外，电子束对纯铜3D打印也具有优势，不过该工艺打印的零件表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈等应用的后处理带来不便。 本部分上传资料：通快、EOS纯铜材料数据表及设备资料。 基于粘结剂喷射技术的纯铜3D打印 理论上，能够用于金属注射成型的材料均可采用粘结剂喷射工艺成型。然而，该技术的代表型企业Exone在很长时间内推出的官方认证材料却只有17-4PH、304L、316L、M2工具钢等等，纯铜也一直未能出现在同技术类型公司的材料清单中。 几种纯铜3D打印工艺特点对比 实际上在采用粘结剂喷射技术成型纯铜之前，已经有学者采用SLS技术对铜和PMMA的粉末混合物进行了研究。PMMA作为中间粘结剂，在激光扫描过程中融化来粘结铜粉形成生坯，之后再进行脱脂烧结处理。这种方式其实与粘结剂喷射技术的过程类似，都是先将铜粉成型出零件的形状，只是方式不同。研究人员发现，这种间接的SLM过程，纯铜的致密度远低于理论密度（约77-78%），孔隙较多，且脱脂过程产生的杂质被留在了材料内部。 无论对于金属注射成型、粘结剂喷射还是激光烧结，合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制对于纯铜的成型来说都是关键因素。相比激光烧结，粘结剂喷射技术更容易控制粘结剂的含量，这避免了前者铜粉一次掺入粘结剂而造成的固定比例问题，在工艺调节和研究过程中更加灵活。 不同3D打印工艺制造纯铜零件的性能（参考） 此前，国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。 Digital Metal粘结剂喷射3D打印成型的散热器及扩音器天线 本部分上传资料：纯铜的粘结剂喷射成型研究；Digital Metal粘结剂喷射成型纯铜的性能数据。 基于熔融挤出技术的纯铜3D打印 2020年2月，Markforged宣布推出纯铜3D打印丝材和工艺，并成功应用于散热器和汽车制造领域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系统的纯铜材料及工艺。 Desktop Metal打印的纯铜电机座和螺旋换热器，均具有内部冷却通道 与粘结剂喷射技术一样，基于熔融挤出的金属3D打印都需要脱脂和烧结。Desktop Metal声称，新推出的纯铜材料致密度可以达到98%，能够制造具有复杂几何形状和内部通道的零件，借助其Fabricate软件可自动执行复杂的冶金过程，从而生产出密度和特征精度均与铸造相似的高质量零件。 本部分上传：Markforged、Desktop Metal纯铜材料数据表。 基于数字光处理（DLP）技术的纯铜3D打印 2021年3月，美国Holo公司宣布推出基于DLP技术的纯铜3D打印材料。采用该公司专有的PureForm技术，利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，并结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。 Holo公司的专有浆料材料特性 Holo公司的浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。 Holo 3D打印的纯铜零件 基于已经成熟的工艺，Holo着重于散热器件的开发与制造，而不是销售3D打印机。其目前的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件，并希望每年生产数百万个铜散热片零件。 END 在电子元器件飞速发展的今天，热损耗与热安全问题日益凸显，设计紧凑、高效、一体成形的散热器具有重要的应用空间，而这些特征正是3D打印相比传统加工技术最大的优势。 除热管理系统和热交换装置外，纯铜3D打印还可用于射频阴极和感应加热线圈等。对于不复杂的器件，纯铜3D打印可能并没有特别的必要，其发挥作用的空间还是在于产品开发、特殊结构制造等方面。 当前，纯铜3D打印的工艺其实还有其他种类，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有极大的发展空间，这与激光、材料和后处理技术的研究和发展密切相关。 注：本期资料均已上传qq群（共五份）。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.南科大：金、银、铜等典型高反射材料的激光增材制造 2.ExOne、DM同时宣布突破铝合金粘结剂喷射3D打印 3.铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择 4.纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度

