三星堆遗址祭祀区新一轮的考古发掘，引起了社会广泛关注，五千年的文明不知要带给我们多少惊喜，而在此次的发掘过程中首次使用了3D打印技术提取文物。本期，3D打印技术参考介绍的重点包括借助3D打印提取文物的过程，以及该技术在文创方面的可行性分析。 国内首次使用3D打印技术提取文物3月20日，考古工作者宣布在三星堆遗址新发现6座三星堆文化“祭祀坑”，现已出土金面具残片、巨青铜面具、青铜神树、精美牙雕残件等重要文物500余件。同时，3号坑也发现了迄今为止三星堆出土规模最大的一件青铜器——大口尊。 该大口尊长度约70厘米，尺寸大，强度弱，文物一碰即碎。通过前期方案讨论，决定采用3D打印技术提取大铜尊。据了解，此前考古和文保工作中都尝试采用过3D打印技术，但这是首次使用3D打印技术进行文物提取。 工作人员首先使用3D扫描仪对文物进行扫描及周边数据收集，然后通过3D打印机打印出文物的模型，根据模型生成硅胶体的保护套，将硅胶覆盖在文物表面对文物进行保护。提取现场，考古人员用硅胶体保护套贴合在文物上后，外面还要再包裹上厚厚的保护层，放在专门的套箱中。 大口尊中全是泥土，器物本身加上泥土，再加上保护套，总重量超过200斤。考古队员利用考古发掘舱中安装的先进航架系统，深入到1米多深的坑中提取文物。经过编号、登记，文物才能离开考古发掘舱，通过专门运送车送入文物研究保护中心。 3D打印的大口尊原型和倒模硅胶 实际上，提取过程对3D打印技术的应用，也仅此而已，但看似简单，却科技含量十足，它包括了三维扫描、建模、3D打印、倒膜一系列过程。随着科技的发展技术的革新，3D打印作为一种便捷、高效和真实的数字化快速成型技术，在各行业得到了广泛的应用。尤其在古文物修复或重建方面，3D打印技术正发挥着独特的技术魅力。 3D打印在文创方面的可行性分析 文创作品已经成为各大博物馆的一张重要名片，从故宫口红到敦煌壁画拼图，馆藏的各种文物从过去的“高冷”开始慢慢变得“亲民”，文创作品拉近了文物和普通民众之间的距离。近些年来，3D打印和三维扫描逐渐应用到了文物保护和文化传播领域，并发挥了重要作用，而文创作品的直接3D打印却鲜有听闻。接下来，3D打印技术参考来对几个很有意思的文创作品能否采用3D打印制造进行可行性分析，希望能为这项技术在文创作品领域的应用提供思路。 大金面具——双耳面具杯，与3D打印 此次出土的金面具备受关注，面具宽约23厘米，高约28厘米，值得注意的是，其形制与金沙遗址博物馆的金面具极为相似，后者长20.5cm，宽10.4 cm，高10.7 cm，厚0.08 cm。金面具整体呈立体脸谱，系在模具上捶揲成形，眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵则采用剪切而成。具有重大的历史、艺术和科学价值，是研究商周时期成都地区古蜀文明、金器加工工艺、青铜文明以及四川盆地与外地文化交流的重要实物资料。 商周大金面具 双耳面具杯 金沙文创以金面具为创作灵感，经过略萌化后形成晶莹的双耳玻璃杯，面具双耳变成方便执握的杯柄，耳上纹饰源于金沙铜虎，杯底烫金“太阳神鸟”纹。金色与玻璃晶莹交相辉映，熠熠生辉。从设计的角度来说，最为关键的是将多元素融于一体，由金沙文创和西华大学一名教授联合设计而成。面具杯采用全手工吹制，需要等待15-20日的制作周期，而采用3D打印，则不需要等待这么久。 双耳面具杯 当前，玻璃的3D打印工艺已经获得很好的发展，有企业已经在生产光学镜片。主流的玻璃3D打印工艺有熔融挤出和光固化两种。 玻璃的光固化3D打印过程 3D打印的玻璃零件 关于金面具的文创作品还包括文物复制等其他类型，可以涉及直接金属打印或者3D打印熔模铸造工艺。 光固化3D打印的金面具原型 金面具文创指环（可直接金属打印也可3D打印+熔模铸造） 皇后之玺—玉玺交通卡，与金属3D打印 这枚玉印印钮浮雕一只螭虎，印面刻有“皇后之玺”四字，它是迄今仅见的汉代一枚皇后官印。玺长2.8cm、高2cm，重33g。螭虎造型之生动，玺文字体之规整大气，雕琢技法之娴熟，都是罕见的。 西汉皇后之玺 长安通公司与陕西历史博物馆联合推出了玉玺形状的印章交通卡，它是以西汉皇后之玺为原型缩小比例打造，采用多种特殊工艺，突出文物质感，小巧玲珑，携带方便。 皇后之玺文创作品——印章交通卡 从3D打印的角度来说，印章底部的字样及周围的纹饰可以实现个性化定制。同时，这样个性化的设计所造成的制造成本并不会增加太多。在材料方面可以使用树脂、陶瓷、青铜，结合所用到的技术可以完美体现设计细节。这枚小纪念品有强大的实用功能，使用它可在北京、上海、天津、西安等225个城市乘坐公共交通工具。 极致盛放设计，铂力特打印的青铜汉钮▪龟 太阳神鸟金饰——吊坠、耳钉、徽章，与蜡模3D打印 商周太阳神鸟金饰整体为圆形薄片，外径12.5厘米，内径5.29厘米，厚度0.02厘米，重20克。图案分内外两层，内层等距分布十二条旋转的齿状光芒；外层由四只神鸟逆时针绕太阳飞翔，是古蜀先民深邃的哲学宗教思想、丰富的想象力、非凡的艺术创造力和精湛工艺水平的完美结合。2005年8月16日，“太阳神鸟”金饰图案被公布为中国文化遗产标志。 商周太阳神鸟金饰 金沙遗址博物馆以此为基础开发了书签、吊坠、耳钉、徽章等产品，样式精美。 “太阳神鸟”耳钉 当然他们所采用的还是传统的制造手段。