抛光加工是保证表面质量不可或缺的技术手段，近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授邓辉研究团队提出了一种基于各向同性刻蚀轮廓包络原理的抛光技术，可获得纳米级超光滑表面，而且适用于多种常见金属材料，具有普适性和显著的工业应用价值。可以加工具有复杂外形和内腔结构的金属零件，加工效率高且加工后表面无残余应力。 这一技术有望在航空航天和汽车零部件等领域投入应用，也可解决3D打印金属零件的后处理难题。相关研究成果被发表于机械制造领域顶级期刊。 抛光的主要目的是降低表面粗糙度、去除损伤层，最终获得光滑且无损伤的高质量表面。无论是日常生活中的消费用品还是制造技术高度集成的半导体芯片，抛光加工都是保证表面质量不可或缺的技术手段。近年来，在金属材料超精密加工领域，具有复杂外形和内腔的金属零件的抛光一直是工业界所面临的技术难题。传统的诸如化学机械抛光、激光抛光以及磁流变抛光，都存在“刀具干涉”问题。如何在不破坏金属零件的面形精度的前提下，高效率获得纳米级光滑表面，是目前亟待解决的技术难题。 各向同性刻蚀轮廓包络抛光原理图 受单点金刚石超精密车削加工的刀尖轨迹包络原理启发，南科大研究人员提出了一种基于各向同性刻蚀轮廓包络原理的抛光技术：在抛光液的钝化作用下，金属表面生成一层钝化膜；在电场的作用下，钝化膜的薄弱位置优先发生击穿放电；通过阿伦尼乌斯公式优化相关参数，击穿位点可实现密度可控的各向同性刻蚀反应；随着各向同性刻蚀的进行，刻蚀坑不断扩展并相互融合完成包络；最终原始粗糙表面被超光滑表面取代。 抛光过程的建模分析 根据上述抛光原理，研究人员对抛光过程中材料表面的形貌变化以及粗糙度变化进行了建模分析。抛光开始阶段，由于刻蚀坑的形成，表面粗糙度逐渐增加；随着抛光的进行，表面刻蚀位点互相融合取代了原始粗糙表面，表面粗糙度迅速降低；最后，初始表面被完全取代，转变为超光滑表面。从该模型可知，基于提出的包络抛光原理，理论上可获得亚纳米级超光滑表面。 钛的刻蚀轮廓包络抛光过程的轮廓与形貌演变 以钛（TA2）的超精密抛光为例，研究人员通过对电解液和击穿电压等参数的优化，实现了材料表面的各向同性刻蚀。抛光所形成的刻蚀坑呈现规则的半球形，密度可控，内表面具有纳米级粗糙度（Sa=1.13nm）。研究结果表明，此方法对TA2可实现15.1m/min的高效率去除，在抛光3分钟后表面粗糙度Sa从64.1nm迅速降低到1.23nm，高效率获得了纳米级表面。 各种金属材料的抛光效果图 同时，研究团队也将这一抛光技术应用到了其他典型金属材料，如镍磷合金、镍钛合金、304不锈钢、6063铝合金、Inconel718合金等。抛光后的样品表面都具备了镜面效果，也都获得了纳米级表面粗糙度。这一结果表明：研究团队提出的各向同性刻蚀轮廓包络抛光技术可作为一种普适性抛光加工手段应用于常见金属材料，具有显著的工业应用价值。 邓辉介绍，此项研究所提出的刻蚀轮廓包络抛光技术避免了使用传统抛光工艺所不可或缺的刚性工具，因此该技术不存在“刀具干涉”问题，可以加工具有复杂外形和内腔结构的金属零件，加工效率高且加工后表面无残余应力。此外，由该技术的加工原理可知，这一技术适用于绝大部分的金属材料，具有较强的通用性。未来，这一技术有望在航空航天和汽车零部件等领域投入应用，也可解决3D打印金属零件的后处理难题。 注：研究原文已上传。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.增材制造中表面光洁度的重要性，及光整加工技术的种类和应用现状 2.【增材制造】保证产品质量及批量生产的稳定性-FAA是怎么做的 3.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 4.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

轻质点阵结构在承载、吸能、隔热、隔震等领域有广泛的应用前景，采用3D打印制造点阵结构具有高效、灵活的特点，同时也成为3D打印领域的一项重要应用。然而，目前一体化打印的点阵结构存在各向异性和支撑材料去除的问题，前者使3D打印点阵结构的力学性能远小于理论值，后者则增加了后处理的时间与成本。 太空制造大型点阵结构 近日，中国科学院力学研究所热结构耦合力学课题组首次将嵌锁组装方法引入3D打印技术中来制备点阵结构，即通过将三维点阵结构“降维”，转化为二维杆件结构打印，再采用嵌锁组装方法将二维杆件拼装成三维的点阵结构。研究人员分别采用FDM和PolyJet工艺进行了验证，取得了惊人的结果。相关研究分别发表于发表在Materials and Design和Additive Manufacturing上。 研究人员采用该方法，针对熔融沉积成型(FDM)这一3D打印技术，制备了BCC构型点阵结构，实现了杆件结构中纤维的最优分布，相比于一体化打印的点阵结构强度提升了37.6%-65.3%，压缩模量提升了11.4％–39.6％，能量吸收能力提升了67％–270％。 