在SLM金属3D打印过程中，激光与材料作用会产生声、光、热及振动信号，这些信号中包含着丰富的信息，能够反映加工状态和构件内部缺陷，缺陷监测对识别失败构件、预测构件性能及反馈控制尤为重要，获得准确的监测数据是实现质量控制的前提。近日，华中科技大学联合上海交大、清华和南科大共同发表研究成果，详述了当前SLM监测中用到的信号类型、监测技术和监测手段。 声信号 SLM制造过程中，由于类型、尺寸、形态、位置等因素的差异，每一种缺陷都能够产生具有独特特征的声信号，采用合适的传感器采集并识别不同信号对应的缺陷类型是SLM过程监测的关键难题，也是质量控制的重要前提。近年来，国内外学者在基于声信号对SLM过程监测方面做了大量工作。 Plotnikov等利用ISRWDCA-HT声学传感器和FLIRA56红外热成像仪监测SLM过程，建立了图像和声信号关联关系，研究了声信号特征和气孔率的关系，分析了制造过程中产生凝固断裂缺陷时声信号发生突变的原因(气孔缺陷的产生)。 SLM过程中不同孔隙率对应的声信号 Shevchik等利用光纤布拉格光栅传感器收集SLM过程中的声信号，建立声信号和孔隙率之间的关系，基于声信号实现了对SLM过程构件孔隙率的监测[93]。 （a）SLM舱室内FBG布置及信号采集系统（b）FBG监测系统原理 Gaja等通过声信号监测金属增材制造过程中的裂纹缺陷，发现裂纹引起的信号时间间隔较短，幅值较大。Kouprianoff等利用378B02麦克风对SLM过程中的铺粉高度进行监测，为了减少声信号频谱图像特征复杂程度，对频谱图采用了0-1编码处理，简化了信号特征，减少了计算量。Shevchik等利用小波变化对数据进行分析，运用深度学习进行缺陷识别，基于声信号实现了每一层质量的预测。 典型光学显微镜的横断面图像、相应的AE信号和对应的小波的谱图 综上所述，声信号可以对SLM过程状态和缺陷进行监测，同时，提取声信号特征，可以建立信号特征和缺陷的对应关系。声信号传感器的相对位置、角度等对采集到的信号有较大的影响，在布置时需要重点考虑。目前，声信号的监测主要针对SLM单轨道扫描，需要进一步开发适用于多轨道多层甚至零件加工全过程的声信号监测方案。 光信号 SLM过程中，粉层、金属蒸汽、飞溅、熔池、小孔、凝固层等产生的光信号可以通过相应的光学传感器进行监测。目前，基于光信号对SLM过程进行监测是最常用的手段。研究者采用数码相机、高速摄像机、光谱仪和光电二极管等设备采集SLM过程中的光信号，进一步提取特征，对SLM构件的质量和缺陷进行监测。下面基于不同的光信号传感器进行介绍。 工业相机 工业相机虽然采样频率较低，但成本低、分辨率较高，常用于监测粉层表面和凝固层表面质量，其与CT扫描结合可以用于确定缺陷的位置和尺寸。Gobert等采用数码相机获取SLM过程中构件每一层的形貌特征，用CT三维扫描切片作标签，基于机器学习技术，可以快速识别凝固层的不连续和正常状态。Jacobsmuhlen等发现SLM过程凝固层中凸起区域会影响铺粉质量，通过图像分析凝固层形貌特征，基于分类方法快速地识别了凝固层凸起的区域。Caggiano等根据SLM过程中凝固层铺粉前后的形貌图像比较精确地识别了凝固层缺陷。 构件切片形貌的交叉比较 高速摄像机 高速摄像机是SLM过程监测常用的手段之一，可以直观地监测熔池、小孔、飞溅、蒸汽羽烟等的行为，并快速地识别缺陷。SLM过程常见的两种高速摄像机布置方式分别为同轴和旁轴。研究人员分别在这两种方式下利用高速摄像机监测SLM过程，发现激光功率和激光扫描速度会影响熔池区域、凝固宽度、固化凝聚物直径以及飞溅等，进而影响粉末熔凝质量，而激光作用时间与孔洞缺陷也存在关系。 粉末凝结状态监测设备 包含辅助光源和高速摄像机的成像设备 高速摄像机可以直观地观测到SLM过程熔池、飞溅和羽烟等现象，基于图像提取特征、判断缺陷的产生是SLM过程监测的有效手段。采用滤波、辅助光源、衰减等方法能够获得特定区域的典型特征。准确建立图像特征与缺陷之间的关系是目前需要解决的关键问题。 光电二极管 SLM制造过程中，熔池、飞溅、金属蒸汽等产生强烈的辐射，采用光电二极管监测，可以获得丰富的加工状态和构件质量信息。Coeck等使用安装在SLM设备成形平台两侧的光电二极管组成的熔池监测系统，监测整个过程中产生的光信号，预测了气孔缺陷的尺寸和位置，气孔预测灵敏度达90%。