从3D打印的角度来说，可以采用直接金属打印或者3D打印蜡模+翻铸的工艺轻松实现，这两种工艺是目前3D打印金属饰品的两种重要手段。此外，文创作品的产量一般不会太大，3D打印还可以满足小批量制造的需求。 3D打印的镀金耳钉 北科大定制毕业指环（极致盛放设计，钛合金打印） 唐仕女俑—唐妞，与粘结剂喷射3D打印 唐代是中国古代社会的辉煌时代，特别是唐代开放和包容的精神在妇女身上体现的淋漓尽致。在唐代，女子和男子在很多方面享受一样的自由、平等地位。从唐代壁画和陶俑身上可以看到，唐代的妇女的服饰也是非常开放的，这种时代精神恰好契合了当今女性想要表达的观念。 唐代女俑 “唐妞”，是陕西历史博物馆以唐仕女俑为原型，保留其妆容特点，在原先可爱造型的基础上，按照年轻人喜爱的审美方式，用动漫、可爱、Q版的手法，将唐妞设计了出来。她高髻峨眉，面如满月，体态丰满，身穿宽袖长裙，憨态可掬，喜感十足，是唐代人见人爱的“小胖妞”。“唐妞”也是陕西第一个登上春晚的动漫IP形象，在很多文创产品博览会上都获得过大奖。 从3D打印的角度来讲，其重点在于其表面质感以及丰富的色彩展现，这也就意味着它需要通过彩色打印实现。在现有的工艺中，石膏彩色喷墨技术以及树脂喷射技术可以实现，而前者在表现陶俑特色方面则更具质感。 3D打印的希娜娃娃 END 文创作品最好能在生活中有所实用才能起到纪念品的作用，而3D打印则可以大规模的介入博物馆文创产品的开发中。利用它小批量、快速制造的特点，快速将产品推向市场，并借助它独一无二的个性化制造特点迎合大众需求。从另一个角度来说，3D打印可以结合设计、艺术、文化来增加产品附加值和内在底蕴，将单纯的技术玩出新的高度。 欢迎转发 延伸阅读： 1.共享视觉：当粘结剂喷射3D打印遇上文物保护和艺术品创作 2.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 3.SpaceX 龙飞船3D打印推力室中的增材设计思维和规则 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域

SLM过程中的缺陷可分为铺粉过程缺陷和打印过程缺陷，铺粉过程缺陷有粉层不规则，打印过程缺陷有飞溅、球化、气孔、表面质量差、裂纹、几何变形等。来自华中科技大学的曹龙超博士等总结了文献中报道的 SLM制造中常见缺陷及其形成机理。下面对不同缺陷及其形成过程进行介绍，并总结不同缺陷对打印构件的应用造成的影响。 缺陷是SLM技术在工业中广泛应用的最大瓶颈之一 1.飞溅 飞溅是SLM过程中最常见的一种缺陷，会直接影响激光与材料相互作用，导致其它缺陷的产生。研究表明，飞溅主要是由侧向保护气流、熔池的波动和反冲压力引起的。飞溅落在粉末上会形成较大的金属颗粒，进而产生欠熔合和气孔缺陷，对构件的抗拉强度和疲劳性能不利；此外，飞溅落在凝固层表面会影响下一层铺粉，导致下一粉层不平整、不均匀，甚至损坏刮刀。 激光熔池与激光束相互作用的物理过程 为使金属粉床不被飞溅污染，可以采用高速的保护气流移除飞溅物。然而，过大的气流会影响粉层的表面质量，如何优化气流技术，成为制造商不断努力的方向。 2. 球化 球化是金属基粉床制造过程特有的冶金缺陷，当液态金属在表面张力作用下凝固成球状便会产生球化。激光束能量密度过高和过低都会导致这种现象，能量过低时金属粉末未完全熔化会导致球化，能量过高时，液态金属飞溅到未熔化的金属粉末上也会形成球化。球化会影响下一层的铺粉质量，影响构件的表面质量，还会导致熔合不良、夹渣等缺陷。进一步地，球化会降低构件的抗拉强度和抗疲劳性能。减少和避免球化的有效手段，需要优化打印工艺，找到最优的参数组合。 3D打印Ti6Al4V合金中的缺陷及其作为疲劳裂纹存在的示例 3. 气孔 气孔是SLM构件最主要的缺陷类型，是对SLM构件力学性能影响最大的缺陷之一，也是工业界和学术界关注的焦点之一。SLM过程中，材料迅速的熔化和凝固、熔池剧烈波动等会导致气孔的产生。气孔的尺寸、数量、形貌和位置均对构件的力学性能有重要影响，较高的气孔率会缩短成型件的疲劳寿命，靠近表面的气孔对成形件的疲劳性能影响比其它位置的都大。根据气孔的形成机制可将其分为原材料相关的气孔和激光作用导致的气孔。 气孔的产生过程十分复杂，并与工艺参数关系密切。合理的打印工艺，以及针对材料使用次数不间断的工艺优化，仍然是避免气孔产生的重要条件。 4. 表面质量 随着 SLM 技术的发展，可打印材料的种类越来越丰富，且构件的力学性能得到了很大提升，但是相对较差的表面质量仍然是限制SLM 发展与工业应用的主要阻碍之一。中间层的表面粗糙度会影响下一层的铺粉质量，导致内部缺陷产生；成形面的表面粗糙度会严重影响构件的疲劳性能。 不同激光功率下的上表面 SEM 和重构图像 表面质量与熔池的流动行为密切相关，通过调控激光功率、扫描速度和粉层厚度等工艺参数可以有效的改善表面质量；也可以通过后处理来提高构件表面质量，但是会增加成本、降低效率，因此，需探索新方法以提升构件的表面质量。 5. 裂纹 SLM 过程中裂纹的形成与温度分布、残余应力及熔合不良有关。残余应力形成的裂纹又可以分为凝固裂纹和液化裂纹，这类裂纹与材料有关，凝固裂纹是由于熔池与凝固金属之间存在较大的温度梯度，导致熔池产生较大形变，然而液体的流动性不足，不能补充熔池产生的形变；液化裂纹出现在部分熔化区，它与液化范围、晶粒结构、热延伸率、金属的收缩和约束有关。 