除了机械性能的改善，该方法还实现了较好的表面质量，点阵结构的表面粗糙度较低。研究人员还在一定范围内成功预测了嵌锁点阵结构和一体打印点阵结构的峰值强度和压缩模量。 两种FDM点阵结构制备方法对比(a)一体化3D打印；(b)打印+嵌锁组装，红圈内可见卡扣结构 进一步将该方法拓展到聚合物喷射成型（PolyJet）技术中，制备了BCC、BCC-Z、FCC、Octet四类典型的点阵结构，实现了不同构型的PolyJet点阵结构中杆件的最佳打印方向（X-Y平面）。 （a）嵌锁组装与一体化打印点阵结构中杆件打印方向比较，嵌锁组装实现了所有杆件打印方向的力学性能最优（绿色），一体化打印有部分杆件的力学性能较差（黄色和红色）（b）嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构多胞与单胞试样 PolyJet制备的四类典型3D点阵结构 采用Polyjet技术打印的点阵结构，同样实现了力学性能的提升，与一体化打印的结构相比，压缩强度提升均在100%以上，能量吸收能力提升了72%~186%。由于打印过程无需支撑材料的辅助，打印时间和打印耗材均降低了80%以上。 嵌锁组装制备的PolyJet点阵结构提升了力学性能、节约了制备成本。图为两种制备方法比较（a）压缩强度；（b）比吸能；（c）打印耗材；（d）打印时间 END 由于点阵结构的杆件均是沿着无支撑或最优的方向进行打印，组装后的点阵结构整体力学性能得到改善。研究人员建立了四类点阵构型面外压缩力学性能的理论模型，试验结果表明，嵌锁组装点阵结构的压缩强度与理论压缩强度接近。 当然，并不是所有的点阵产品都适合这种嵌锁组装方式制备，该研究实际上为高效制备力学性能优异的大尺寸3D打印点阵结构提供了可能。 注：研究原文已上传QQ群。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： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.3D打印实现制造轻量化（二）：优化设计，降低材料使用要求 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

聚合物发泡材料是指以聚合物（塑料、橡胶、弹性体或天然高分子材料）为基础而其内部具有无数气泡的微孔材料，也可以视为以气体为填料的复合材料。 目前，聚合物发泡材料主要是采用发泡剂在树脂内部直接膨胀发泡来制备。但该过程中不可避免且很难控制的泡孔成核、合并、破裂等因素会对泡孔的结构和形貌产生较大的破坏，进而影响到使用性能，如何精准的控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构目前仍然是一个难点。 为了解决直接膨胀发泡法制备聚合物泡沫过程中存在的一些问题，来自美国哈佛大学的研究人员将3D打印技术应用到聚合物泡沫制备中，首次开发出可直接书写的聚合物气泡“墨水”，通过直接书写--紫外固化相结合的方式制备出了微观泡孔形貌、分布以及宏观泡沫结构精确可调的聚合物泡沫，并且通过改变气泡“墨水”的组成，还可以赋予泡沫新的功能。 直接书写法制备泡沫原理为了使直接书写的“墨水”形成宏观泡沫的单个微观气泡，研究人员设计了内外双层结构的特殊喷嘴：内管输送含有聚合物单体、引发剂和表面活性剂的聚合物前驱体溶液，外管输送气体，两者在喷嘴口混合，形成可书写的气泡“墨水”，单个气泡从喷嘴滴落到基底上堆积，紫外光引发聚合后，气泡之间粘合形成宏观泡沫块体。 泡沫书写和固化装置 其中，“墨水”滴落流量以及气体气压是制备不同微观泡孔形貌的关键：根据理论计算及实验结果，作者绘制了前驱体液体流量与气压对气泡“墨水”形态影响的相图。 相比于传统的泡沫制备方法，直接书写法有以下4点优势： 优势一：泡孔形貌及分布可控 泡沫大部分性能与泡孔形貌直接相关，精确制定泡孔形貌进而制备优异性能的泡沫正是直接书写发泡法的最大创新点。泡孔形貌主要包括开/闭孔结构、孔径大小及分布这三个要素。作者通过气体的种类来控制开闭孔结构：以具有聚合阻聚作用的O2为气体时可以使接触O2面的，深度约至40um范围内的单体停止或延迟聚合，从而泡壁变薄，最终变为开孔泡沫；以惰性的N2为气体源时，聚合正常发生，泡壁较厚，形成闭孔泡沫。孔径大小及分布则由气压来调节，较低气压得到的泡孔直径大致为0.5 mm，分布十分均匀；当气压增加后，得到的泡孔孔径介于0.3- 0.7mm之间，分布也较宽。 开孔和闭孔泡沫制备过程 优势二：制备多层次结构泡沫 在喷嘴书写的同时改变喷嘴的空间位置以及气压大小，可以制备不同3D构架的多层次结构材料，如三角形栅格等。通过增加气压或者减缓喷嘴的移动速度，栅格的单根构件就会变宽，反之亦然。 构建的多层次三角形栅格宏观与微观结构 优势三：制备机械性能梯度性泡沫 在连续书写过程中间断性的调整工艺参数来改变局部泡沫之间密度以及模量等参数，使最终得到的泡沫在整体力学性能上呈现出几个数量级的梯度性，实现了像堆积木一样把数个不同的小组分结构件组合成为一个大的宏观体。