2019年11月21日，在德国不来梅举办的欧洲航天技术博览会上，一些航天设备制造商表示他们完全看好3D打印将带来制造技术的革命，但也指出大家对这项技术的期望不要过高。这到底是为什么呢？ 3D打印经过30多年的发展早已不再是什么新鲜事物，小到儿童玩具和纪念品，大到火箭、飞机的承力结构，都有它的身影。在如今的航天产品制造过程中，可以说采用3D打印早已不是新闻，不采用3D打印才是新闻。 航天领域新旧运营商均积极拥抱3D打印 在液体火箭发动机制造领域，3D打印的应用已经非常普遍。国内民营航天领域，深蓝航天和蓝箭航天率先开启了全3D打印的火箭推力室的制造和实验，两家公司在去年均完成了不同科目的热试车。 中国深蓝航天采用选区激光熔化3D打印工艺制造的液体火箭发动机推力室 国外火箭制造领域，应用3D打印最激进的当数Rocket Lab的电子火箭。该公司的卢瑟福发动机主要部件均采用3D打印，每次打印需要24小时。截至2019年7月，Rocket Lab取得了里程碑式的进展，成功完成了第100台3D打印火箭发动机的制造，其中70台已经投入太空使用。 Rocket Lab 3D打印的火箭发动机 此外，老牌航天公司也积极拥抱3D打印。以美国液发领域最具代表的洛克达因公司为例，该公司的拳头产品之一RL-10系列膨胀循环氢氧发动机，服役超过半个世纪。但一直以来，该发动机的制造成本始终居高不下，单台采购报价曾高达3000万美元。 2017年，洛克达因公司在RL-10C-X项目中使用3D打印制造铜合金推力室和喷注器，替代了原有的钎焊不锈钢管阵列，周期缩短一半，不仅零件数从28个减少到6个，还消灭了上百条焊缝，并经历了超额定功率试车的严峻考验。 含有3D打印核心部件的RL10C-X火箭发动机热火测试 NASA多年来一直在开发面向增材制造的火箭发动机高温合金，并相继有GRCop-84（Cu-8% Cr-4% Nb）和GRCop-42（Cu-4 % Cr-2% Nb）等材料面世。2019年5月，卫星发射公司Virgin Orbit采用GRCop-84铜合金和增减材一体制造工艺为NASA打印了发动机燃烧室，其几何形状与传统设计相同，但工程师能够使用不同材料更快地构建腔室。3D打印为推力室的制造节省了数月时间，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。 采用增减材一体制造工艺生产的火箭发动机推力室 对于复杂零件，采用传统的“车钳铣刨磨”等材料去除方式时，需要逐个加工零部件，再经装配而成，而3D打印能够一体成型，甚至支持不同材料混合打印，免去了繁复的机加工、焊接和装配流程，使成本和制造周期呈几何倍数下降。 在原型阶段，3D打印可节省工装、开模等成本，能快速适应设计团队的变更。而在实际产品阶段，尤其是基于金属粉末和激光烧结技术的成品，不仅能够快速成型出一体化零件，同时其凝固组织亚结构细小，不但没有因3D打印而降低力学性能，反而零件的力学性能普遍优于铸造件，部分甚至接近同成分锻件。 3D打印正逐步介入到安全和可靠性要求最为严格的载人航天器上。 基于该技术的逐步成熟和应用的不断深化，一些企业开始将3D打印应用于载人航天器。 2020年1月19日，SpaceX“龙飞船”高空逃逸测试成功，验证了载人飞船在发射过程中遭遇最极端状况时的逃生能力，这是其进入太空前的最后一个重要测试。“龙飞船”逃逸发动机—SuperDraco也大量采用了3D打印技术。因为发动机紧贴航天员所在的加压舱舱壁，对安全性和可靠性要求极高，而同时其内部几乎所有的冷却通道、喷油头和节流系统采用传统工艺都很难制造，而采用3D打印则可以自由成型。此外，发动机的核心部件—燃烧室，采用镍基超合金实现了选区激光熔化3D打印制造，蜂窝状的燃烧室喉部支撑结构一次成型。 spaceX“自爆”测试成功 除Spacex外，洛克达因公司为“猎户座”制造的姿控发动机喷管延伸段也采用了增材制造技术。该发动机是洛克达因公司首次将3D打印应用在载人飞船上。 “猎户座”姿控‍发动机热火测试‍ 但我们也要看到，3D打印发展至今仍有其局限性，在航天领域并不是“万物皆可打印”。 其中的原因首先在于3D打印局限于工作原理，在材料上有适用范围。以液体火箭发动机为例，3D打印对零件的体积和结构都有要求，高能激光束反复熔融过程不亚于对金属进行反复热处理，累计的应力和冷却不均匀等问题会导致大尺寸或承力零件内部出现裂纹和孔隙。 其次，目前的3D打印成品受限于技术水平，很多时候精度有限，在实际装配之前大多离不开传统机械加工。从结构复杂性看，3D打印技术确实可以用来制备结构复杂的大型零件， 然而结构越是复杂，其后续机加工步骤也同样越复杂。因此采用3D打印技术制备复杂结构件对机加工技术同样有强烈的依赖性。对于一些无法进行机加工的复杂结构件来说，即使采用3D打印技术制造出了近净成形的毛坯也没有任何意义。 3D打印的产品尚离不开机加工等后处理手段 还有，某些型号产品进入大批量生产后，相较传统专用工装、模具支持下的批量生产模式，只能逐一制造的3D打印在生产效率上的优势会迅速丧失；而且随着批次的增加，传统设备和模具成本被不断摊平，3D打印产品在成本上也很可能优势不再。即使对于小批量产品，3D打印工艺与常规变形工艺的原材料制备成本差异也很大。 最后，某些结构复杂的3D打印零件也为质检工作带来了新的挑战，比如喷注器，以往只需要在装配前对零件进行逐个检验，但一体成型后只能一次完成，难度陡升。 相比而言，3D打印技术更适合于原材料成本高、战略意义重大、形状结构复杂的金属材料。 END 在航空航天领域的各类型号产品中，除去部分铸造、粉末冶金结构件外，大部分金属结构件都是由板、棒、管等型材和异型材组合而成，这些型材可通过传统的变形工艺得到。因此，通过传统的变形制造工艺，基本可以满足绝大部分金属结构件的制造和性能指标。 只有在结构特别复杂或外形独特、常规方法不便制备、结构件成形一体化（无焊接或其他方式连接等）等需求时，才可能有必要尝试3D打印的方法进行制造。从目前来看，在火箭、卫星等产品制造领域，3D打印是绝佳的补充，暂时称不上彻底颠覆和替代，只有根据产品本身需求和特性合理组合运用增材制造和传统制造，才能最大化两者优势，真正节省时间和成本。 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.Rocket Lab生产第100台3D打印的火箭发动机 2.采用3D打印工艺--深蓝航天液体火箭发动机整机变推力长程试车圆满成功 3.航天529厂助力中国卫星3D打印产品在轨应用常态化 4.2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例