3D打印的金属涡轮叶片内部的裂纹 此外，熔合不良形成的欠熔合也是SLM构件常见的一类裂纹，它对 SLM构件的力学行为和疲劳寿命有致命影响。欠熔合裂纹多出现在相邻的扫描熔道之间或者沉积层之间，主要是金属粉末不完全熔化造成的，裂纹严重时还可能导致分层缺陷。 分层缺陷实例 裂纹对SLM构件有致命性的影响，减少SLM构件裂纹缺陷是学术界和工业界面临的重要挑战。合金化与调整工艺参数是改善微裂纹的两种可能的方法，但成功率仍然有限。目前，针对SLM构件裂纹的研究较少，亟需深入研究。 6. 几何变形 SLM过程中由于构件的几何特征、热积累、应力集中等原因会形成不同程度几何缺陷，程度较轻的可能引起变形，造成尺寸误差，严重的导致结构不完整，甚至使加工过程失败。 SLM 构件的几何结构缺陷实例 SLM 构件的几何精度会影响到构件的装配和使用性能。有研究发现，不同的扫描方式会对温度场产生重要影响，温度场会影响残余应力分布和构件的几何变形；激光的光斑、功率及扫描速度则会对尺寸精度和表面质量造成影响，提高构件的几何精度会极大地促进SLM技术的工业应用。 7. 粉层不规则 SLM 过程中，粉末的填充质量会影响到粉床的热导率及其对激光的吸收率。粉层填充密度会影响粉床的热导率和熔池的流动，粉层的厚度会影响熔池的稳定性、熔化状态和构件的内部缺陷，粉层表面不规则也会引起构件的质量问题。同时，SLM是一层一层成形的，一个构件要经过多层制造，因此每一层铺粉对构件的质量都非常重要。 铺粉是SLM制造的关键步骤，粉层质量的好坏直接关系到材料对激光的吸收，粉层厚度会影响到熔池的稳定性，粉层过厚会引起欠熔合、气孔等缺陷，粉层过薄会降低制造效率，因此，严格控制铺粉质量对提高 SLM 构件质量有重要意义。 END 缺陷是SLM技术在工业中广泛应用的最大瓶颈之一，为突破这一瓶颈，需深入理解SLM的物理过程，并对缺陷类型及其产生过程进行深入研究。针对各缺陷类型更为详细的研究进展，本文作者给出了更为详细的讲述，可查询上传内容。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.顶刊综述：3D打印金属材料的缺陷种类及其对疲劳性能的影响 2.上海大学用CT给3D打印金属“诊疗”—揭示孔洞缺陷形成机理 3.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 4.中国学者 | 动画揭示激光金属增材制造过程中的熔体流动行为

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--

在工程应用背景下，对金属3D打印材料进行工艺摸索及优化，大多会通过广泛的实验来实现，这个过程繁琐且耗时，但一直被采用。而高校等研究机构则倾向于借助仿真从微/宏观的角度分析，来减少确定工艺参数对实验的依赖程度。这是工程实践和科学研究的区别，可前者离不开后者。 目前，已经有很多研究人员提出了多种基于模型的方法来预测熔池尺寸，这些模型从计算冗长到简单快速不一而足，大多都是建议使用最佳的熔池尺寸比来确定扫描间距之类的变量。但为了确定最佳间距还是会需要大量实验，而且这些方法并没有考虑球化、孔隙等的形成机制。因此，建立一个基于模型预测的无缺陷工艺框架则实用的多。 借助简单的模型预测确定可打印区和不可打印区 来自美国Texas A&Muniversity的研究人员，利用简单的Eagar和Tsai模型来预测熔池几何结构，结合单道实验，以及开发的扫描间距选择准则来研究SLM过程的工艺参数选择范围。最终证明，利用该方法选定的参数组合，均可以实现SLM零件的完全致密化。 为了确定材料的可打印工艺范围，必须对参数空间进行广泛的扫描，无论是实验上还是数值上。熔池尺寸的预测是SLM参数优化框架中的第一步，因为它是决定熔池尺寸以及导致零件孔隙的敏感性标志。研究人员的目标是选择一个简单但快速且合理的模型来预测熔池尺寸，而不是使用高精度、复杂的元素分析来获取大多数物理信息。 激光熔化工艺参数优化的研究流程图 研究人员将输入参数分为了两类：一类是热输入参数包括激光功率、扫描速度和激光高斯热源半径；另一类是材料参数，包括热导率、密度、比热、熔点和激光吸收率。利用统计方法对该模型的不确定性进行校正，结合特殊设定的单道打印实验结果对模型偏差进行校正。随后，研究人员利用预测的熔池尺寸，来确定能够良好成型、未熔合、过熔的相关参数边界，从而获得该材料的可打印工艺框架。 统计校正后的E-T模型绝对预测误差等值线图与实验测量值的比较：（a）熔池宽度误差为2.77%和；（b）熔池深度误差为11.95% 为了排除可能导致球化的工艺组合，研究人员借助实验设计了特定的向量分类器，将参数组合分为球化区和非球化区，而错误分类的误差为零。校准后的Eagar-Tsai模型允许在定义的参数空间内合理、准确地预测熔池尺寸。基于几何推导的扫描间距确定准则，在给定熔池宽度、熔池深度和层厚的情况下可以确定能够实现完全熔合的最大扫描间距，这区别于其他一些研究采用所谓最佳搭接率来确定扫描间距的方法。 根据校准的E-T模型预测，将AF9628的打印工艺区进行划分，及不同工艺组合下的实测致密度 研究人员所选定的实验材料为马氏体不锈钢，此类材料具有超高的屈服强度和合理的韧性，在汽车、航空航天、国防等领域得到高度重视。而最新研制的低合金高强度马氏体不锈钢AF9628，其强度可以达到1.5GPa，韧性可以达到10%。