Montazeri等采用光电二极管监测了SLM过程，应用谱图理论分析获得的数据，实现了SLM过程中材料间交叉污染的监测。 光电二极管监测熔池示意图 X射线 与其他监测手段不同，X射线可以直观地反映内部缺陷的三维形貌和位置，例如气孔、裂纹的大小和位置等。Hojjatzadeh等利用原位X射线成像技术研究了SLM过程中气孔的形成机制，观察到已经被发现的三种气孔形成机制，并发现了三种新的气孔形成机制，研究结果为降低气孔率提供了理论指导。Gögelein等利用光学层析成像技术在线监测SLM全过程，建立了缺陷与光学层析成像之间关联关系，准确识别了SLM构件熔合不良缺陷。Hu等利用X射线计算机断层扫描技术从数量、形态、尺寸和位置等方面对气孔和熔合不良缺陷进行表征，并结合疲劳裂纹扩展模型预测疲劳寿命，有效判断了缺陷的不同位置所导致的疲劳威胁等级。   高速高分辨率X射线成像系统用于在纵向视图和横向视图中捕获熔池中示踪颗粒的运动 虽然X射线能够直观地实时监测内部缺陷的形貌和位置，但X射线监测的成本较高且需要加强防护，尤其是高速高分辨率X射线原位观测成本更高，其一般用于对其他监测手段进行校核和验证。 熔合不良缺陷的光学层析成像和计算机断层扫描结果 上述研究表明，基于光信号的SLM过程监测能够直观地反映粉层、熔池、飞溅和气孔等信息，是目前应用最多的SLM过程监测手段之一。近年来，光谱仪、激光超声等手段也逐渐应用于SLM过程光信号的监测。 热信号 热传递是实现SLM过程的驱动力，熔池的形成与动态行为、液态金属的冷却与凝固、凝固层的热循环等都与热传递有关。SLM过程中复杂的温度历程对构件的微观组织、残余应力、变形等有直接影响，均匀的温度分布会形成质量良好的构件，不合理的温度分布会影响构件结构的完整性和质量。因此，研究热行为对保证SLM构件质量具有重要意义。 用于SLM过程温度监测的传感器可以分为两种类型：一类是高温计，另一类是热成像仪（可以看作高温计阵列）。高温计只能测量局部区域温度，而热成像仪可以测量整个区域温度。此外，热电偶也能测量SLM过程中的温度且成本较低，但其只能测量固定点的温度，且需接触被测物体，一般置于基板底部测量SLM过程的温度历史，然而，高温计和热成像仪不需要和被测物体接触，可以测量运动熔池的温度。 Krauss等将视场区域为160mm×120mm中等分辨率的红外摄像机安装在SLM设备的外部，与打印平台成45度角，以监测制造过程中凝固层的温度分布及其随时间的变化，通过研究熔池面积变化来监测工艺偏差。 SLM过程红外相机旁轴监测系统 Zheng等采用同轴红外热成像仪监测对TC4合金在SLM成形过程中熔池温度进行跟踪和监测。根据熔池温度梯度分布特征提取熔池边界，通过熔池边界来预测单个轨道的宽度。 SLM成形过程红外热成像仪同轴监测系统 基于红外熔池温度图像提取熔池边界预测单轨道宽度 Lane等采用分辨率为1280×1024，最大帧率为120帧/秒的高速、高倍原位热成像仪，对SLM过程熔池区域的等离子体羽烟和金属蒸汽等多种现象进行观测。Jalalahmadi等通过集成在商用SLM设备中的高频红外摄像机连续监测熔池，利用CT扫描对制造件的气孔位置和大小进行了表征，建立了红外传感信号与气孔的关系。Zhirnov等使用红外相机研究了扫描速度和激光功率对熔融区温度的影响。Barua等根据裂纹缺陷处热导率较差、温度不均匀的特点采用高速摄像对金属增材制造过程裂纹缺陷进行监测，实现了裂纹的实时监测。 温度监测的难点在于材料的辐射率不易获得，辐射率与材料的形态、温度分布等关系密切，即便已知材料在常温下的辐射率，但在SLM过程中，材料的形态有粉末态、液态、固态及气态，而且不同位置的温度有差异。因此，粉层表面辐射率并不是常数，而是随材料状态、空间及温度变化，获取SLM过程中的辐射率是非常困难的。一个有 效的解决办法是采用双色高温计和红外热成像仪相结合，因为双色高温计对辐射率的变化不敏感，可以用来校核红外热成像仪，这方面的有待进一步研究。 振动信号 SLM过程中的振动信号也能很好地反映加工状态和构件质量。通过振动信号可以判断SLM过程中熔透深度、裂纹、铺粉质量等。 Kleszczynski等采用加速度传感器监测SLM过程中的振动信号，该系统使用集成在铺粉机构上的压电式加速度计采集铺粉机构和制造平台之间的振动信号，确定了维持铺粉装置制造过程中稳定的上升临界值。 SLM过程中铺粉辊的运动、小孔的形成、熔池的波动等均会产生振动信号，采用加速度传感器监测振动信号，也能为SLM过程监测提供一种有效手段。