首先，我们来介绍金属3D打印技术—SLM工艺的制造局限性： 1. 在开发新应用时，几乎不可能不重新设计零件就直接打印，而且通常需要进行反复的重新设计才能满足3D打印的要求。这些前端设计工作也造成了交货周期的延长。 2. SLM技术的过程一致性和可重复性一直以来都被怀疑。 3. 支撑问题难以摆脱。为了防止零件翘曲变形，必须预先知道支撑添加的位置并进行设计；打印完成之后还需要繁琐的去除过程。这些冗长且不稳定的前后处理过程，也会给零件带来差异性。 将这几项因素叠加，就会发现金属3D打印的概念虽然很先进但似乎并没有达到所需的速度和可重复性。如何在物理上尽可能地消除支撑结构，以减少并最终规避这些问题，成为传统SLM技术急需突破的问题。（《无支撑金属SLM工艺对企业的影响》电子书已上传QQ群） SLM技术的支撑结构很让人无奈 无支撑SLM技术正在获得航空航天客户的青睐 2月11日，霍尼韦尔航空航天公司宣布与VELO3D建立合作伙伴关系，前者将利用其在飞机部件增材制造方面的丰富经验来验证VELO3D的无支撑金属3D打印技术。 VELO3D蓝宝石（Sapphire）金属3D打印机于2018年8月发布，是一种端到端的增材制造系统，通过软硬件组合方案解决粉末床激光熔融技术所固有的许多挑战，包括设计限制、过程控制和一致性。此外，高度受控的气氛、使用模拟软件进行构建准备以及现场质量控制确保了制造业一直在追求的可重复性。作为认证工作的一部分，VELO3D开始在霍尼韦尔航空航天公司的工厂安装该系统。 VELO3D蓝宝石（Sapphire）金属3D打印机 据霍尼韦尔航空航天公司介绍，选择Sapphire AM系统的根本原因在于它可以无需支撑结构即可构建高度复杂的几何形状，从而缩短了生产周期并降低了成本。该公司通过对Sapphire AM系统鉴定，目标是打印在现有金属3D打印机上无法制造的几何形状。 霍尼韦尔航空航天技术和高级运营高级总监SöerenWiener博士解释，“VELO3D的技术将帮助霍尼韦尔开发新应用，同时还满足我们对认证材料的要求。我们打算通过在生产环境中进行重复性测试（包括打印和后处理）来对该设备进行鉴定，从而获得一套可接受的材料性能数据和组件认证流程。” VELO3D打印的复杂结构 霍尼韦尔将首先专注于对Inconel高温镍基合金的鉴定。作为资格认证的一部分，VELO3D将协助其开发参数以优化材料性能。 END 据报道，VELO3D此次是与霍尼韦尔（中国）达成的合作。在2019年， VELO3D还向一未公开的航空航天客户提供了四台打印机；同年，该公司还与超音速客机创业公司Boom Supersonic达成合作，双方共同开发XB-1超音速喷气飞机。 很明显，航空航天客户格外看好这一推出还不到两年的新型SLM系统。笔者认为，相比传统的SLM技术，新工艺将进一步解放设计，解放后处理过程，进一步降低制造成本并缩短制造周期。 关于VELO3D的技术我们此前已经介绍过很多，本篇不再过多赘述，详细内容可查询延伸阅读。 注：本期上传内容为《无支撑金属SLM工艺对企业的影响》电子书。 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.金属打印批量化：SLM无支撑系统PK HP与Desktop Metal 2.velo3D：激光对齐校准将严重影响大尺寸零件的打印质量 3.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性 4.金属3D打印最优前沿(三)：大水平面无支撑工艺探索 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：为规避SLM的制造局限性，航空航天公司选择新型金属3D打印机

金属一直以来都是机械制造中的主力，因为金属的强度、刚度要远远好于塑料、橡胶、木材等非金属材料，所以很长一段时间内，金属的作用很难被替代。 但是随着材料学的发展，金属已经不再是我们的唯一选择，甚至有大量的非金属材料因为特殊的性能而被被应用到航空发动机中，如陶瓷材料和碳纤维。陶瓷因为其极佳的耐高温性能而有可能在未来的航空发动机高温部件中得到使用；碳纤维则以优秀的比强度、比模量等综合指标被航空航天工业青睐。 陶瓷基涡轮叶片 GE90和GEnx发动机碳纤维复合风扇叶片 ▌除了质量轻、强度高，碳纤维还有哪些优势？ 如果我们希望航空发动机可以制造的足够轻盈，那么在条件允许的情况下尽量减小材料的密度是一个很好的方法。当年的钛合金就是因为轻质，并且刚度、强度和高温性能都合格，已经是一种被广泛使用的优秀航空材料。 但金属毕竟是金属，即便是像镁铝合金那样的材料，密度也达到2000kg每立方米左右，而且金属材料都有一个很严重的问题，即金属疲劳问题。当金属材料内部受到变化的力的时候，只要这个力足够大、作用的时间足够长，那么材料就会产生微裂纹，然后这样的裂纹会快速变长、直到整个材料都裂开。 金属材料的疲劳裂纹 碳纤维相比于金属材料最明显的一个优点就是—轻。碳纤维密度一般在1400~2000kg每立方米，经过环氧树脂强化的碳纤维密度也不过1600kg每立方米而已，远远好于金属材料。 而且这种材料抗拉强度极高，想要拉断高强度碳纤维材料需要用拉断同样横截面积钢铁的力的两到四倍。 碳纤维（后三行）与金属材料的对比 另外，碳纤维跟金属材料不一样，碳纤维材料并没有所谓“疲劳强度”的概念，也就是说变化的力对于金属材料来说是一种威胁，需要重点关注，但是放在碳纤维这里却不叫什么事情。 上面这些优点对于航空器材可以说是至关重要，因为这些东西是要飞上天的，所以自然是越轻越好，而且像航空发动机这样的装置，需要承受巨大、复杂的载荷，工作状态下零件内部会分布有复杂变化的载荷，有这么一种密度小、强度高、抗疲劳能力强的材料自然是极好的。 ▌非完美，耐高温性能不敌金属 实际上碳纤维本身耐高温性能是非常优秀的，在一般情况下能够承受1000℃以上的高温，碳纤维耐高温的原理是碳纤维中碳原子的结构类似于石墨晶体中的层内结构，碳原子间以牢固的共价键结合，很难破坏，所以耐高温。 但是生产上所使用的碳纤维大部分是复台材料，它的耐高温程度取决于基体材料，大部分是树脂，其使用温度为-50-180℃，所以一般碳纤维制品耐高温在150-180℃，也有300-400℃的碳纤维复合材料。 通过环氧树脂将多层碳纤维粘黏在一起 ▌碳纤维被广泛用在飞机和火箭上 基于以上特点，碳纤维在航空航天领域的应用非常广泛，它可以被用来制造火箭的燃料储藏罐，也可以用来制造飞机的外壳。尤其是现在先进民用客机制造中，碳纤维的使用比例已经超过了50%。 SpaceX公司制造的世界上最大的碳纤维燃料储存罐 波音787外壳大量使用碳纤维材料（蓝色） 然而，虽然碳纤维有很多优点，也确实在火箭、飞机结构上得到了广泛的应用，但是在航空发动机上的使用却不是那么容易，因为航空发动机除了载荷大且复杂之外，还有两个很致命的问题：发动机的高温环境和对结构变形的严格控制。 航空发动机的运转离不开大量燃料的燃烧，所以必然会产生极高的温度，发动机涡轮前的温度可以高达2000℃。前面我们已经提到，碳纤维虽然也能承受一定的高温，但是在这样程度的高温下却依然显得无能为力。 另外，航空发动机分为一静一动两个部分，也就是“静子”和“转子”，静子不动，转子高速转动，动静之间要求配合严丝合缝——这也就是所谓的“转静子间隙控制”。 发动机转动件和静止件之间间隙要求很高 而碳纤维材料虽然说强度很高，但是刚度不足，这也就意味着一旦发动机工作起来碳纤维做的零件会发生更大的变形，带来转静子之间配合状态的改变。尤其是在压力比较高的地方，一点点的缝隙都有可能造成安全问题和性能下降。 所以碳纤维材料在航空发动机中的应用相对较少，使用的位置主要是：风扇叶片。 航空发动机上的第一级风扇叶片 风扇叶片距离燃烧室较远温度很低（事实上就是环境温度），而且这个位置压力比较低、对间隙控制没有那么严格。同时，这些叶片体积足够大，方便了碳纤维材料的加工，使用碳纤维材料也可以最大程度上发挥材料密度小的特点。 巨大的叶片一个成年人可以轻松举起 如果是在那些小叶片上采用碳纤维材料，不仅加工困难（碳纤维叶片制造过程中的很多步骤都要依靠手工），重量也并未减少多少。 GE9X采用的第四代碳纤维复合风扇叶片，共有16个前风扇叶片，比GE90和GEnx风扇叶片数量再次减少，从而减轻重量，提高发动机性能。 ▌碳纤维3D打印加工方式 自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来，该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用，该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。 