研究人员希望采用3D打印和AF9628不锈钢来生产对几何形状具有高度控制的高强度零件。 通过以上模型分析方法，研究人员构建了AF9628的SLM工艺框架，在此框架内的各种工艺参数均可以成功打印出全密度样品。而最终利用该模型优化出的最佳工艺参数，最终获得的实验样件致密度大于99.25%，强度大于1.4Gpa，伸长率高达11％。文章指出，这是迄今为止公开报道的强度最高的3D打印金属样品。 SLM制造的AF9628的应力-应变曲线（垂直试样和水平试样） END 该研究最终开发出了一套简单的工艺参数优化框架的确定方法。根据该方法，工艺工程师可以轻松选定材料的可打印参数范围，而且这种方法仅取决于可预测的熔池尺寸。 在保持材料全密度的同时，在工艺参数选择方面表现出的灵活性也为局部微结构改进和参数优化提供了可能性，从而可以进一步改善打印零件的机械性能。 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.预热至400℃，H13工具钢打印态的强度达到2GPa 2.最新研究：调整增材制造工艺参数，控制材料凝固过程，实现性能可控 3.一款基于3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整的黑科技软件 4.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念

点阵结构一般是指由金属杆、板等微元件按一定的规则重复排列构成的空间桁架，具有体密度小、比表面积大、比力学性能高等特点。将其作为芯材的夹芯结构在爆炸冲击载荷作用下因结构动态失稳产生巨大的塑性变形并转化为热能，可吸收掉大部分的冲击能量，因而具有优良的缓冲吸能和抗爆炸冲击性能作用，其在坦克防护装甲和舰船结构水下抗爆方面均有应用。 电影中的点阵结构的防冲击场景 如今，点阵金属夹芯结构应用于轻质装甲以增加其抗爆性能的研究也开始增多。点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击问题是一个非均质材料结构在动载作用下响应的复杂动力学问题，关于点阵金属材料的力学特性研究正处于基础研究阶段，主要集中在点阵金属夹芯梁、板等结构的抗爆炸冲击和弹道冲击方面。 材料的微观结构对其吸收冲击的能力发挥着巨大作用。近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的研究人员发现了一种特别好用的结构，这种具有紧密空间的分形结构比固体立方体的冲击波消散能力强出五倍。这可能为头盔、盔甲和其他防护用品的改造升级带来了新动力。 3D打印的晶格结构的ct图像及三维重建 一些减轻冲击的材料利用孔隙率和分层结构来减小冲击强度，但传统的制造手段使这些材料往往缺乏结构控制，并且很大程度上需要通过反复试验开发。也有研究试图通过吸收能量的冲击驱动反应来减小冲击波的大小，但仍然需要具有尺寸稳定性和可定制机械性能的结构材料。 3D打印在材料结构控制方面的优势不必多说，来自LANL研究人员通过分形界面主导结构中孔隙的三维排列演示了冲击波的耗散。具有低至100µm自由表面间距的孔隙或自由表面的受控布置有望在适当的时间尺度上产生建设性的稀疏波前相互作用，从而减少通过结构的冲击波幅度。 不同的分层结构及防冲击测试结果 采用光固化工艺打印的点阵结构被以约每小时670英里的速度发射撞击器，结果发现结构化的立方体比相同材料的固体立方体对冲击的消散作用高出五倍。 然而目前尚不清楚分形结构是否是最好的减震设计。研究人员正在测试其他基于空隙或界面的模式，以寻找理想的结构来消散冲击。3D打印的点阵结构距离真正的装甲防护可能还有些距离，但其在体育用品上已经获得了应用，尤其是3D打印的减震头盔。 分割线 国外有研究人员分别测试了由惠普MJF工艺打印的PA11和激光烧结工艺打印的TPU材料的多种类型的点阵结构对撞击的缓冲作用。该项目获得了欧盟H2020框架计划的资助，其内容包括研究几种生成晶格结构的技术，并对这些结构进行测试，最终将其应用于在攀岩、骑行、滑冰等运动中的个人防护头盔。 研究团队设计和打印的几种点阵结构 动态冲击测试是采用5kg的圆形金属物体从1m的高度掉落到测试对象上，测试设备可以测量样品吸收的总冲击力。 不同结构的3D打印点阵防撞击测试 从测试的过程可以发现，不同结构的点阵对冲击的防护作用差别很大，研究人员需要从中选出最佳的结构。截至目前，HP、Carbon等公司均推出了基于3D打印工艺的点阵结构运动头盔。 最佳点阵结构 中国设计师开发的点阵结构运动头盔 不过，虽然点阵结构极具魅力和吸引力，但目前仍然有一些障碍使其很难用在实际生产中，尤其对于金属点阵结构。一个关键的挑战是要证明设计的性能可靠性，特别是在抗疲劳方面。由于点阵结构的表面和尖锐的交叉点很多，这带来了应力集中，在实际批量零件生产中如何解决这一问题存在一定的挑战。 另一个相关的问题是如何验证制造质量。点阵结构的复杂性使得难以通过传统方式检查，CT扫描确实提供了一种解决方案，但这种方法非常昂贵，开发简单有效的质量检测手段也是影响其应用的一大限制。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.降维打印！强度提升37%-65%，3D打印点阵结构研究取得重要进展 2.北理工院士团队：3D打印几何缺陷对点阵结构力学行为的影响 3.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 4.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计