这种结构的泡沫很难通过常规发泡方法制得。 优势四：制备功能化泡沫 改变前驱体溶液的组成，比如加入某种功能化物质，在泡沫形成后该物质保留可赋予泡沫新的功能。比如，在前驱体溶液中提前加入AgNO3，固化处理后转变为含纳米银的柔性泡沫，压缩时电阻变小，且对压力有很好的线性关系和有很高的灵敏度，有望用于压力传感器。 EOS 3D打印弹性泡沫应用研发与生产EOS 3D打印弹性泡沫使用TPU或PEBA等柔韧性极高的聚合物材料，采用激光烧结技术制造，可以对每个体素（体积像素）进行深度微调，从而获得绝佳的舒适性、安全性和功能性。采用传统工艺时，此过程异常繁琐，需要复杂的工程设计和漫长的生产周期才能生产出符合要求的产品。 EOS 3D打印弹性泡沫动画效果 基于该工艺生产的弹性泡沫材料主要用于生产保护性头盔、个性化矫形器、高性能鞋具以及其他各类应用产品。 为推动3D打印泡沫的应用，EOS推出了Digital Foam计划 目前，EOS的3D打印泡沫制造工艺已经有了很多案例，如橄榄球头盔、矫正鞋垫等等。 END 哈佛大学的研究结果表明直接书写法可以精确地控制微观泡孔形貌和宏观泡沫结构，对泡沫的力学性能进行程序化调控，并且还可以很方便地赋予泡沫新功能，对以后泡沫制备方式的改进有着积极的推动作用。而EOS的技术则直接推动了3D打印泡沫的应用。弹性泡沫遇上3D 打印，将使得该行业重新焕发生机，生产出更舒适、更安全、更轻便且可以个性化定制的产品。 注：研究原文已上传。 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.先进材料正在塑造聚合物增材制造的未来 2.中国高分子材料3D打印发展现状概览

在激光金属增材制造中，熔池内的熔体流动决定了熔体的传热传质过程，对熔池、缺陷的形成和演化、凝固和飞溅的产生起着关键作用。因此，熔体流动行为显著影响增材制造零件的微观结构和性能，了解熔体的流动行为对于微观组织预测和过程控制至关重要。在过去30年的时间里，关于熔池中的熔体流动行为一直没有研究透彻。近日，来自麦迪逊大学、密苏里理工大学以及美国阿贡国家实验室的研究人员共同揭示并量化了熔池不同区域中特定位置的流动模式，为研究实际增材制造条件下详细的熔体流动动力学开辟了道路。该研究的主要研究人员为中国或华裔学者，本期，3D打印技术参考对研究主要内容进行介绍。 熔体的熔化模式与表征三维熔体流动的挑战性由于难以通过实验方法直观地观察熔池内部的流体流动，研究人员因此通过广泛的建模和仿真来研究各种条件下的流动模式。材料的熔化方式被分为凹陷熔化和传导熔化。在高功率密度下，由于强烈的材料汽化而产生的反冲压力会在熔池中形成凹陷，即凹陷模式熔化；在低功率密度下，形成的熔池相对较浅、较宽，没有明显的凹陷，形成传导模式熔化。 考虑到激光增材制造中物理学的复杂性，使用单个数值模型来模拟所涉及的多物理现象是极具挑战性的。在真实的激光增材制造条件下，尤其是在激光粉末床熔合条件下，表征三维熔体流动更具挑战性，因为激光通常以更高的速度扫描，并且产生的熔池更小。因此，科学界尚未揭示实际激光增材制造条件下整个熔池中的熔体流动行为。 熔体流动动力学原位采样示意图，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 在这项工作中，研究人员开发了一种方法，通过均匀分散大量的微量示踪剂（直径约5μm）并进行原位高速高分辨率x射线原位成像，研究激光增材制造过程中整个熔池中的熔体流动行为。揭示了在传导模式熔化和凹陷模式熔化下整个熔池中每个位置的熔体流动动力学，并分析了熔池中液体流动的驱动力和物理过程。 实验参数设置与熔化模式 实验采用了AlSi10Mg和Al-6061两种铝合金。选择铝合金是因为它们的X射线穿透性更高，同时验证在AlSi10Mg中观察到的熔体流动模式是否也可以在另一种具有不同成分的Al-6061中观察到。 在粉末床的前后两侧分别架设X射线测量装置，分别捕获横向和纵向的颗粒运动。 两种熔化模式下的熔体流动方式由于这两种熔化模式的物理基础不同，传导熔化和凹陷熔化的熔体流动行为表现出很大的不同。 在传导熔化模式下，材料表面被加热，能量吸收的速度超过了热量散失的速度，材料温度最终达到熔点形成熔池。熔体的流动模式相对简单，主要受到Marangoni驱动力的作用，熔体从较热区域流向较冷区域，即从激光加热点到熔池边缘。激光束前面的表面流向前移动（顺时针），而激光束后面的表面流向后移动（逆时针），当到达熔池的每个边缘时，它们将向下流动并在液压的作用下返回到激光加热点，形成两个闭合回路。 传导熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡 传导模式下全熔池熔体流动的三维重构 在凹陷熔化模式下，热源能量非常强烈，材料温度不仅超过熔点，而且达到了沸点。在这种情况下，材料的强烈汽化会施加反冲压力进入熔池，从而形成一个凹陷区。