碳纤维风扇叶片3D打印过程 美国Continuous Composites公司获得创新大奖的连续纤维打印（CF3D）工艺，使用快速固化热固性树脂（工艺也适用于热塑性塑料），将增强纤维浸渍在打印头内，并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印，纤维体积含量可达到50%～60%。获奖项目中的重要进展包括更加自动化的工具路径生成手段；自动化的工具更换，从而可在同一部件上实现高分辨率单通道打印和高沉积率多通道打印；提高机器人准确性和精度等。该公司预计未来此技术将用于按需打印整个飞行器结构——无论是10件还是1万件。 连续纤维3D打印将多个结构作为单个组件进行打印，图为带有嵌入式角撑板的飞机翼梁。使用Continuous Composite的3D工艺进行打印，随后通过手工沉积碳纤维复合材料进行蒙皮 意大利莫伊复合材料公司开发的连续纤维制造工艺，旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，该工艺还可使用紫外线固化方式，所需固化时间小于1s。目前，该技术已开始用于航空结构件制造。 莫伊复合材料公司3D打印工艺 END 碳纤维不仅性能优异，生产过程同样困难重重，在国际上一直由美、日两国主导。3D打印确实为碳纤维的生产提供了一种新途径，不过目前连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题：一是纤维含量低，且打印层之间的分层可能性高；二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。未来，随着这些问题的解决，该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势，必将会使碳纤维的生产更加成熟。 注：本文部分内容来自航空知识，由航小北原创。 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.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式 2.碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异 3.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战

高速飞行器是航空、航天领域发展的重要方向，具有重大战略意义和重要经济社会价值。未来几年到几十年，武器装备、飞机、空天往返飞行器等航空航天装备面临着全面更新换代，而高速化是其重要趋势，具有代表性的方案包括中国航天科工集团空天往返飞行器和美国洛克希德·马丁公司的SR-72高超音速概念飞机等。不同于传统的弹道型飞行器，高速飞行器必须在极高的飞行速度下满足远射程、长航时、高机动等性能要求，对飞行器结构系统轻量化设计提出了严峻挑战。 中国航天科工集团空天往返飞行器概念图 目前，国内外采用结构优化技术开展高速飞行器结构设计的公开报道极少。近年来，围绕工程研制需求，北京空天技术研究所与西北工业大学和大连理工大学合作，开展了结构优化方法及其在高速飞行器结构设计中的应用研究。本期，3D打印技术参考分别介绍结构优化技术在零件、组合部件以及飞行器全机概念设计中的应用。 ▌零件设计，以增材制造工艺加工，性能较少向工艺妥协 发动机安装接头用于传递发动机推力，布置在发动机推力传递截面、发动机两侧左右各一个成对使用。该安装接头为集中承载部件，除了要保证其自身强度、刚度以及耐温性要求以外，功能上要实现发动机与机身结构的有效连接及载荷的可靠传递。根据对接头结构形式的分析，采用拓扑优化结合尺寸优化方法开展结构优化设计。重点考虑结构承载性能和轻量化水平，同时兼顾安装可操作性；构件以增材制造工艺加工，故设计中未特别考虑工艺限制。优化后结构刚度指标略有提升，局部最大应力略增、但仍在安全范围内；与面向传统机加工艺的原设计方案相比，减重超过 18%。 安装接头优化设计 舵轴初始设计采用分段机加、焊接连接工艺。根据对舵轴结构形式的分析，依据整体结构拓扑优化结果，进一步应用尺寸优化减重设计与增材制造工艺加工，满足了所有性能要求，减重达 8.7%。零件结构优化设计在工程关键技术攻关阶段实现了改进或原创设计，在保证承载性能的基础上，取得了显著的减重效果。结合金属增材制造工艺，极大缩短了零件设计、制造与验证周期，初步实现了面向性能的结构设计。与以往面向工艺的结构设计相比，性能较少向工艺妥协，设计自由度更大，减重效果更好。 舵轴结构优化设计 ▌部件设计，拓扑优化结合增材制造是实现大幅减重的重要途径 根据飞行器减重和性能优化需求，开展了以舵面为代表的部件结构的优化设计工作，建立了较为完善的同类结构优化设计流程。舵面作为独立部件，在高温与压力联合作用下，必须满足刚度、强度和转动惯量等指标。首先采用拓扑优化获取主传力路径，结合设计人员经验提取结构特征，通过尺寸参数优化对重构模型进行详细设计，使结构减重约10%。结构设计人员在方案论证阶段可以利用部件优化设计方法对结构进行改进。应用案例表明结构优化技术与工程经验相结合，能得到符合功能需求、性能优异且具备工程实现条件的结构。 典型舵面优化设计 飞机发动机的吊挂是连接发动机跟机翼关键的结构，它要传递发动机的推力，以及发动机自身的重量，现在的结构形式是典型的框梁式的结构。中国商飞的设计团队对该部件进行受力分析后进行拓扑优化和重新建模，最终采用3D打印制造出来的吊挂比原来重量减少了1/10，原来的重量有1000多千克，1/10是100多千克，对于飞机设计人员来说，减少100多千克，这是非常了不起的数据。 商飞团队对飞机吊挂进行拓扑优化和3D打印 ▌全机概念设计，以结构系统整体作为设计目标 在概念设计阶段应用结构优化技术开展结构概念方案构建是一项具有挑战性的工作。基于工程前期研究基础，探索了一种基于拓扑优化的高速飞行器全机结构概念设计方法。首先，根据载荷和设计目标估计出初步的最大变形、质心位置、最小一阶频率设计要求，通过拓扑优化快速获得结构质量指标的可实现下限，从而确定一组可用于进一步结构设计的系统性指标；然后，在拓扑优化设计结果基础上，建立参数优化模型 (考虑功能需求，如预留设备空间、增加操作口盖等)；最后，根据上述结构系统性指标建立优化设计约束，以结构系统整体刚度最大作为设计目标，开展尺寸优化设计获得全机参数化模型。在结构概念设计阶段经过以上两轮结构优化，获得的飞行器全机结构概念设计方案可作为后期结构详细设计阶段的重要参考。 某高速飞行器结构概念设计 从图中可以看出，该研究中的高速飞行器与使用超燃发动机的超音速飞行器非常类似。超燃发动机实际上已经成为飞行器的整体结构的一部分，目前国内外均在开展此类大尺寸整体结构的3D打印，具体内容可点击下图查看。 超燃冲压发动机结构 ▌亟需突破的结构优化技术 结构优化方法作为创新设计手段，在高速飞行器结构设计应用探索中已经展现出巨大的能力与潜力。然而，目前的应用仍以冷结构和中低温热结构为主，结构性能主要考虑刚度、强度和固有频率；材料以金属为主，局部使用复合材料；拓扑优化设计结果的解读和特征提取仍依赖于设计人员的手动操作，工艺约束考虑较少；全机概念设计中受限于计算能力，模型规模较小，设计结果粗糙。 结构优化在飞行器设计中的应用 为满足高速飞行器极端载荷环境和高性能指标要求，结构优化技术近期亟待突破或完善以下技术： (1) 建立局部超高温热扩散结构设计技术； (2) 完善大梯度高温热结构拓扑优化技术； (3) 完善动载荷下的结构拓扑优化技术，实现局部动响应特性改善； (4) 发展全新的拓扑优化方法，避免密度法拓扑优化结果特征提取带来的性能损失； (5) 发展面向增材制造的拓扑优化技术，建立增材制造结构件性能评估和质量控制标准； (6) 发展陶瓷基复合材料结构优化设计技术； (7) 进一步针对未来复杂可重复使用结构优化问题，完善不确定结构优化设计方法； (8) 基于并行计算发展超大规模结构高性能分析与优化设计平台，实现大型部件和全机的精细概念设计。 END 结构优化技术在国内外航空航天领域已经得到大量应用，尤其是拓扑优化技术在提高结构性能、降低结构质量中已发挥出显著作用，被行业普遍接受。拓扑优化技术的应用已从肋板、支架、挂架等零件推广到机身、部段甚至整机的优化设计。高速飞行器由于其极端使用环境和严苛性能要求，对结构优化技术与制造工艺具有迫切需求。结构优化技术在零部件以及全机概念设计中具有极大潜力，但仍需要开展更为深入的理论方法和应用基础研究。 大量理论方法研究和工程应用实践表明结构优化技术不但为飞行器结构研制提供了有效的设计工具，更重要的是带来设计理念的变革。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738 延伸阅读： 3D打印集成制造的最佳实例：从855个零件到12个零件的非凡效益 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 兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者