TC4合金具有质轻、比强度高等优点，通过激光选区熔化（SLM）技术制备的TC4金属零部件被广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。在TC4合金SLM成形过程中，受到包括激光能量的吸收和传输、材料的快速熔化和凝固、微观组织演化、熔池的流动、材料的蒸发等因素的影响，导致成形热力学和动力学十分复杂，因而在构件内部会形成孔洞、裂纹、杂质等缺陷，这些缺陷严重降低了成形件综合力学性能，限制了激光打印TC4合金的广泛应用。因此，研究TC4合金SLM成形过程中缺陷的形成机制和掌握抑制缺陷产生方法的是提升SLM制备TC4合金零部件性能的关键问题。 近日，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室在最新研究中，基于X射线CT成像技术，在3D打印TC4合金孔洞缺陷三维表征和形成机理方面取得重要进展，相关成果以“Study of pore defect and mechanical properties in selective laser melted Ti6Al4V alloy based on X-ray computed to mography”为题发表在Materials Science and Engineering: A 期刊上，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139981（已上传QQ群）。 研究概要 激光增材制造技术本质上是金属材料的快速熔化和凝固过程，因此在其成形过程中也会产生和金属铸造过程相似的各类冶金缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等等。在高功率激光束长期循环往复“逐点扫描熔化-逐线扫描搭接-逐层凝固堆积”的LAM过程中，激光束与金属粉末材料的作用时间极短，金属粉末在逐层堆积过程中，不断经历急冷急热的交替过程，其熔化和凝固都处于极端非平衡条件下。主要工艺参数、外部气氛环境、熔池熔体流动状态以及扫描填充轨迹的不连续和不稳定等都可能在零件内部区域产生各种特殊的内部冶金缺陷（如层间及道间局部未熔合、孔隙、卷入和析出性气孔、氧化物夹杂、裂纹等）。这些缺陷的形成在很大程度上会影响最终成形零件的内部质量、力学性能和制件的服役使用安全等。金属粉末材料在SLM过程中成形件内部缺陷的产生始终是制约该工艺发展的重要瓶颈问题之一。 拉伸试样断裂前后的XCT数据重建 该论文采用X射线计算机断层扫描（X-RayComputed Tomography，XCT）无损检测技术对3D打印TC4合金进行全流程“诊疗”，包括TC4原材料粉末、3D打印成形零件以及拉伸试样中孔洞缺陷的精准三维表征。研究了TC4合金的SLM成形过程中孔洞缺陷的三维几何形貌特征，包括孔洞缺陷的三维形貌、空间分布、尺寸大小、比表面积、表面曲率、空间取向等几何拓扑结构，揭示了孔洞缺陷形成机理，建立了孔洞三维形貌特征与形成机理之间的关系。同时探索了不同工艺参数下TC4合金试样内部缺陷的产生规律和形成工艺之间的关系，建立了孔隙尺寸与工艺参数之间的关系模型，并对内部气孔缺陷的产生进行了预测。分析了工艺参数对致密度和力学性能的影响规律，研究了TC4合金SLM成形件缺陷特征、显微组织结构等对力学性能的影响。 注：本文内容来自材料科学与工程，原文已上传qq群。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.低成本、高度可重复 | PP（聚丙烯）正被纳入工业3D打印材料体系 2.基于AI的粉末床增材制造逐层异常检测和分类 3.2020年3D打印材料种类超2000种，市场规模将突破20亿美元 4.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化

为了提高金属粉末床增材制造技术的工业可接受度，很多厂家目前推出了在线监测模块来检查制造过程中的异常情况，如刮刀碰撞、粉末铺设不均、飞溅以及孔隙等等。然而，这些实时监控的尝试还没有实现足够的自动化，在分析生产过程中收集的数据方面，还集中于将完成的零件与3D模型进行比较。这种方法确实很简单，但却非常耗时，而且只能识别打印对象中的“一般缺陷”。 来自美国橡树岭国家实验室的研究人员近期开发了一款基于神经网络的程序，它可以对从设计、材料选择、打印到测试的整个过程的每个步骤收集和分析数据，实时评估零件质量。 研究人员使用基于神经网络的程序监视和分析3D打印的组件 该算法的主要优点还在于，它能够以传感器的原始分辨率反馈粉末床的逐层成像数据，并且能够分析和共享多台3D打印机上的数据，实现一个系统能够从另一个系统遇到的打印错误中学习的效果。 研究人员分别在SLM、3DP和EBM三种工艺、不同品牌的九台打印机上进行了实验，证明该算法在定位精度、准确性、计算时间和通用性方面，远远优于以前的算法。 