目前，基于振动信号对SLM过程进行监测的研究比较少，尚需在传感器的选择、布置、信号收集与处理方面进行深入研究。 集成于铺粉装置上的加速度传感器 多信号融合 采用单一的传感信号仅能反映加工过程中的某一方面信息，不能全面地反映加工状态和缺陷信息，导致监测的信息不全，且监测的准确性不足，而采用多种传感器采集多方面信号能够比较全面的反映加工状态，使监测准确性大大提高。 下表列出了近年来基于多传感技术对SLM过程进行监测的相关报道，可以看出，多传感多信号融合正逐渐成为增材制造过程监测的研究热点。 SLM 过程多传感信号和监测 Furumoto等利用高速摄像机监测粉床熔化过程图片，并采用双色高温计监测工件表面温度，分析了粉末融合状态与表面温度的关系，为基于表面温度控制粉末熔合状态提供了参考。Daniel等以三个光电二极管为主体构成的光学原位同轴监测系统，对SLM过程的熔池状态进行监测。Demir等设计了包含两个摄像机和一个二极管组成的同轴多传感监测系统，通过信号强度的变化监测马氏体时效钢SLM制造过程的缺陷。Montazeri等集成了光电探测器、高速相机、红外热感摄像机三种传感器对SLM过程进行监测，将采集到的信号转换为低维加权无向网状图，进而对加工零件的边缘和内部加工条件进行区分。Yedra等利用热成像仪、基于双波混合干涉仪的激光振动计和Eta250无膜光学麦克风对增材制造过程进行监测，很好的监测了分层裂纹和热影响区裂纹。 多传感器监测布局示意图 END 由于工艺的特殊性，SLM过程监测的难点在于：与激光焊接相比，SLM过程材料熔凝速度快、熔池尺寸小，缺陷尺寸较小，监测的难度大；同时，熔池周围存在羽烟、飞溅粉末等多种干扰源，严重影响监测信号的精确度。针对前者需采用高分辨高采样频率的传感器；针对后者，可以采用辅助光源、滤波片和衰减片等手段。同时，羽烟、飞溅本身也包含丰富的信息，可以作为信号源进行监测。 目前较多采用的是高速摄像机和红外热成像仪，其中红外热成像仪的测量精度亟需提高。此外，麦克风、加速度传感器、激光超声、X射线和光谱仪等也逐渐被用于SLM过程监测。为进一步提高监测和识别的精度，采用多传感器监测，并将多信号融合已成为SLM过程监测的发展趋势。 内容来源：曹龙超,周奇,韩远飞,宋波,聂振国,熊异,夏凉.激光选区熔化增材制造缺陷智能监测与过程控制综述[J].航空学报:1-37欢迎转发关注 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SLM过程中的缺陷类型、产生原因及其造成的不良影响 2.西空智造推出国产金属3D打印在线监控系统 3.使用光学层析成像识别制造过程缺陷，保证3D打印部件质量 4.惠普Meta Jet和SLM技术打印零件的疲劳性能对比分析

3D打印材料是3D打印产业中不可或缺的一部分，3D打印材料技术水平直接影响到3D打印产业的发展。多方因素助力3D打印材料行业发展，我国3D打印材料市场规模不断壮大，在3D打印行业中的比重也水涨船高。由于3D打印在装备制造业中应用较广，金属类3D打印材料的需求也变得越来越大，未来我国3D打印材料行业将逐一解决行业发展痛点，不断向更高质量，更严标准，更多产品的方向发展。本文内容来源于前瞻产业研究院。 3D打印材料产业全景图 3D打印材料是3D打印产业中不可或缺的一部分，3D打印材料技术水平直接影响到3D打印产业的发展。近年来，国家层面对我国3D打印材料行业重视程度不断加深，基本形成了较为成熟的产业链。 3D打印材料上游为基础材料供应以及初加工，例如有色金属行业、橡胶加工行业、塑料加工行业、陶瓷加工行业等，为3D打印材料提供符合标准的原材料。 中游产业为3D打印材料产业链中最重要的一环，通过各种技术手段对原材料进行加工，使其成为符合3D打印标准的3D打印材料，目前主流的3D打印材料有金属粉末材料、光敏树脂材料、光固化树脂材料、生物材料、工程塑料材料以及非金属类材料等等。 下游产业为3D打印制造，随着技术的进步，3D打印制造应用场景越来越广泛，应用在工程机械、航空航天、生物医药、汽车制造等领域。 3D 打印技术最早应用于各类原型的快速制造，故在早期也被称为快速原型技术(Rapid Prototyping，RP)。早期的3D打印技术由于材料种类的限制，大多使用有机高分子材料，其机械、化学性能大多难以满足实际应用的需求。随着材料技术与装备技术的发展，将该技术应用于终端零件制造的愿望越来越迫切，因此不仅对3D打印装备提出了更高的要求，对3D打印材料各项性能的要求也日益提高。 3D打印材料是3D 打印技术重要的物质基础，它的性能在很大程度上决定了成形零件的综合性能。