2020年农历春节前夕，北京深蓝航天自主研制的“雷霆-5”（LT-5）液体火箭发动机进行了首次整机变推力长程试车，试验取得圆满成功！ 整机研制自2019年4月方案设计到2019年8月各零部组件投产，再到2020年1月整机试车，共历时9个月，刷新了液体火箭发动机研制的“中国速度”。通过采用3D打印、电动驱控等新工艺、新技术，显著提高了产品的可靠性和测试维护性以及研制的迭代速度，将主要零部件的生产周期减少到一个月内，从零部件到整机的装配时间减少到3小时以内。 该发动机是国内唯一一型结合了“针栓推力室”和“电驱控泵”两大变推力前沿技术的液体火箭发动机，实现了国内液氧煤油发动机在推力调节领域的突破性创新。此次整机试车成功全面验证了发动机系统协调性和连续变推力能力，标志着深蓝航天完成了泵压式液体火箭发动机从设计、制造到试验验证的研制闭环，是继2019年10月推力室试车突破发动机针栓喷注和多次点火关键技术之后，在可回收液体运载火箭关键技术攻关上达到的又一个里程碑。 注1：针栓推力室是“猎鹰”系列可回收液体运载火箭现役主动力发动机实现变推力的关键技术之一，成就了美国商业航天公司SpaceX的业界神话； 注2：电驱控泵技术是新西兰商业火箭公司Rocket Lab首创并应用在“电子号”火箭主动力发动机上，开辟出了商业航天的新天地。 项目研制团队在不足3个月的时间内，转战大江南北，先后完成了火炬点火器试车、推力室试车、涡轮泵水试、整机电磁兼容、整机振动、整机液流等共10余项重大地面试验，为整机试车的成功提供了有力保障。 在此次发动机整机试车成功之前，2019年10月，深蓝航天已经成功对液氧煤油发动机进行了推力室长程试车。该次试车的发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件采用金属3D打印制造，内部有百余条冷却流道，使用传统工艺铣削和焊接工艺不仅制造周期长、成本高，零件性能也难以得到保证。铂力特在承担此次任务中严格控制工艺，保证零件外形尺寸、流道精度及粗糙度，同时零件加工周期缩短至2-3周。 发动机推力室 采用3D打印工艺制造的推力室，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从95%到99%的技术跨越，达到了国际先进水平。而从两次测试看来，不排除使用了相同的3D打印部件，进行了不可科目的实验。 关于深蓝航天 北京深蓝航天科技有限公司成立于2016年11月，注册资本壹仟余万元，公司位于北京亦庄经济技术开发区。主营业务为商业航天领域液体运载火箭产品及相关技术的研制与开发，确定了以商业液体运载火箭和航天发射服务为核心业务、飞行器辅助和配套设备等为辅的公司发展战略。 北京深蓝航天科技有限公司的愿景是：立志成为太空运输产业的推动者。公司专注于液体运载火箭及其回收、复用技术的研制，致力于通过技术创新、管理和模式创新、系统工程研制流程创新，大幅度降低人类进入太空的成本，推动太空新经济时代的到来。 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： 1.2019年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例 2.3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 3.国际商业航空公司如何使用3D打印开拓创新 4.采用3D打印制造火箭发动机的设计与工艺考量

包括中国在内的亚太地区正在成为世界范围内3D打印市场增长最快的地区。据市场研究和业务咨询公司ReportSanddata预计，到2026年，增材制造市场将以14.4％的速度增长，从2018年的79.7亿美元增长到2026年的233.3亿美元，亚太地区则会以18％的最高增长率增长，并在未来5年内在3D打印方面花费36亿美元，中国为该地区的高速增长提供了持久动力。本期，我们来看国际调查公司如何看待中国3D打印市场的世界地位（注：上述分析数据与《wohlers2019》有所不同）。 全球“制造强国”中的3D打印增材制造咨询与解决方案提供商英国AMFG调查显示，与欧美国家相比，以中国为代表的亚太地区增长速度虽快，但长时间以来3D打印应用却一直落后，然而这种情况正在发生改变，该地区越来越多的的制造公司正在开始对3D打印发生浓厚兴趣，而且许多政府主导的战略和政策的出台，已帮助本国成功创建了可持续发展的增材制造生态体系。中国在这一地区乃至全球的影响力正在增强。 按地区划分的2019年全球3D打印支出预测 鉴于政府大力推动该行业的发展，中国成为亚洲3D打印增长背后的最大力量。2018年中国3D打印市场规模达到23.6亿美元，成为仅次于美国和欧洲的第三大市场。 亚洲3D打印市场规模2019 2015年中国政府发布“中国制造2025”倡议，旨在培育先进技术，3D打印成为“中国制造2025”的重要推动者。同年，科技部发布《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》，该推进计划确立了3D打印创新和商业化的目标。 2017年，中国政府发布 “增材制造行业发展行动计划”，以进一步支持增材制造产业发展。该行动计划旨在培训人才，并培养两到三个具有国际竞争力的本地品牌，力争到2020年使全国增材制造产业产值达到30亿美元。该行动计划是“中国制造2025”战略路线图的一部分，概述了使中国成为领先的3D打印国家之一的长期雄心和发展目标，其重点之一是要在10个关键行业（包括医疗，文化，教育和互联网行业）引入100多个增材制造试点项目。 3D打印部分应用行业 为了实现这些目标，中国正在培养有前途的增材制造公司，支持中国增材制造行业的标准化，并投资于3D打印人才发展。中国正在建立覆盖从高等教育到职业教育的3D打印专业体系，并开展广泛的中小学3D打印科普教育。从长远来看，像这样的举措将使中国社会长期受益。 3D打印硬件需求强劲调查显示，目前中国3D打印收入的48%来自3D打印设备（相比之下，欧洲为37%，美国为33%）。这一数字表明中国对3D打印硬件的强劲需求。 金属3D打印是中国市场快速增长的关键领域之一，铂力特、易加三维、华曙高科、汉邦科技等公司已经在该领域深入耕耘，并在航空航天、汽车和医疗领域获得应用。例如，中国已经实现金属打印的在轨应用，采用1公斤金属粉末可以生产500枚牙冠等等。 3D打印批量生产牙冠 中国工业增材制造设备的崛起在TCT Asia 3D打印展会期间表现尤为明显，这是中国最大的3D打印相关贸易展会之一。