所涉及的打印机和工艺类型包括： 激光粉末床熔融技术：使用一束或多束聚焦激光束选择性地熔化金属粉末。所用设备包括EOS M290、ConceptLaser M2、Renishaw AM250、AddUp FormUp 350、ConceptLaser X-Line 2000R以及SLM Solutions的SLM 280。 电子束粉末床熔融技术：使用电磁控制的电子束选择性地熔化粉末床，相比前者需要在更高温度下工作，所用设备为Arcam Q10。 粘结剂喷射成型技术：通过将粘结剂沉积在粉末床上逐层成型 “生坯”，然后进行脱脂和烧结，所使用的设备为ExOne M-Flex。 值得注意的是，这些打印机所自带的监控设备各有不同，但算法均具有通用性。 在过去十年中，很多设备商和研究机构已经针对粉末床增材制造过程的逐层异常检测进行了大量研究。许多努力集中在开发改良传感方式上，如使用闪光灯来更好地拍摄粉末床、采用条纹投影技术来恢复深度信息以及采用高分辨率扫描仪等等。但是，开发成像系统只是挑战的一部分。对于用户来说，无论采用何种数据源，都应该可以自动检测异常，才能满足应用端对质量和过程控制的需求。 体系结构的图形表示 此前关于异常检测和分类的方法有明显的局限性，如粗大的异常定位分辨率、极少的异常类别以及缺乏对其他粉末床工艺的通用性。ORNL的深度学习算法基于神经网络动态识别，（知识补充：在计算机视觉领域，目前神经网络的应用主要有图像识别，目标定位与检测，语义分割。图像识别就是告诉你图像是什么，目标定位与检测告诉你图像中目标在哪里，语义分割则是从像素级别回答上面两个问题）能够满足几个关键要求： 1. 模型预测和异常分类必须足够快地反馈，以提供实时信息，即使使用的是高分辨率相机。 2. 语义分割必须始终在成像传感器的原始分辨率下逐像素实现（语义分割更详细的可以解释是从像素的角度分割出图片中的不同对象）。 3. 由于任何一台单独机器的训练数据都可能受到限制，因此从一台3D打印机器获取的数据知识必须能够在完全不同的粉末床机器和成像系统之间跨技术快速转移。 4. 该算法必须自然地支持来自多个成像系统或其他空间相关的感应模态的数据融合。 实际打印零件和深度学习算法检测到的异常对比 是否采用共享学习下的铺粉效果和灰尘识别对比 测试的结果令人满意，实现了以下几个目标： 1. 在台式计算机上，分层分割时间为0.5s-2.4s，结果反馈的速度足够快，可以实时分析所有已探查机器类型的现场数据。 2. 在每个成像系统的原始分辨率下，可以按像素提供异常分类，定位精度往前迈进了一大步。 3. 该算法已成功在九种不同粉末床3D打印机上进行了演示，这些机器涵盖了三种不同的技术。此外，探索的成像系统包括可见光、中红外和近红外相机，有效分辨率范围为20μm至290μm。重要的是，所开发的深度学习算法允许在不同的粉末床机器之间无缝传输学习的知识，从而减少了与每个单独机器相关的数据收集和手动数据标记负担。 此外，研究人员发现新型的深度学习算法在异常类别的鉴别方面相比以前的算法实现了更低的误报率，七个类别中的四个类别的误报率下降了25%以上。此外，逐层分类的时间减少了12倍，而改进的定位能力和融合后图像的加入可以识别更多类型的缺陷。 ORNL已使用其算法来优化3D打印反应堆的生产 不过，该算法对于不同工艺之间的转移学习的预测准确性还有待提高。该团队评估了GE Additive ConceptLaser M2和ExOne Innovent系统之间共享的数据后，算法在缺陷识别遗失率方面的表现，发现共享过数据的系统的缺陷遗失率是未共享数据系统的16％。这表明训练确实起到了作用，但这种效果还不足够好。使用Arcam Q10增材制造系统打印的零件的真实孔隙率为78.4％，但是如果对图像进行分析，孔隙率则会上升至89.5％。 该算法的性能在很大程度上取决于其输入数据，如果捕获的图像不能清楚的展现打印部分的异常，则该软件不太可能被标记出来。 但无论如何，ORNL基于神经网络动态识别的算法在增材制造过程实时监控方面确实取得了非常大的进步。随着监控系统的发展，研究人员能够将图像数据与来自其他来源的数据(如打印机的日志文件、激光系统和操作员注释)组合在一起，可以更好的识别零件缺陷，并跟踪和评估所有零件的统计信息。 注：研究原文非常详实，内容已上传QQ群。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.使用EOS光学层析成像代替无损检测保证增材制造部件质量 2.西空智造推出国产金属3D打印在线监控系统 3.GE增材 : 金属3D打印的广泛工业化需须受益于人工智能 4.金属3D打印质量的有力保障——过程监控技术  