发展至今，其材料种类已经十分丰富，主要种类包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。 政策分析：政策助推市场规模 随着全球3D打印行业的日益发展，3D打印行业越来越受到国家的关注，而3D打印材料作为3D打印的先行行业，在推动我国3D打印整体发展上扮演着重要的角色。 从积极方面看，国家层面出台了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》、《重大技术装备和产品进口关键零部件、原材料商品目录》、《国家支持发展的重大技术装备和产品目录》、《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》等对3D打印材料行业起推动作用的政策，这些政策从制定行业发展目标、给予财政补贴、列入重点领域等方面对3D打印材料行业的发展给予支持。 2020年11月19日，国家市场监督管理总局(国家标准化管理委员会)批准《标准化工作导则 第2部分：以ISO/IEC标准化文件为基础的标准化文件起草规则》等586项推荐性国家标准和2项国家标准修改单，其中包含8项关于3D打印的标准，分别如下，这些新标准将于2021年6月1日起开始实施。 作为决定3D打印技术发展进程的一项重要因素，3D打印材料的地位逐渐提高。随着3D打印技术的一步步普及，对于材料的需求也在飞速上涨。据悉，目前3D打印材料在3D打印行业中的市场规模占比约为24.1%，结合3D打印行业的整体市场规模，可以测算出全球3D打印材料市场规模。2017-2019年，全球3D打印材料市场规模逐年上升，2019年全球3D打印材料市场销售规模为28.8亿美元。 近年来，我国3D打印市场应用程度不断深化，在航空航天汽车、船舶、核工业、模具等领域均得到了越来越广泛的应用。3D打印技术已经成为航空航天等领域直接制造机修复再制造的重要技术手段。在汽车、船舶、核工业、模具等领域成为产品设计、快速原型制造的重要实现方式。 2017-2020年，我国3D打印产业规模逐年增加，增加速度要略快于全球整体增速，以致于我国3D产业占全球的比重在不断增加。根据2020年3月赛迪顾问发布的《2019年全球及中国3D打印行业数据》，2019年，中国3D打印产业规模为157.5亿元，较上年增加31.1%。 市场结构：非金属材料占主导 2019年，中国3D打印材料产业结构中，非金属材料产业规模25.38亿元，占比最高，达到62%;金属材料产业规模15.56亿元，占比38%。 根据IDC的对3D打印材料调查数据，2018年金属耗材占比为39.4%，低于塑料的40.4%，主要由于金属打印的产业化正处于快速扩张阶段，设备端的增长领先于材料消耗的增长。非金属3D打印通常使用塑料、树脂材料等，金属3D打印通常使用各类合金粉末和线材。 相比传统制造模式，非金属3D打印的优势主要在于无模化和可定制，但受限于材料性能，其主要用于样品和模具的生产，量和价都很难起来;而金属3D打印除了具备无模化可定制优势外，在打印效率和打印质量上相比传统金属加工工艺均有较为明显的提升，甚至能够完成传统工艺无法制造的高复杂度高精密度零部件的打印，具有更大的发展潜力。 竞争格局：国外产业化进程远超国内 我国3D打印材料市场主要由国内大型公司和国外3D打印材料公司占据，从材料产品种类来分，可以分成金属粉末材料、光固化树脂、线材和非金属材料。下面为我国3D打印材料市场中主要的国内外公司： 根据前瞻对公开信息的整理，2019年-2020年全球3D核心材料相关事件仍以工程塑料为主、金属材料为辅。从全球3D打印材料的事件来看，国外的3D材料研发机构广泛，覆盖军方、大学和企业，而中国的3D打印材料研发仍集中在科研院所端，产学平台暂未建立。 发展趋势：3D金属材料欲乘风起 众所周知，塑料材料一直朝着高强度方向发展，通过增强塑料强度用来直接替换金属用于各类复杂构件，既便宜又质轻，从而使塑料材料在3d打印制造中被广泛应用。此外，塑料材料还可以避开缺陷向复合化、功能化方向发展，特别是实现多元材料复合，进而赋予塑料特定功能。 例如，通过3d打印技术制造工艺复杂的智能材料、光电高分子材料、光热高分子材料、光伏高分子材料及储能高分子材料等新材料;利用生物塑料的生物相容性向医学人体组织发展，3d打印在细胞、软组织、器官及骨骼等方面仍具有巨大应用空间，尤其在组织工程应用中具有独特优势。 可以预见，在今后10 年内，塑料材料将仍将是不可或缺的3D打印材料，同时麦肯锡公司(McKinsey & Company)发布的一份报告指出，金属3d打印的市场价值将在未来15年内飙至100亿美元。