TCT亚洲发言人兼行业专家Graham Tromans表示：“在中国，与塑料工艺相比，金属增材制造受到更多的重视，汽车和航空航天部门对中国的制造业经济至关重要，这是为什么许多公司都在开发金属打印机的原因。” 在聚合物3D打印领域，联泰（中国最大的SLA 3D打印机制造商之一）、INTAMSYS和华曙高科等公司用于不同材料的3D打印机已在全球销售，并受到普遍认可。 3D打印融合多行业发展需求根据安永公司的最新报告，78%的受访中国企业在2019年采用过3D打印。如此高的比率可以用中国对不断增长的更智能、更高效的生产方式的需求来解释。3D打印是制造业为满足此需求而实施的技术之一。 中国汽车行业在3D打印应用方面充满潜力。贵州汽车初创企业翰凯斯是本土无人驾驶科技领域顶尖团队，该公司pixmoving项目正在通过结合3D打印和生成设计致力于提供基于无人驾驶的移动应用车辆平台，其产品已入选Autodesk硅谷技术中心，成为重新定义汽车设计及制造范式的开拓者。具体来说，该公司将电弧焊增材制造（WAAM）技术用于3D打印汽车底盘，达到减少零件数量和减重的目的。 pixmoving结合3D打印和生成设计致力于无人驾驶 另一个正在被3D打印技术快速融合的中国行业是建筑业。盈创建筑科技（上海）有限公司，是全球首创真正实现3D打印建筑的新兴企业。2014年，该公司使用一台高6.6米、宽10米的建筑打印机在24个小时内打印出10幢一至两层的毛坯新房，引起巨大轰动。其使用的材料由水泥、沙子和纤维等制成，能够起到环保目的。目前，该公司正致力于在上海建成全球最大的3D打印建筑群。除此之外，2019年11月，中国中建股份技术中心和中建二局华南公司联合完成的一栋7.2米高的双层办公楼主体结构打印，标志着原位3D打印技术在建筑领域取得突破性进展。   ‍原位建筑3D打印 在中国医疗行业，大型医院已经从3D打印的器官模型中受益，外科医生可使用该模型来准备复杂的手术。此外，中国有许多医院已经在临床实践中使用3D打印植入物。2018 年，山东大学第二医院为一名10岁儿童进行了3D打印钛合金“下颌骨”植入手术，经复查确认没有并发症，手术宣告成功，这是国际上首例为快速发育期的低龄儿童进行下颌骨缺损3D修复重建手术。此外，北京大学第三医院、空军军医大学唐都医院、广东省骨科医院以及其他下层级别的医院，也已将3D打印的骨科植入物用于治疗复杂的骨科疾病。 4D打印乳房重建植入物 3D打印技术在中国航空领域的应用也已经非常广泛，技术相对比较成熟，在国际上也处于领先地位，不仅可以实现细微零部件的精细打印，还可以对大型承力关键构件进行整体一次性打印，而且在结构强度和轻量化方面颇具优势。3D打印技术已经在中国国产J-15战机、FC-31 战机、长征火箭等航空军事领域广泛采用。中国自主研发的国产大型客机C919的主风挡窗框和中央翼根肋等大型复杂结构件都采用了3D打印技术制造。 中国新一代军机普遍使用3D打印技术 END 鉴于3D打印的高采用率和政府参与度的提高，中国正进入一个黄金时期，逐渐会成为欧美强有力的竞争对手。根据中国工业信息研究院的预测，到2020年，中国3D打印产值有望达到76.8亿美元，占全球市场的三分之一。如果其增长率继续保持这种速度，中国将在不久的将来成为最大的3D打印市场。 当前中国3D打印行业发展的短板仍在于有限的应用，市场的推动仍然离不开政府的推动，将政策、研究、教育和商业化的关键要素放在一起，将使各行业加快使用3D打印的步伐。 往期上传：《中国制造业眼中的3D打印》 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738；网址：延伸阅读： 1.西门子端到端增材制造解决方案 2.如何判断与量化3D打印产品的增值效益 3.2019年度3D打印市场发展关键词：增长与活力 4.3D打印医疗植入物的应用现状及国内研究团体 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：中国3D打印的世界地位

航天五院529厂，是我国卫星、飞船结构研制和生产的重要基地，自2014年开始引入3D打印技术以来，深入开展了3D打印基础研究，取得了一系列的研究成果。截至目前，该厂取得3D打印产品在轨应用的卫星型号已多达6个，它们分别是2018年发射的嫦娥四号中继星、高分十一号， 2019年9月发射的资源一号02D（五米光学卫星），12月发射的中巴地球资源04A星、天琴一号，以及近期由长征五号发射的实践二十号卫星。 中国东方红五号新一代大型卫星平台首飞成功 这些应用的实现，预示着该厂正在推动3D打印用于卫星制造的常态化，同时也将我国在该领域的研究推向了世界前沿。本期，3D打印技术参考对其中的关键应用进行介绍。 ▌铝合金3D打印拓扑优化产品在轨应用 2018年5月21日，嫦娥四号中继星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射。这是航天529厂首次实现3D打印产品的在轨应用，为嫦娥四号探测器在月球背面与地球的测控通信和数据传输发挥了作用。 2018年6月14日，中继星成功实施轨道捕获控制 动量轮支架传统上是由铝合金棒料机械加工而成的整体式薄壁零件，该结构形式的支架减重设计是在侧壁上开形状规则的减重孔及减小壁厚，壁厚太薄及减重孔太多时，支架加工过程容易发生变形，最终成形精度难以保证。 斜装动量轮支架优化前模型与拓扑优化基础模型（来源：altair） 针对该问题，北京航天东方红卫星有限公司开展了面向增材制造的斜装动量轮支架轻量化设计。工程师首先确认了动量轮支架的设计空间、非设计空间、施加载荷及约束，然后进行了拓扑优化和重构，最终由529厂采用铝合金3D打印生产和制造。 动量轮支架打印成品及在中继星上的装配图（来源：altair） 按照卫星产品的研制规范，3D打印的铝合金动量轮支架接受了上星验证、力学验证、飞行验证等各项航天级环境试验，成功随嫦娥四号中继卫星飞行并执行既定任务。 在此之后的2018年7月，高分十一号卫星由长征四号乙运载火箭发射成功，该卫星同样搭载有3D打印的产品，将为“一带一路”等国家重大计划的实施提供信息保障。 ▌铝合金点阵结构，钛合金激光送粉、铺粉3D打印产品在轨应用 2019年12月20日，长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心，成功执行“一箭九星”任务，其中中巴地球资源04A卫星搭载粉末床激光熔融技术制造的拓扑优化蒙皮+点阵结构，“天琴一号”技术试验卫星搭载分别由粉末床激光熔融技术和激光同步送粉技术制造的钛合金结构板框架。 中巴地球资源04A卫星（来源：中国航天科技集团） 2019年12月27日，长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场将实践二十号卫星顺利送入预定轨道。该卫星将对我国自主研发的新一代大型地球同步轨道卫星平台—东方红五号卫星公用平台进行全面在轨验证，对提升新技术成熟度、促进新技术应用、进一步推动我国航天技术发展具有重要意义。实践二十号卫星搭载的是采用粉末床激光熔融技术制造的铝合金小型拓扑优化支架。 实践二十（来源：中国航天科技集团） 与传统铸造构型相比，带有3D打印蒙皮三维点阵的新型结构具有高刚强度，重量更轻，基频更高，研制周期更短，3D打印技术的优势得到充分发挥。 3D打印的钛合金主承力框架和短承力框架，组织致密，内部晶粒细小，力学性能达到锻件标准。 ▌困难与挑战 2019年两次发射任务所携带的3D打印产品，从铝合金蒙皮点阵轻量化结构到激光送粉与铺粉制造的钛合金框架，均系首次在轨应用，同时验证了特定材料下的轻量化结构与不同工艺制造的钛合金的可靠性。这是继去年嫦娥四号中继星后，航天529厂取得的又一3D打印重大型号应用。 