在焊接领域，当凹陷区域尺寸比（深度超过一半宽度）大于1时，凹陷模式也称为“锁孔模式”，在这种模式下，热源不仅加热材料的上表面，还通过凹陷区加热材料的内部。 由于强烈汽化引起凹陷，在凹陷模式熔池中的流动模式相当复杂。与汽化有关的力和Marangoni力主导着凹陷周围的流动模式。而且随着凹陷的形成，激光束直接与熔池内部相互作用，从而促进了能量吸收，与传导模式相比，能量吸收导致熔池更大，流动更复杂。 凹陷熔化模式下熔体流动横纵向视图过渡 凹陷上部的熔体向上移动，而靠近凹陷底部的熔体由于受到反冲压力向下移动；熔池表面附近的流动从凹陷出口向熔池尾部向后移动，熔池底部的流动也有向后移动的趋势，除了在熔池的后底部观察到短的向前流动，两股熔体最终合并向上移动，并分裂成两个相反的方向。除此之外，其他位置的流体流动模式和流动速度也各不相同，分别受到不同作用力的控制（详细内容查询原文）。 传导模式下全熔池熔体流动的三维重构 END 总的来说，本项研究的重要意义在于首次揭示并量化了在激光金属增材制造过程中，传导模式熔化和凹陷模式熔化下，整个熔池中每个位置的熔体流动动力学。 通过原位高速高分辨率X射线成像的方法为研究实际增材制造条件下的熔体流动动力学开辟了道路，其发现不仅对理解激光增材制造工艺和其他激光工艺至关重要，对于开发可靠的高保真计算模型也至关重要。 注：本文仅限于学术分享，研究原文已上传至QQ群，谢绝转载至微信以外平台。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：网址： 延伸阅读：1.3D打印工艺预测、性能数据库和全动态工艺自适应调整软件 2.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

近日，深圳大学增材制造研究所与核工业西南物理研究院合作，在知名SCI期刊《Additive Manufacturing》（影响因子7.17，中科院1区，TOP期刊，制造工程类JCR排名第一）发表题为《3D printing of ceramic cellularstructures for potential nuclear fusion application》的论文。首次提出并报道了基于3D打印一体化自由设计和成形复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷件，有望替代传统的微球床结构，作为聚变堆的氚增殖陶瓷单元，具有重要应用前景。该论文为深圳大学首次在《Additive Manufacturing》期刊发表的论文。人类社会当前能源资源匮乏且化石能源环境污染和温室效应加剧，可再生能源发展成为研究热点。被誉为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变的商业化将能有效缓解上述需求。作为磁约束聚变堆的一个重要组件，固态产氚包层是聚变能商业化应用前需要解决的核心问题之一。作为包层首选氚增殖剂材料，正硅酸锂(Li4SiO4)产氚单元的加工制造为包层技术的实现提供基础（通俗点说就是，“人造太阳”是由氢元素的同位素氘和氚在高温高压条件下产生核聚变反应并生成大量热能用于发电。氘可由海水提取产量丰富，而氚几乎不存在于自然界，需要靠氦与锂陶瓷不断催化反应生成，产氚单元就提供了这个重要核心功能）。传统的锂陶瓷产氚单元一般为微球堆积的球床结构，填充率有限，且微球堆积产生的应力集中易造成形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。 图1 聚变堆球床结构、及其应力集中与缺陷问题 针对上述问题，深圳大学增材制造研究所团队与核工业西南物理研究院联合提出了3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法，研发光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体。由于该粉体具有较强的物理化学活性，因此增材制造所在陶瓷浆料配制过程中研究采取特殊处理工艺，并设计打印制造出了一体化无缺陷结构，获得了比传统球床结构更优异的结构稳定性与力学性能，且拥有可调控填充比，不仅克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，还有望实现产氚效率的大幅提升。本研究将为替代传统球床陶瓷产氚结构提供可能，在聚变堆应用方面极具前景。 图2 保证相纯度的正硅酸锂陶瓷浆料特殊配制工艺 图3 光固化3D打印部分正硅酸锂陶瓷产氚单元展示及其优异力学性能 投稿过程中国际同行审稿人给予高度评价，认为本文提出的光固化3D打印在核聚变陶瓷部件的制造与应用极具创新性。论文第一作者为陈张伟教授指导的研究生刘雨，陈张伟教授为通讯作者，深圳大学为第一完成和通讯单位。研究获得了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅激光与增材制造重大专项、广东省自然科学基金面上项目、深圳市科创委基础研究面上项目、孔雀技术创新项目等基金的大力支持。 