航空航天产业为例，金属3D打印能满足其对于结构设计、材料和制造工艺的需求，在保证性能的前提下能大幅减轻零部件质量，同时还能有效缩短零部件的制造流程。 金属 3D 打印工艺中金属粉末质量是影响最终打印部件结构及性 能的关键因素之一，目前国内制粉水平接近国外但仍有差距。金属粉末质量越好，粒径越小，其打印出的产品致密性、机械性能越好。 2013年国外公司3D Systems制出的粉末粒径为6-9μm，国内钢研高纳2019 年生产粉末粒径为 10μm。铂力特公司建成的粉末生产线，可用于其 自制的 3D 打印设备，提高打印产品质量。根据铂力特招股书，其研制粉末粒径最低为 20μm 左右，与国内外先进公司有一定差距。 金属增材制造技术发展中有三个重要的因素，设备、材料和工艺，国内目前在这三方面还有提高的空间。为了扩大3D打印技术的应用规模，金属增材制造技术正在朝着低成本、大尺寸、多材料、高精度、高效率方向发展。 3D打印的快速增长主要依赖于建筑、工业机械、汽车，航空航天、牙科和医疗产业的增长。3D打印技术的发展，材料是一项重要因素。目前塑性粉末和光敏聚合物材料在3D打印作业中的应用最为广泛。由于3D打印科技工具用方向逐步转向最终产品生产应用，金属打印材料会占有越来越多的市场份额，金属材料份额比重2025年将超过60%。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2020年全球3D打印市场规模（设备、材料、服务）发展情况 2.中国财经报：增材制造强力赋能制造强国建设 3.新型材料助力3D打印行业的循环经济之路 4.工艺人员会失业吗？开启金属3D打印，并没有你想得那么难

本文系统研究了SiC对粉末床熔融复合材料致密化行为、组织演变、晶体取向、力学性能和摩擦学性能的影响。随着碳化硅含量的增加，显微组织由等轴转变为枝晶，这与不同的温度梯度有关凝固速度。碳化硅的加入影响晶体取向并导致晶粒细化到316L。此外，经过激光处理后，微米级碳化硅颗粒被细化到纳米级，这在316L基体中引起大量位错。添加SiC后，316L材料的强度和摩擦学性能得到了显著提高，其中9vol% SiC增强MMC的抗拉强度约为1.3GPa，磨损率为0.77×10−5mm3/Nm。 激光粉末床熔化粉末添加剂制造技术是一种很有前途的粉末添加剂制造技术，通过高能激光束对金属粉末进行选择性熔化，可以制造出尺寸精度高、几何形状复杂、性能理想的零件。由于开发周期短、提前期短、材料和成本效率高，LPBF在从设计概念到大批量生产的材料开发方面具有独特的优势。此外，与传统制造的零件相比，快速冷却速率可导致晶粒细化和定制的微观结构，改善机械性能。 LPBF处理的316L不锈钢由于延展性好，强度高和突出耐蚀性广泛应用于汽车航空航天和生物医学等。然而，由于硬度低、耐磨性差，在恶劣的工作条件下仍存在巨大的挑战，这阻碍了它的广泛应用。例如，316L部件在承受重负载或高磨损工作条件时容易出现故障。 碳化硅颗粒具有低密度、高硬度和优异的耐磨性，被广泛用作增强材料。碳化硅颗粒被证明是钢中理想的增强颗粒可湿性用铁并且比钢更高的激光吸收无疑将有助于良好的成型性。然而，关于碳化硅增强316L金属基复合材料的研究相对较少，缺乏对其微观结构演变、晶粒取向、摩擦学和力学性能随碳化硅含量变化的系统研究。 在此，华南理工大学谭超林团队研究了SiC对LPBFed复合材料致密化行为、组织演变、晶体取向、力学性能和摩擦学性能的影响。所获得的强度和耐磨性在文献中处于最高水平。结果突出了通过AM进行原位加工MMC的能力，其优异的性能规避了对传统材料的苛刻要求。相关研究成果以题“Additively manufactured SiC-reinforced stainless steel with excellent strength and wear resistance”发表在金属顶刊Additive Manufacturing上。 图1 原料的形貌和粒度分布:(a) 316L和(b) SiC粉末的形貌，(c) 316L和SiC粉末的粒度分布 图2a显示了SiC含量对LPBFed复合材料和316L试样相对密度和孔隙率的影响。可以清楚地看到，SiC的加入影响了试样的致密化行为。SiC含量从0 vol%增加到12 vol%，样品的相对密度从7.90 g/cm3显著降低到7.62 g/cm3。SiC的加入使熔体的孔隙率从0.13%增加到0.69%，这是由于熔体池润湿性降低所致。图2b-d为LPBF试件水平截面OM图像。