3D打印的星敏支架（示意）（来源：通信卫星事业部机械工程研究室团支部） 在此次面向3D打印产品的设计与制造过程中，工程师面临拓扑优化的产品刚性弱与成型困难以及性能要求高的问题。面对诸多困难，公司迎难而上，进行了深入分析和攻关，充分发挥了多年的宇航研制技术基础，在完备的科研体系支撑下，最终3D打印产品的各项技术指标均满足设计要求，并获得了上星许可。 此外，2019年9月发射的资源一号02D也采用了3D打印制造的拓扑优化斜装动量轮支架和直装动量轮支架。 ▌航天领域3D打印应用的常态化 多年来，529厂先后依托总装3D打印技术应用推广项目、装发先进制造课题、科技部重点研发计划、载人航天第三批/四批预研课题等，开展了大量3D打印技术的预先研究，并将课题成果成功转化应用于型号产品研制，在多种金属3D打印技术以及基于FDM的空间3D打印技术方面取得重要突破。材料涵盖高强铝合金、钛合金、高温合金、不锈钢、铝基碳化硅复合材料、连续纤维增强复合材料等多种高性能材料，型号应用领域不断扩大。 中国通信卫星发展历程（来源：通信卫星事业部机械工程研究室团支部） 到目前为止，529厂已在载人航天、深空探测、遥感、通信等多个领域的初样、正样产品研制中得到广泛应用，涉及型号近20个，各状态交付产品500余件。 在2020年将要发射的多个航天器将继续搭载3D打印的产品。未来，我们相信，3D打印产品的在轨应用将常态化。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用 2.3D打印用于卫星制造：为任务量身定制 3.3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 4.连续纤维增材制造技术或将颠覆航空复合材料结构生产模式

2019年3月，全球复合材料领域顶级展会JEC组委会将2019年度增材制造（3D打印）创新大奖授予美国连续复合材料公司、空军研究实验室、洛克希德●马丁公司团队，以表彰其在连续纤维3D打印技术开发方面的创新成果。连续复合材料公司是连续纤维增强3D打印技术的先驱，2012年获得了全球最早的工艺专利。自美国于2014年推出首台连续纤维3D打印机以来，该技术正在快速发展并在航空领域取得应用。随着技术的逐渐成熟和大规模推广应用，该技术或将颠覆现有复合材料无人机、低成本复合材料航空结构的生产模式。 连续纤维3D打印技术的优势 连续纤维3D打印技术综合利用工业机器人、3D打印末端执行器、原位检测、智能监测与机器学习等技术，快速输送、沉积连续纤维增强体，以及基体树脂并原位浸渍、固化，与传统的自动铺丝成形以及熔融沉积成形等工艺相比，自动化程度和柔性更高，对于典型的碳纤维／聚醚醚酮零件，研发周期可缩短至原来的1/30，生产速度可提高100倍。连续纤维3D打印机可以由多机器人组成柔性单元，机器人上还可添加多个3D打印末端执行器，同时打印头可支持碳纤维、凯夫拉、玻璃纤维甚至光纤和金属丝等材料，使该技术既可以用于大批量生产复合材料零件，也可以一次性打印高度复杂的几何形状或者需要极其精密制造的关键零件。 连续纤维3D打印技术的发展方向 当前，美欧3D打印技术开发商与机器人制造商已共同开发了一系列先进的连续纤维3D打印设备与制造工艺，主要应用方向和发展情况如下。 低成本复合材料结构的大批量生产 美国阿瑞沃公司开发了可将热塑性预浸丝束打印成零件的直接能量沉积（DED）工艺，空客资本公司参与了对该公司的投资。DED工作单元由工业机器人、激光加热打印头和旋转构建平台组成，与传统3D打印相比，能够将生产速度提高100倍。除无人机机身、机翼等航空零件外，阿瑞沃公司还生产与无人机框架结构类似的自行车车架，连续纤维3D打印技术使其开发周期从18个月缩短到了18天。该公司于2019年2月投入使用的新工厂拥有8个机器人工作单元，可完成包括打印本身、后处理（例如钻孔）以及用于喷涂的预打磨，每天共可生产8个大型零件。该公司正在测试每台机器人运行多个打印头以及每个工作单元运行多个机器人，以将生产速度再提高3倍。为了在整个提速过程中保持质量和可重复性，该公司采用了原位检测和机器学习技术，为打印头配装多个传感器（测量高度、压力、变形等），系统软件使用这些传感器数据，根据需要实时调整工艺参数。这样，当工作单元需要更快运行时，就可以确保沉积速率、加热、固化和其他参数得到最优匹配。 arevo 3D打印技术 美国轨道复合材料公司开发了由并联机器人、模块化同轴挤出末端执行器组成的高度定制化的3D打印设备，挤出喷嘴通过其中心孔供给基体材料，通过周围的环形喷嘴供给纤维，并联机器人通过多台协作加快生产速度，可比传统3D打印快100倍。该技术的特点是可适应几乎任何复合材料：3-48K丝束的干燥和黏合纤维；包括热固性／热塑性塑料和碳化硅在内的塑料、陶瓷或金属基体；并且能够结合铜或铝线、纳米材料、导电油墨或其他有助于实现多功能结构的材料。这使其特别适合无人机类应用，投资一种设备即可应用于所有结构和功能组件。 美国轨道复合材料公司的3D打印产品 ‍ 意大利莫伊复合材料公司开发的连续纤维制造工艺，旨在解决使用热固性树脂进行3D打印的挑战，并已成功用环氧树脂、丙烯酸和乙烯基酯打印连续玻璃纤维增强复合材料。除了适用于碳纤维应用的固化机制外，该工艺还可使用紫外线固化方式，所需固化时间小于1s。目前，该技术已开始用于航空结构件制造。 莫伊复合材料公司3D打印工艺 复杂或精密结构的快速研制和小批量生产 美国南卡罗来纳大学McNair航空航天创新与研究中心的研究团队开发了一种熔融长丝制造（FFF）工艺，FFF系统使用配备有连续纤维沉积末端执行器的工业机器人平台，可提供7个自由度。该技术非常适合三类应用：一是模具或芯轴成本相对过高的小批量航空结构制造，如仅需一个特定高强度组件的无人机或小型航空器；二是利用其他制造方法无法产生所需强度质量比和刚度质量比的高度复杂的结构，如加强网格；三是套印，这是一种在打印过程中插入组件并由此完全嵌入打印零件中的技术，可以实现零件整合，如在打印零件中嵌入射频识别芯片或电子传感器。传统采用自动丝束铺放的航空结构集成度很低，而该技术的亮点在于，如果使用热塑性塑料制造复合材料结构，每次就是通过套印重新熔化以增加新组件，消除铆钉、紧固件和黏结剂可显著改善这些结构。 McNair 3D打印技术旨在生产高度复杂且独特的结构 McNair 3D打印的复杂零件 荷兰CEAD集团于2018年11月推出其“优质”（Prime）大型连续纤维增材制造3D打印机，其尺寸为2m×4m×1.5m，是欧洲最大的3D打印机。制造过程中，打印机首先使用所需的热塑性树脂预浸渍连续玻璃纤维或碳纤维，然后打印头将连续纤维与熔化的热塑性树脂颗粒结合，其中还可包括一定百分比的短切纤维，特别有利于小批量生产大型复杂产品。它还具有智能加热/冷却系统，可通过热感摄像头监测工艺，并根据需要实时进行调整。 CEAD集团3D打印高压灭菌模具 俄罗斯初创企业阿尼索打印公司开发了基于复合纤维共挤出工艺的3D打印机，也是将增强长丝送入打印机之前对其进行预浸渍处理，不过长丝是采用特殊配方的热固性树脂预浸渍，而基体树脂通常是热塑性塑料，据称这是因为热固性聚合物比热塑性塑料更容易润湿单根单丝，能够提供更好的附着力，从而提升固化零件质量。 将速度与精度相结合的复杂结构大批量生产 美国马克锻造公司开发的连续纤维系统使用两个打印头，一个用于基体树脂，另一个用于热塑性树脂预浸丝束。技术改进的重点是可靠性和可重复性。公司致力于实现工艺的完全闭环，并正为此开发一系列功能，如完全集成的材料跟踪和全面的自动报告功能。该系统的一个重要应用是打印工装夹具及组件，与机加铝制组件相比，3D打印的热塑性产品同样坚固但更轻，不会像金属组件那样破坏零件，而且在同一天内就可以准备好，这可促进航空复合材料制造模具的发展。 