据悉，此前增材制造研究所已围绕聚变堆第一壁CLF-1钢构件的SLM工艺及其组织性能调控开展了系统工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧RAFM钢的开发，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形CLF-1钢兼具高强度（屈服强度1053 MPa）与高塑性（延伸率16.9%），其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。通过对比研究S209和S98的微观组织和力学性能，揭示了SLM成形CLF-1钢的强韧化机理，其高强度取决于细晶和细小马氏体片层，高塑性得益于这种双/多模组织对位错主导的加工硬化能力的改善。该工作为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供重要理论依据和技术指导，促进聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。相关研究成果发表于国际知名学术期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。 深圳大学增材制造研究所近年研究进展近年来，深圳大学增材制造研究所团队围绕各类材料与先进应用领域，特别是陶瓷、金属及其他复合材料在环保催化、新能源器件、核聚变堆、轻质高强部件等方面的应用开展了大量工作，取得了一定成果，发表高水平SCI论文20余篇，其中1篇入选ESI 1%高被引论文（Highly-cited Paper），和0.1%热点论文（HotPaper）。部分成果总结如下： ① 3D打印（光固化）聚变堆氚增殖陶瓷单元研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042030720X ② 3D打印（光固化）堇青石蜂窝陶瓷尾气净化器载体研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219316761 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219305632 ③ 3D打印（低温直写）锂离子电池电极研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468619310151 https://www.hindawi.com/journals/jnm/2019/1291067/ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219309496 https://www.mdpi.com/1996-1944/10/8/934/xml ④ 3D打印（喷墨打印）燃料电池电极及其他器件研究 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/fuce.201700128 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219325404 https://www.nature.com/articles/s41699-019-0117-3 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884218310496 ⑤ 3D打印（选区激光熔化）聚变堆第一壁结构件及其他金属材料研究 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2019.1631224 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509319311505 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030219302695 https://www.mdpi.com/2075-4701/10/5/593 ⑥ 3D打印（光固化）轻质高强前驱体转化陶瓷研究 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884218306382 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838819308333 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2019.1710919 ⑦ 3D打印综述文章 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221918306782（ESI1%高被引论文，0.1%热点论文，目前深大材料科学领域仅2篇热点论文） https://www.mdpi.com/2073-4360/10/6/629（期刊近两年Top downloaded paper） 33-41万年薪招聘博士后研究所热忱欢迎有志于3D打印的博士加入开展博士后工作，现亟需招聘与高分子化学、材料、数值仿真或其他与3D打印相关专业的博士后数名。