近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授葛锜研究团队与美国科罗拉多大学丹佛分校教授Christopher M. Yakacki团队合作在材料领域顶级期刊《Advanced Materials》发表研究成果，通过数字光处理技术实现液晶弹性体3D打印，用于超轻三维吸能结构的快速成型。 通过材料的三维点阵结构的几何构型设计(如负泊松比结构、细长杆屈曲结构等)，使其在变形过程中产生能量耗散是目前3D打印实现吸能结构的主要手段。但是，目前3D打印吸能结构的材料多为弹性材料，而粘弹性材料本身优越的能量耗散属性并未在三维吸能结构中得到很好的利用。 液晶弹性体作为一种受光或热刺激能产生大体积收缩的功能软材料，目前主要用于制作软体驱动器或者机器人。同时，液晶弹性体展现了非线性大变形粘弹性的力学行为，是一种性能佳的耗能材料。但是，复杂的化学合成工艺使得液晶弹性体的成型限制在薄膜形态(小于150微米)。尽管最近发展的点击化学使得墨水直写3D打印技术可用于液晶弹性体三维结构成型，但这样挤出式的3D打印方法极大地限制了液晶弹性体三维结构的复杂性和精度。 基于光固化数字光处理技术的液晶弹性体3D打印 葛锜团队与Yakacki团队合作，通过麦克加成反应将液晶基元与二硫醇单体聚合生成具有丙烯酸酯端基的光敏液晶弹性体低聚物，并可通过基于光固化数字光处理3D打印技术实现液晶弹性体复杂三维结构的3D打印。 液晶弹性体的加载率相关非线性大变形粘弹性力学行为 液晶弹性体三维结构与普通弹性体材料吸能效率对比 实验表明，不同于普通弹性体，液晶弹性体三维结构的力学性能与加载速率直接相关。在高速加载（220%/s）条件下，液晶弹性体三维结构单位质量的吸能效率是普通弹性体三维结构吸能效率的27倍。这表明所开发的光敏液晶弹性低聚物可通过光固化数字光处理3D打印技术获得高效吸能结构和器件。该项研究为3D打印成型轻型抗冲击/减震结构提供了可能性，在电子设备抗冲击、运动头盔等领域具有较大应用潜力。 葛锜与Yakacki为本文共同通讯作者，南科大和美国科罗拉多大学为通讯单位。 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.南科大：一种新型抛光技术，可获得纳米级超光滑表面 2.南科大：金、银、铜等典型高反射材料的激光增材制造 3.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法

近日，来自国外的市场分析人员研究了2020年国际领先的几家3D打印公司的研发支出情况。分析这些3D打印机制造商的研发水平非常重要，这将有助于了解该行业的发展速度，以及为什么有更多的公司进入到这个行业。与上一年相比，一些公司在2019年全年大幅增加了研发支出，但有些公司削减了支出。 国外公司研发投入情况分析 下面的表格列出了八家公司公开的最近三年的研发投入、雇员数量以及每位员工的平均研发费用。这些公司可以分为两类，分别是以GE和HP为代表的传统行业企业，另一类是以Stratasys和3D Systems为代表的专门从事3D打印业务的公司。 相关公司的研发投入情况 从以上数据可以得出一些结论 1.3D打印是一个致力于研发的行业，五家“纯”3D打印公司三年内的平均研发支出为1.79亿美元。 2. “纯”3D打印机制造商属于工程/设计密集型企业，他们人均每年的研发支出达到79500美元，不过这并不包括GE和HP。 3. 与2018年相比，生物3D打印公司Organovo由于财务状况导致研发投入缩水26%，但由于研发人员数量少，其人均研发支出达到22万美金，远远领先其他公司。 4.由于货币波动（欧元兑美元）的原因，雷尼绍的研发支出统计数额也出现了一些波动。两大3D打印公司Stratasys和3D Systems在2019年也减少了研发投入，但量级仍然相当庞大。 5. GE和HP并非是专门从事3D打印的公司，即便他们宣称将大部分研发支出用于3D打印。这两家公司在3D打印领域的市场份额合计为15％（惠普6％，通用电气为9％），并将继续在这个领域发展自己的影响力，该表格中这两家公司的巨大数字并能不代表行业整体水平。 此外，可以预见的是，2020年国外众多的3D打印公司由于新冠疫情的影响增加了对医疗设备和药品等特定应用的研发投入。 不过，该表仅反映了大型商用3D打印机制造商的研发投入，一些软件和材料开发商以及私营3D打印机制造商如EOS、Desktop Metal、Markforged和Carbon等，也都拥有较大的研发预算，这些资金往往来自本国和地方政府，以及汽车、消费品和军工领域的生产巨头。 国内公司研发投入情况分析 国内方面，笔者查询了铂力特和先临三维2018年的招股书和2019年年报。铂力特的报告显示，2018年其研发总投入为2561万元、研发人员116人，2019年研发投入4203万、研发人员154人，总投入增加64%，人均年研发费用增长至约27万。先临三维所涉及的3D打印业务比铂力特要复合的多，包括扫描仪、金属和非金属以及生物3D打印等，截至2019年底，其研发人员数量为252名，研发总投入超过1.28亿，较去年同期增加35.85%。 从数据上看，先临三维2019年的人均研发支出比铂力特高约88%，但由于先临三维在旗下多家企业为部分占股，且其期初研发人员数量达389人，人均年研发费用的计算方式有待商榷。另，报告同时披露了易加三维维基于激光工艺的3D打印装备开发及升级总研发支出金额为2804万，笔者从其他渠道了解到该公司研发技术人员约100人，其人均研发费用超过了铂力特。 国内公司研发投入统计（仅供参考） 国内其他专门从事3D打印业务的公司由于多未上市，研发投入方面未能查询到数据。 光韵达自2013年开始进入3D打印领域，然而该技术仅是其极小的业务板块。2019年该公司研发总投入为6660万，在其年报中可以找到多个3D打印相关的装备与应用研发项目，累计总投入未统计。 