双机器人连续纤维3D打印机 美国Continuous Composites公司获得创新大奖的连续纤维打印（CF3D）工艺，使用快速固化热固性树脂（工艺也适用于热塑性塑料），将增强纤维浸渍在打印头内，并在材料沉积后立即固化复合材料。热固性材料使该工艺能够在自由空间中执行高速打印，纤维体积含量可达到50%～60%。获奖项目中的重要进展包括更加自动化的工具路径生成手段；自动化的工具更换，从而可在同一部件上实现高分辨率单通道打印和高沉积率多通道打印；提高机器人准确性和精度等。该公司预计未来此技术将用于按需打印整个飞行器结构——无论是10件还是1万件。 连续纤维3D打印将多个结构作为单个组件进行打印，图为带有嵌入式角撑板的飞机翼梁。使用Continuous Composite的3D工艺进行打印，随后通过手工沉积碳纤维复合材料进行蒙皮 瑞士9T实验室基于连续点阵制作工艺开发了“碳套件”（CarbonKit）系统，系统使用工业级廉价材料拉挤出复合材料棒，棒通过牵引单元进入可调节热量的挤出头，系统可以与一系列热塑性基体体系配合使用，纤维体积含量可达50%以上。该系统的另一个重要特征是能缩放挤出不同的横截面积，因此可以适应具有小丝束的高分辨率应用，以及具有大丝束的大幅面增材制造，如加筋壁板。一个已开展的项目证实，每年可生产约30000个零件。 9TLabs 3D打印的微型无人机框架 启示建议 当前，连续纤维3D打印技术还存在两个主要问题：一是纤维含量低，且打印层之间的分层可能性高；二是缺乏标准化的连续工具路径生成商业软件。未来，随着这些问题的解决，该技术依托灵活开放、高速高效、低成本且生产完全自动化等优势，必将会与传统复合材料制造技术产生竞争。可以预见，随着该技术的成熟和大规模推广应用，将进一步促进航空制造业探索以3D打印方式批量生产无人机、复杂航空结构以及制造工装，开启航空复合材料发展的新浪潮。 面对国外技术飞速发展的势头，我国应加强情报跟踪研判，联合原材料、机器人、末端执行器、3D打印软件、传感器、机器学习、数控系统优势企业，尽早开发和演示验证若干系列自主可控的工艺和装备，形成规模化的制造工艺和装备产业，支撑我国制造业提高生产效率和质量，以迎接未来航空复合材料结构设计制造面临的高速、低成本竞争，并满足未来以无人机为代表的航空装备低成本大批量按需制造的需求。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.利用高性能复合材料和金属3D打印解决更多制造挑战 2.碳纤维3D打印：短纤填充与连续增强的区别与性能差异 3.几种碳纤维3D打印技术 4.盘点3D打印高性能光固化树脂

2019年，3D打印技术的革新继续获得突破，从打印速度提升到打印材料扩展，从应用深入到生产流程的全自动化，新突破和新技术引领2019年度3D打印行业的发展。本期，3D打印技术参考例数本年度本行业的技术突破和应用。 1. 轴向光刻技术 如果传统上提到的3D打印还只是二维打印的纵向叠加，那轴向光刻则能称得上是真正的三维成型。1月31日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）与加州大学伯克利分校的研究人员于《Science》发表最新成果，其采用多激光在轴向旋转过程中实现不同角度同时曝光，使材料能够从模型的“内核”逐渐向外部固化，实现了真正的立体打印。 轴向光刻体积打印 轴向光刻技术比现有的聚合物3D打印技术快很多倍，通常只需几分钟就可以完成打印，生产的零件具有良好的表面粗糙度，并且可以做到更大的尺寸。此外，轴向光刻技术所打印的零件受周围液体浮力的支撑，首次实现真正无支撑3D打印。未固化的光敏材料也几乎零浪费，100%可重复利用。 2. 3D打印会生长的骨、会呼吸的肺，会跳动的心脏 2019年，生物和医学3D打印取得重要突破。4月15日，以色列特拉维夫大学在Advanced Science上刊文，宣布成功用人体细胞制造出世界上首颗3D打印心脏。这颗人工心脏大约两厘米长，不仅有心脏细胞，还有血管和其他支撑结构，甚至能像真实的心脏一样跳动。最关键的是，这颗心脏的“打印原料”和“粘合胶水”，均来自患者本人体细胞，不会在进行器官移植时产生任何排异反应。这项研究为器官移植带来新的可能。 心脏3D打印过程 4月18日，西北工业大学汪焰恩教授团队3D打印活性仿生骨技术取得突破性进展，团队研制的3D打印活性仿生骨可以做到与自然骨的成份、结构、力学性能达到高度一致，可在生物体内“发育”，甚至使自体细胞在人造骨中生长，最终，人造骨与自然骨很好地生长在一起。 3D打印的活性仿生骨 5月3日，《Science》最新一期封面文章带来了美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队的一项里程碑式发明，他们采用立体光刻3D打印技术制造了肺部错综交缠的血管网络以及用于运输空气、淋巴液等物质的管道。这枚3D打印的肺具有完整的血管结构，能够朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程。 3D打印的可呼吸肺泡组织 8月2日，美国卡内基梅隆大学Feinberg教授团队提出了一种利用悬浮水凝胶自由可逆嵌入(FRESH)来对胶原蛋白进行3D生物打印，这种方法能够从毛细血管到整个器官的不同尺度上直接获得具有精确控制组成和微观结构的人体心脏组织成分。相关论文以“3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart”为题，发表在《Science》上。 用人类心肌细胞打印的心室显示同步收缩‍ 从这四项重要进展可以看出，3D打印对于医疗的贡献是巨大的。在未来10年，人们有可能会采用自身的组织细胞制造出活性的组织和器官，这无疑能够最大程度解决移植器官的供体短缺问题。 3. 新型大尺寸、高速、光固化技术，突破Carbon打印速度最高纪录 2019年10月18日，《Science》发表美国西北大学关于一种大尺寸、高速、光固化（DLP）3D打印机的最新成果，其改进的重点与Carbon的CLIP技术类似，即通过树脂槽的改进（创建隔离层）防止打印过程中零件与树脂槽的黏连，从而可连续性实现快速打印；同时，该方法还可消除固化过程中产生的热量，最终突破了Carbon CLIP技术打印速度的最高纪录。 HARP快速打印过程 得益于良好的散热技术，HARP技术打印的零件不会出现破裂和变形，可打印高强度、弹性以及陶瓷零件。这些连续打印的零件机械性能很好，可用于汽车、飞机、牙科、矫形器、时尚等领域。HARP原型机尺寸为610*380*3960mm，每小时连续垂直打印高度超过430mm，固化树脂100升，具有3D打印创纪录的吞吐量。HARP技术有望在未来18个月内进行商业化应用。 4. 高强铝合金材料屡获突破 本年度，国际范围内有多个牌号的高强铝合金获得上市和应用。 3月，中国长沙新材料产业研究院通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段，成功研制出了一种高强铝合金粉末材料。通过在多家用户不同型号设备上机使用验证，此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上，屈服强度达到510MPa以上，延伸率达到12%以上。与空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当，目前已被航空航天用户采购应用。 8月，莫纳什大学吴鑫华院士领导的研究团队成功开发出了牌号为Al250C的高强高韧增材制造专用铝合金材料，为3D打印铝合金材料再添一名明星成员，其拉伸强度目前已超过600Mpa，屈服强度可达580MPa，延伸率11%，制备的构件在250℃高温下通过了持续5000小时的稳定试验，相当于发动机常规服役25年的要求。此举受到了包括美国通用、波音、雷神、赛峰等多家航空巨头的重视。