尽管采用了优化的工艺参数，但织构表面仍存在一些缺陷(如气孔和裂纹)，这些气孔也可能来自于抛光过程中氧化夹杂的拔出。随着SiC含量不断增加到12 vol%，基体中出现了大量的长裂纹，这是由于残余应力的增加和塑性的降低造成的。 图2 孔隙度和阿基米德密度，以及LPBF生成的316L和MMCs的OM图像 图3为S6 MMC水平截面的典型OM图像。如图3a所示，出现了连续的、良好的冶金结合激光轨迹。相邻层之间夹角约为67°，与层间旋转扫描策略一致。研究认为，良好粘结轨道和层旋转可以改善的密度和力学性能。图3b为激光轨迹放大图;重叠区域主要为树枝状凝固组织，胞状凝固组织。 图3 LPBF生产的S6 MMC的OM图像从水平截面 图4显示了SiC添加对LPBFed 316L和MMCs显微结构特征的影响。所有试样内部都存在细小的胞孔结构，这是lpbf制备样品的典型凝固结构。在激光加工[28]过程中，这种结构会在瞬间熔化和快速凝固条件下以极高的冷却速率形成。细胞边界是一种亚晶界，可能是由成分偏析引起的。从图4中可以看出，LPBF生产的MMCs试样凝固组织随温度的升高而变化 图4 对LBPF生产的316L和MMCs (a-f和i)的SEM显微结构和S12 MMC (g和h)的EDS映射分析 图5 对LBPF制备的316L的TEM分析:(a)亮场图像显示高密度位错，(b)高分辨率TEM图像(嵌入SADP)显示奥氏体相 图6为LPBF制备的S6 MMC的BF-TEM图像，该图像研究了SiC颗粒的形貌以及SiC与316L基体之间的界面。图6a显示316L基体中存在高密度位错，这是由于基体与SiC颗粒之间的热膨胀系数(CTE)不同造成的。高分辨率TEM图像显示了SiC与316L基体之间的界面形貌，表明SiC与金属基体之间有良好的结合。相应的快速傅里叶变换(FFT)拍照界面区域在图6e进一步演示界面位错的存在，“T”符号在第二区域即晶格畸变的区域可能是由于内部残余应力和CTE SiC颗粒与基体之间不匹配。 图6 TEM分析LPBF-fabricated S6 MMC: (a)和(b) BF-TEM形象LPBF-fabricated S6 MMC显示较高的位错密度和碳化硅颗粒，(c) BF-TEM图片与插入SADP碳化硅粒子，粒子(d) EDS映射分析，(e)和高分辨率透射电镜图像和相应的FFT界面区域的图像。 图7 SiC粉和lpbf制备的316L和MMCs的XRD谱图:(a)全谱图，(b)和(c)局部放大谱图 图8 对LPBF制备的316L和S6 MMC的EBSD分析: (a)晶界图，(b)颜色反极图(IPF)，(c)极图(PFs)；(d) lpbf制备的S6 MMC的晶界图，(e) IPF和(f) PFs 图9 本文研究的LPBF制备的MMCs的力学性能与文献进行了比较 图10 LPBF制备的 mmc的强化机制 总之，碳化硅的加入影响了显微组织的形态和织构。随着碳化硅含量的增加，金属基复合材料的微观结构由等轴向枝晶转变。碳化硅颗粒促进了< 001 >择优结晶取向的形成大角度晶界在金属基复合材料中，这可能分别是由沿构建方向的温度梯度增加和由CTE失配引起的高残余应力引起的。碳化硅的强化主要表现为晶界强化、Orowan强化、位错强化和载荷转移强化。 欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响及提高粉末重复使用性的方法…

材料和结构的破坏与局部机制有内在联系，包括易延性金属、脆性陶瓷、离散泡沫和空间桁架，通常会发生高度局部变形。剪切带和裂纹表面的形成，以及壁和支柱的屈曲，可能会发生连锁反应，而系统的大部分未承受临界载荷。为了打破这种已建立的范式，来自加州大学尔湾分校和佐治亚理工学院的研究人员们展示了使变形非局部化的3D打印张力超材料，可以使变形离位以防止失效。 研究人员通过张拉整体性（Tensegrity）设计原则，将孤立的刚性杆集成到柔性的绳索网格中形成一种非常轻便的自张紧桁架结构。然后从950纳米直径的元件开始，使用先进的直接激光写入技术来生成尺寸在10-20微米的基本单元，制成由八个单元构成的超级单体，这些单体可以组装形成连续的结构。 研究人员通过建模和实验观察到，这些构造表现出了独特的均匀变形行为，而没有局部应力过大或利用不足的现象。研究显示，新的超材料的可变形性提高了25倍，其能量吸收能力比最好的晶格排列提高了一个数量级。 4%相对密度八位体试样的单轴压缩实验。视频给出了原位静态框架和相应的变形图、应力-应变响应和离域效率曲线 张拉整体结构已经被研究了几十年，尤其是在建筑设计领域，最近在许多生物系统中也发现了它们的存在。