具体要求和待遇如下： 1. 应聘者要求 （1）近 5 年内获得博士毕业证书和学位证书，年龄不超过 35 周岁，身心健康； （2）对任何材料的3D打印感兴趣，且具有机械、材料、物理、化学、数值模拟等相关学科的博士学位或即将取得博士学位； （2）具有较强的科研创新能力及英语写作能力，具有良好的学术道德、严谨的科研态度，具有良好的团队 合作精神，积极主动的完成研究工作； （3）具有独立承担课题的能力，并协助指导研究生和课题申报相关工作；…

在粉末床激光熔融技术中，材料从生产、运输、储存到打印以及循环使用过程中，粉末在整个工艺链中一直处于多种机械和大气环境之下，粉末颗粒的化学成分和形状，以及整个粉末材料的特性，可能会受到大气、温度、湿度以及外力等因素的影响。 本文讨论了TC4粉末在整个工艺流程中潜在的重要影响因素，研究结果可用于其他粉末处理和管理，确保材料在整个使用寿命内的质量，使SLM工艺更加稳健和可靠。 粉末生产因素为了评价粉末的特性和批次稳定性，研究了TC4（5级）三种不同工艺（气雾化EIGA、等离子雾化PA、电感耦合等离子雾化ICPA）生产的相同规格、两个批次的粉末，分别测定这些粉末的粒度分布、颗粒形貌以及流动性。 结果显示，三种粉末颗粒的尺寸均在15-65微米之间，呈高斯分布，但PA和ICPA粉末与EIGA粉末相比显示出更宽的粒度分布。霍尔流量计测量的流动时间在14.6s-16.1s的范围内，说明所有粉末和批次都具有良好的流动性。电镜结果显示出，三种粉末都具有高球形，不过EIGA粉末颗粒有些轻微拉长，而ICPA粉末含有不少卫星粉。 三种工艺生产的粉末粒度分布 EIGA、ICPA、PA工艺生产的粉末形貌 为了评估每批粉末的可打印性，在SLM 250HL设备上进行工艺调试，得到32个不同的参数集。对于每组工艺制备的试样，分别进行孔隙测量和分析。 密度块的测试结果显示，所有粉末（不同工艺和批次）都可以获得密度高于99%的立方体。应注意的是，每种粉末和批次可能适用不同的工艺。 不同粉末打印能量密度与致密度对应表 因此可以得出结论 不同工艺生产的粉末颗粒形状和尺寸分布有差异。 每种粉末和每个批次均可以通过工艺调试得到致密度达99.9％的零件（这也意味着，粉末的这些差异导致了相同工艺的不适用）。 粉末储存及运输因素为了研究运输和储存过程中（如温度和湿度）的影响，将商品化的粉末容器储存在人工气候箱中，该气候箱的温度保持30°C恒定，相对湿度在12天内从20%增加到95%，每天取样进行表征。 温湿度场景 结果表明，在按照体积进行统计时，D10、D50、D90的数值并未有明显变化；如果按颗粒数进行统计（不同尺寸颗粒的数量所占的百分比，如图中D90表示有90%数量的颗粒尺寸是小于X微米的），可以发现粉末出现明显的粗化行为。因此可以假设，随着湿度的增加，较小的颗粒粘附在较大的颗粒上，造成了粉末尺寸的变化，且霍尔流量计测量的流动时间从15.1s减少为14.5s（也即随着时间推移，颗粒出现团聚）。 随时间延长，粉末的粒度分布（分别以体积和颗粒数进行统计） 为研究粉末储存时是否需要氩气保护，将两个粉末容器在30°C和30％相对湿度的相同条件下存储。一个容器一直完好存储，另一个容器的保护气氛通过一次打开过程而被破坏。在十天的存储期后，制备了用于机械测试和元素测量的样品。 拉伸试验的结果显示，在有保护气氛和无保护气氛下，试样的极限抗拉强度基本一致；潮湿环境下储存的粉末，其极限强度最高，相比干燥粉末打印的试样略微提高了5%，而延伸率下降严重。气体含量测量证实，潮湿环境下，试样的氧含量比干燥环境下高约10%，这导致了材料脆化。 粉末在潮湿环境、氩气保护和无氩气保护下的打印件的力学性能 不同储存条件下试样的氢氧氮成分含量 该部分的主要结论 粉末存储环境的湿度对粉末的粒度分布影响不大，但潮湿的环境仍然会造成细粉团聚，并增加氢氮氧的吸收。 氩气保护气氛对粉末和零件性能无重大影响。 单层连续扫描面积的影响为了研究3D打印过程中的粉末粗化行为，研究人员将激光连续扫描的面积与飞溅物形成的总量联系起来设计了一项实验方案。实验分为四组，所有打印零件的总体积一样，但零件数量被分割为1、4、16、64个。每次打印完，测量粉末粒度。 体积相同，但单层连续扫描的面积不同 测试结果发现，四种打印方式最终的粉末粒度并没有显著差异，证明连续扫描面积对粉末粗化没有影响。 不同连续扫描之后的粒度平均分布 不过，所有样件均可以检测到氮和氧的吸收，尤其是对于“1:1”的样品吸收量非常高。对于原始粉末，测得氧含量为841ppm，氮含量为178ppm。研究人员认为，较大的连续扫描面积会导致样品温度升高，从而增加了结构对气体的吸收亲和力。 