同月，英国铸造专家Aeromet International宣布，其获得专利的铝合金A20X已超过500 MPa的极限拉伸强度，这一成就将这种材料确立为“市售最强的铝增材制造粉末之一”。A20X是一种铝铜合金材料，已经被领先的航空铸造供应商的全球网络所采用。 当前高强铝合金的性能对比（具体成分数据上传至QQ群） 10月，美国休斯研究实验室（HRL）开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金正式投放市场。该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。 据SmarTech介绍，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料，成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。 5. 哈佛大学开发多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统 11月13日，哈佛大学工程与应用科学学院研究团队在国际顶级期刊《Nature》在线发表研究文章，涉及一种新型的多材料全彩3D打印系统，为3D打印功能材料制造提供了一种新的途径。 研究团队采用该技术开发的16脚软硬质弹性体功能机器人 该团队设计的多材料多喷嘴3D打印系统通过使用高速压力阀控制并行排列的多达128个喷嘴，能够在极短时间内实现八种不同材料无缝高频切换，实现对材料组成、几何形状和结构性质的体素级别控制，从而大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料的范围，推动了增材制造可达到的速度和材料界限。这一突破不仅仅是实践应用的进步，更具备改变设计、制造功能器件的潜力。 6. eos金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功 自2017年5月以来，EOS联合戴姆勒汽车、Premium Aerotec（飞机零配件制造商）发起名为“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目，旨在探索金属3D打印在批量生产中的自动化潜力。今年5月，该项目成功完成，11月，该项目成果在法兰克福3D打印展会期间面世。 金属打印无人干预、全自动化的生产流程 “NextGenAM”致力于无人干预、全自动化的生产流程，所有机器网络化，全部由中央自动控制站发出命令并控制，集成质量管理的连续3D数据链使该生产系统成为未来工业4.0基准的首批案例之一。自动化的生产线可被轻松复制，以扩大工厂的产能。该项目的成功证明，金属3D打印完全可以自动化的实现经济、高效的批量生产，同时也证明了数字化制造的可行性。 7. 激光烧结技术开启光源性改变 传统上，激光烧结技术一直使用CO2激光器作为能量来源，即EOS于去年推出基于近百万个二极管激光器阵列的LaserProFusion技术之后，SLS技术的光源开始发生多样性改变。 3月，中国华曙高科推出高分子光纤激光烧结技术，在效率、产能、打印细节品质方面刷新现有同类技术的记录，把SLS工艺带到了新的发展阶段。 SLS光源改变，打破常规 11月，EOS再次革新SLS技术—第一次将CO激光器用于工业级粉末床3D打印。相比于CO2激光器，CO激光具有前者一半的输出波长，更高的材料吸收率和更小的聚焦光斑，从而可以更高的粉层厚度和更低的功率进行更高细节表现力的加工。 SLS技术光源形式的改变，均在于提升生产效率和降低生产成本，对丰富技术多样性和促进3D打印应用大有裨益。 8. 飞秒投影双光子光刻，将3D打印提速1000倍 基于双光子光刻(TPL)的亚微米增材制造技术有望实现量产制备具有纳米尺度的复杂三维结构。然而，对于工业应用而言，TPL的连续逐点扫描速度太慢。同时使用多个单光电无法达到亚微米分辨率，或者无法模拟复杂的结构。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和香港中文大学合作提出一种通过超快激光打印亚微米结构的技术，通过投影2D聚焦平面构筑3D模型。这种方法在不牺牲分辨率的情况下将传统方法的产率提高了三个数量级，能够在8分钟的时间内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构。 制备纳米尺度复杂三维结构 该技术的打印量、分辨率和模式灵活性使其成为一项有吸引力的技术，可实现微纳米结构的批量制造，可用于机械和光学超材料，微光学、生物支架，电化学接口和柔性电子器件多种领域，是一项具有实用性的革新技术。相关研究成果刊发在《Science》上。 9. 中国国产大尺寸SLM设备爆发 此前，基于SLM的大尺寸金属打印机几乎全部为欧美公司所垄断，如SLM Solutions (SLM800)、concept laser (X line…

12月27日20时45分，我国首型运载能力最大、无毒无污染液体火箭——长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空，2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道，发射飞行试验取得圆满成功。此次发射飞行试验主要考核长征五号火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性，对后续航天任务的相关关键技术进行验证。 长征五号采用5米直径芯级，捆绑4枚3.35米直径助推器，全长约57米，起飞重量约870吨，起飞推力超过1078吨，拥有近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。 陈肖/摄 2019年3月，中国航天科技集团有限公司一院211厂完成首批长征五号系列运载火箭芯级捆绑支座的批生产。长五系列芯级捆绑支座是我国首个采用全3D打印的米级关键承力构件。进入批生产前，产品顺利通过静力试验，全面考核了飞行状态下的产品性能。但此次发射的火箭该部件并非采用3D打印。 据了解，早在去年年底211厂就开始启动3D打印大尺寸主承力件首批产品的生产。除了此次实现批生产以外，后续该产品还将用于长征五号B火箭发射任务，并接受飞行考核。 利用3D打印生产的产品正在出舱 捆绑支座为运载火箭主承力构件，综合力学性能要求高，此前主要采用加工性能较好的高强钢，通过锻造再机加的方式成形。但这一加工方式存在材料去除量大、加工周期长等问题。 激光同步送粉3D打印工艺原理 面对新型号减重的迫切需求，该厂于2016年提出采用具有更高比强度的钛合金材料，利用激光同步送粉3D打印工艺，实现捆绑支座的整体成形。经过系统工艺研究，该厂试制的产品顺利通过了成分、组织性能、表面质量及内部质量等各类检测，整体综合性能达到锻件水平，且较原设计减重30%。 激光同步送粉3D打印技术，不仅实现了难加工金属材料的快速成形，同时还为箭体主承力部段的轻量化结构设计与制造，提供了强有力的技术支撑。 更多内容，请持续关注3D打印技术参考。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.3D 打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 2.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用 3.阅兵式：我国新一代军机普遍使用3D打印技术 4.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示