几年前，佐治亚理工学院的Julian Rimoli才在理论上对适当的周期性张力晶格进行了概念化。正是通过该项目，该研究团队实现了对这些超材料的首次物理制造和性能演示。 这种基于微米级桁架和格栅的极轻便但具有很好强度和刚度的传统结构可以通过增材制造技术来制造，具有替代飞机、风力涡轮机叶片和许多其他应用中较重结构的潜力。尽管这种材料具有许多理想的品质，但它们也像任何承重结构一样，在过载的情况下仍然易于遭受灾难性破坏。 4%相对密度开尔文试样的单轴压缩实验。给出了原位静态框架和相应的变形图、应力-应变响应和离域效率曲线 在纳米结构材料中，失效通常始于高度局部的变形。一个区域内的剪切带、表面裂缝以及壁和支柱的屈曲会引起连锁反应，从而导致整个结构坍塌。研究人员解释说，当受压构件屈曲时，桁架格栅开始坍塌，因为受拉的桁架无法承受。通常，这些部件在公共节点处互连，这意味着一旦失效，损伤会迅速扩散到整个结构中。 基本单元以及由多个单元构成的超级单体 相反，张拉整体结构的压缩构件形成闭环，彼此隔离，仅通过拉伸构件连接。因此，受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传播，如果不断裂，则不会经历不稳定性。向下压拉张整体系统，整个结构将均匀受压，防止局部损坏，否则将导致灾难性的破坏。 借助3D打印开发的超材料进行压缩试验 张拉超材料显示出前所未有的抗破坏性、极好能量吸收性、可变形性和强度，胜过了所有其他类型的最新轻型结构。该团队的研究为高级工程系统的设计提供了重要的基础，从可重复使用的冲击防护系统到自适应的承重结构。 该研究得到了美国宇航局（NASA）和国家科学基金的资助，相关论文《Tensegrity Metamaterials: Toward Failure‐Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation》已在Advanced Materials期刊上发表，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.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.前沿研究丨基于神经网络的机器学习方法在增材制造全链条中的应用 3.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 4.航空航天领域增材制造四类典型结构及发展趋势

2021年3月26-27日，由中国增材制造产业联盟和国家增材制造创新中心指导，江苏睢宁徐州空港经济开发区主办的“2021增材制造材料创新发展论坛”在江苏省睢宁县徐州空港经济开发区隆重召开。 论坛期间，中国增材制造产业联盟发布了《中国增材制造产业年鉴（2020年）》。这是第一本专注于增材制造领域的资料性工具书。 《年鉴2020》是由工业和信息化部装备工业发展中心指导，中国增材制造产业联盟组织行业企业、高校及科研机构、行业组织编写，集权威性、专业性、指导性、学术性和综合性于一体的工具类书籍。 原航空航天工业部部长、中国增材制造产业联盟荣誉顾问林宗棠先生为本书题词“创新发展、增减结合”。 编委会数十位专家，历时一年半，经过严格审核，数十轮的修改和讨论，最终完成本书。 全书共十一个章节，分别从发展历程、国家战略、细分行业、技术创新、典型应用、地区概况、重点企业、行业组织、国际合作、科学研究和当下热点等多个角度，全方位介绍了中国3D打印行业。 参与本书编制的专家涵盖高校、协会的学者顾问和材料、装备、软件、器件、应用等产业上下游公司的企业家们，看看你所在的学校、单位是否也在编制组？ 本书将在京东、当当等购书平台上架，具体上架时间请关注联盟公众号。 批量购买也可致电中国增材制造产业联盟秘书处。 联系人 于灵：15010934019 郭丹：15210439049 中国增材制造产业联盟成立于2016年10月19日，是在工业和信息化部指导下，由增材制造领域的企事业单位、高等院校、科研机构、产业园区等128家相关单位，按照自愿、平等、互利、合作的原则，共同发起组成的跨行业、开放性、非营利性的社会组织，秘书处设在工业和信息化部装备工业发展中心。现有联盟成员300余家，是中国增材制造领域层次最高、规模最大的行业组织。 联盟坚持开放、创新、合作、共赢的工作原则，立足于为我国增材制造产业搭建合作与促进平台，致力于支撑行业管理、聚拢行业资源、营造创新环境、促进交流合作，助力中国增材制造产业发展壮大。