银禧科技则在2019年初宣布终止其“3D打印一体化产业互联网服务平台研发与产业创新团队”项目，公告称是由于国内3D打印市场尚未成熟，3D打印在民用领域发展较慢。但该公司在3D打印材料方面的产品研发及制造仍在持续进行，后续更将加大研发力度。2019年该公司总研发投入8609万，3D打印相关投入并未找到准确的金额。 总结 实际上多年来，相当多国际领先的3D打印企业如Stratasys、3D Systems、Voxeljet、Exone等都未能盈利，但这些企业的研发投入无不是逐年增加，因此可以看出3D打印技术被投资人看重并具有可观的未来发展前景。 与此同时，一些企业如Materialise和铂力特等正在开始盈利，这些现象都说明3D打印行业正在向着更好的方向发展。但大多数企业持续的亏损也意味着3D打印确实也有着很多问题（如批量化和自动化）需要去克服和解决。试想，3D打印行业是否仍然是一个正处于研发阶段或发展初期阶段的行业呢？ 本期上传：铂力特、先临三维2019年年报；Materialise、Stratasys、3D Systems等公司近四年净利润及收益数据。 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.西门子微课：增材制造的工业化应用 2.3D打印趋势报告2020：行业亮点与市场趋势 3.欧洲8国21家机构携手推进多材料、多工艺协同金属3D打印 4.从TCT看国内3D打印行业正在以何种方式发展

2019年4月，以色列特拉维夫大学研究人员宣布，他们用人类的脂肪组织，通过3D打印技术制作出了一颗“人造心脏”，虽然只是一个微缩版的原型，却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的完整心脏”。当时这颗心脏可以收缩，但无法像正常心脏一般搏动泵血。 3D 打印的微型心脏 而近日，来自明尼苏达大学的研究人员在相同研究方面取得了重大进展，该团队开发了一种新型生物墨水，并使用3D打印技术创建出了具有腔室、心室和血管结构的心脏。在体外培养了60天之后，该结构具备泵血功能。相关成果以封面文章的形式发表于Circulation Research。本期，我们介绍该研究的主要内容。 3D打印功能性心脏的难点 虽然越来越多的研究已经证明能够使用生物材料3D打印整个心脏，但这些打印出来的构造要么缺乏必要的生物细胞，要么缺乏机电功能，因而无法实现真实的心脏机电反馈（心肌机械变化引发的电生理变化）。这是因为成熟的心肌细胞一般不易增殖或迁移，其在体外的构建过程存在巨大挑战，研究人员难以获得所需的高细胞密度。 明尼苏达大学的研究小组希望使用具有高度增殖能力的干细胞，在原位诱导心肌细胞分化，从而为心脏功能定制组织。 3D打印心脏原理示意图 为了实现这一目标，该团队需要开发一种生物墨水，其配方将能够提高细胞活力，促进多能干细胞增殖并分化为心肌细胞。最终，研究人员通过优化配方实现了对心肌细胞的分化，并创造了一种新型的生物墨水，不仅可以在空间上准确沉积，而且在打印过程中不需要任何支撑结构，该墨水最终将降解以提供细胞增殖的空间。 构建心脏结构并验证打印的准确性 研究团队首先打印了带有两个腔室以及一个血管入口和出口的干细胞负载主动脉结构，在细胞繁殖到足够的密度后，研究小组开始对细胞进行分化，赋予它们在心脏中不同的作用。为了保证细胞存活，营养物质并不可少，研究发现该打印结构具备弹性和功能性。 3D打印心脏的构建过程，下图显示了打印的准确性 为了测试创建的准确性，研究团队使用磁共振成像扫描对打印的主动脉结构与3D数据进行了比较。发现有86％的打印结构控制在0.5mm的误差范围内，横截面对比发现内部腔室具有很高的保真度。14天后，90%的生物墨水被单个和大型菌落细胞填充，到6周后，观察到非常有限的细胞死亡，这表明3D打印的主动脉结构具有比较稳定的状况。 生物打印后24天内细胞增殖的演变过程 检测3D打印心脏的泵血功能 3D打印心脏结构的目的是希望它能够泵血或“跳动”。为了确定整个血管中机电功能的保存程度，研究人员对其进行了检测，在心脏表面检测到的动作电位反映了研究人员对改变起搏频率和药物刺激的预期反应。 3D打印的人类心脏具备泵血功能 最终，明尼苏达大学的研究小组得出结论，他们采用3D打印制造的人工心脏具有强健的机电反馈功能，而且其腔室、心室和细胞壁厚度比先前打印的都要高，这使得心脏的泵血功能更为强大。 采用相同方法构建的宏观人类心脏为未来在多个尺度用于药物测试提供了可能，同时它将极大推动临床心脏病学的发展，使研究更接近于临床移植，同时，这一进展也代表了在构建大尺度组织方面迈出的关键一步。 END 组织工程学的目标之一是能够在体外创建组织或器官来维持人体的正常生理机能，3D打印为这项工程提供了一种方法。近年来，生物3D打印已用于创建一系列人体组织或器官，通常用于测试和研究，而非直接移植。去年以色列特拉维夫大学3D打印的整枚心脏，为探索创建高逼真度和针对特定患者的组织进行3D打印的可能性开创了研究先河。而本文的研究，则为组织器官功能性的实现提出了一种方法。 注：研究原文已上传QQ群，不足之处请留言。 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.生物组织工程技术的变革—体积打印技术 2.中国科学家如何采用干细胞实现血管3D打印 3.3D生物打印的革命：会跳动的心脏，会呼吸的肺和会生长的骨