不同连续扫描面积样品的氮氧吸收情况 针对粉末循环使用对产品质量稳定性产生的影响，设计的实验方案为，同一批粉末连续打印17次，期间均未加入过新粉，每次打印完成后，对粉末进行彻底筛分；每次制造工作开始前，会对该次实验的粉末进行粒度测试。所制备的样品进行拉伸试验测试，并测定气体含量的吸收，所有样品均在打印态条件下测试。 测试的结果显示，粉末粒度D10、D50、D90随循环次数的增加均没有明显的变化。D90值的数字高偏差可能是由于采样不足造成的。 粉末循环使用过程中的粒度变化 力学性能的测试也没有发现明显变化，屈服强度的略微增加和伸长率的降低，可以认为仅有轻微的脆化。 不同循环下的力学测试结果 脆化可以通过随着循环次数的增加氧含量的变化来解释。从试验开始到结束，氧含量的吸收增加了约20%，这可能是由于随着循环次数的增加，粉末中含氧量较高的飞溅物越来越多导致的，这一现象在对AlSi10Mg的研究也发现了类似的结果。 不同循环次数下的氮氧氢吸收情况 本部分得出的结论 在连续大区域扫描时，氢氧氮的吸收会增加。为避免在工业应用中出现这种现象，应当注意打印方向和扫描策略，以使这种影响最小化。 在17个生产周期后，检测到氢氧氮的含量增加了约20％，材料出现脆化趋势。 对不同循环次数下，SLM成形试样的力学性能对比研究发现，力学性能与粉末循环次数无明显的关联。 END 这项研究的结论有一定的指导意义，但还不足以作为本行业粉末管理的标准。一直以来国内也有类似的研究，在结果上有一致也有差异，有兴趣的读者可以拿来对比，作为参考。 在实际的工业生产中，粉末的保存应当保持干燥，不定时的补充新粉也可以作为保证质量的有效途径。随着研究的深入，粉末的管理应当逐渐有一个明确的标准。 注：本文仅限于参考，谢绝转载至微信以外平台。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.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 2.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 3.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

海绵状组织是阴茎的重要组成部分。具有完整海绵窦结构的健康海绵组织是维持阴茎正常勃起功能和泌尿功能的前提。作为末端器官，阴茎海绵体不能通过再生得到修复，而人工修复受伤海绵体往往会受到解刨学、美学、功能方面和伦理道德的挑战。因此，迫切需要探索一种有效的海绵体重建再生治疗方法。由于海绵窦的复杂结构和满足其生理功能所必需的特殊机械性能，用于海绵体修复的生物材料必须具有良好的加工性能，适当的机械性能和生物相容性。另外，海绵体的正常组织功能（例如勃起和射精），取决于海绵窦内微血管系统的正常循环和血液供应。因此微血管系统的重建在海绵体功能的恢复中起着至关重要的作用。生物工程血管化海绵体实现海绵体修复基于此，华南理工大学施雪涛教授和美国俄克拉荷马大学毛传斌教授构建了一种表面有肝素涂层的3D打印水凝胶支架，并向其中植入了缺氧诱导因子（HIF-1α）突变的肌源性干细胞（MDSCs），以制备生物工程血管化海绵体。将这种水凝胶支架植入海绵体缺损的兔模型中，显示出良好的生物相容性，无免疫排斥反应，支持血管组织向内生长并促进新血管生成以修复缺陷。对修复后海绵体组织的形态、海绵体内压力、弹性和收缩性的评价证明3D打印水凝胶支架不仅成功修复了阴茎缺损并恢复了阴茎勃起和射精功能，恢复了受伤雄兔的生殖能力。图1 兔海绵体损伤修复示意图生物工程血管化海绵体的制备鉴于调节血管生长因子的关键转录激活因子HIF-1α的表达对氧非常敏感，作者通过慢病毒转染基因突变技术制备了HIF-1α过表达的MDSCs（mHIF-1α MDSCs）。这种mHIF-1α MDSCs不仅在常氧和低氧状态下稳定且高水平地表达HIF-1α，而且在HIF-1α的调节下明显提高血管生成相关因子的表达，从而促进新血管的形成。此外，肝素是一种荷负电的多糖大分子，对血管生成因子具有良好的亲和力，可以通过结合血管生成蛋白，如血管内皮生长因子（VEGF），提高其稳定性，从而加速新生血管的形成。因此，作者首先利用2%甲基丙烯酸酯化透明质酸（HAMA）、15%甲基丙烯酰胺改性的明胶（GelMA）和0.5%光引发剂（12959）作为3D打印墨水，3D打印制备得到具有良好生物相容性和可降解性的3D打印水凝胶支架。然后利用聚赖氨酸（PLL）层层自组装的方式，将肝素沉积到3D打印的水凝胶支架上。最后将mHIF-1α MDSCs接种到肝素涂层支架上，再将其植入损伤的海绵体中（图1）。图2 细胞负载的3D水凝胶支架在裸鼠皮下植入的实验评价生物工程血管化海绵体促进血管再生由于3D打印水凝胶支架具有多尺度的多孔结构，类似于原始的阴茎海绵体组织。在植入后作者发现水凝胶支架材料与自体组织完全相容，无组织坏死（图2a）。作者进一步通过研究发现，负载mHIF-1α MDSCs和肝素的3D水凝胶支架中出现了最多的新生血管，并且在材料降解的同时，新生组织开始在整个支架上生长，填满支架的孔隙，从而保持甚至提高了支架的抗压强度。此外，3D打印水凝胶支架表面的肝素可以特异性结合血管生成因子，延长这些生长因子的有效时间，促进血管再生，增加组织中的血管密度（图2ef）。图3在修复的海绵体中检测ICP、MAP和器官浴试验生物工程血管化海绵体实现生理功能的恢复作者通过对3D打印水凝胶支架进行压缩试验和循环压缩试验发现，水凝胶支架的杨氏模量（40.14 ± 9.03 kPa）接近天然海绵体（〜20 kPa）。并且在20次循环压缩测试（应力高达40 kPa）后仍保持其原始机械性能，未出现任何损坏（在男性勃起功能中结构应力的升高范围为5.1-31.5 kPa）。证明阴茎结构应力的升高不会对植入支架造成损伤。此外，功能评价和组织学形态表明，HIF-1α变异MDSCs负载水凝胶支架可以实现受伤阴茎海绵体的修复，其腔内压力（ICP）和平均动脉压（MAP）均可类比于正常海绵体，并且相对最大收缩力（MCF）可达原体海绵体的77%（图3）。此外，被HIF-1α变异MDSCs负载水凝胶支架修复的雄性兔子通过交配在4个月内成功繁育出下一代（图4），而对照组的雄性兔子没有或只繁育出一只兔子，进一步证实其生理功能的恢复（包括勃起功能和射精功能）。图4 HIF-1α变异MDSCs负载水凝胶支架修复的雄性兔子生理功能的恢复总结与展望3D打印水凝胶支架成功修复海绵体缺损，恢复其勃起和射精功能，使模型兔恢复生殖能力。这种修复策略对于海绵体重建恢复男性生殖能力具有重要的价值。除了修复海绵体组织缺损外，这类3D打印支架还具有修复其他含血管组织的潜力（例如皮肤、鼻组织和心肌组织等）。来源：高分子科学前沿

由于工业应用领域的需求，3D打印材料的疲劳性能（尤其是超高周疲劳性能）和相应的疲劳机理成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。 在《EOS如何提高材料的疲劳性能》一文中，我们介绍了EOS通过优化的打印工艺配合热等静压来提高钛合金疲劳性能，而中科院力学所近期连发两篇论文不仅给出了增材制造零件特殊的疲劳机理，还从设计和制造两方面提出了提高疲劳性能的建议。本期，3D打印技术参考来介绍该研究的主要内容。 钛合金是工业应用的重要材料 中国科学院力学研究所金属材料微结构与力学性能课题组近期在增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)疲劳特性上开展了系列研究工作。课题组对增材制造钛合金进行了疲劳性能测试，获得了材料高周及超高周疲劳性能。通过对疲劳断口观察，报道了增材制造钛合金高周及超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部孔洞及未融合缺陷(与打印方向无关)，并形成“鱼眼状”断口形貌的新现象。这和传统锻造金属材料的疲劳特征与裂纹萌生机理大不相同。 高周、超高周疲劳测试试样   S-N曲线、超高周疲劳强度统计分布 根据裂纹源尺寸的分布特征，构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。基于材料疲劳寿命数据和疲劳裂纹缺陷尺寸，进行了概率统计分析，得到该材料的高周、超高周疲劳失效概率与疲劳寿命、外加载荷的关系。此外，为进一步探索疲劳裂纹扩展特性，课题组利用原位疲劳加载装置，获得了不同温度下、不同制备取向的Ti-6Al-4V裂扩展速率，揭示了不同取向增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的机制。 不同温度、不同制备取向，裂纹长度随疲劳周次变化 主要结论 1. 发现材料的疲劳性能与打印方向有关，水平打印试样的疲劳性能优于倾斜45度和垂直打印的试样，后者相比水平样品有更多和更大的缺陷和未熔颗粒。 2. SLM过程中形成的缺陷会影响裂纹的扩展行为，局部结构如缺陷和夹杂的不均匀性改变了裂纹扩展路径，降低了裂纹扩展速率。 3. SLM制备的Ti-6Al-4V试样的裂纹扩展速率随温度的升高而增大。高温下裂纹扩展过程中会产生大量二次裂纹。二次裂纹的分支释放了裂纹尖端的能量，从而减缓了裂纹的扩展。 采用SLM制造的复杂结构零件经常受到循环载荷的作用，疲劳强度是工程应用的一个基本特性。基于以上发现，为了提高零件的疲劳强度，首先要用有限元法进行力学分析，找出结构中的薄弱点，然后根据本研究的结论，选择有利于薄弱位置的打印方向，那么整个复杂零件的疲劳强度都会得到提高。 本项研究的结果为从构建方向的角度设计结构提供了一个方案，在更深入的研究中，还会涉及到结构设计优化的问题，这需要进一步的精确研究。 END 该研究不仅为增材制造钛合金的工程应用提供了有效的疲劳性能数据，同时，对于探索增材制造钛合金的裂纹萌生及扩展机制奠定了理论基础。 此外，该研究得到了国家自然科学基金重点项目、中科院率先行动计划项目支持。相关工作近期发表在疲劳研究领域期刊International Journal of Fatigue，并得到国际同行的高度评价，作者为钱桂安研究员。 注：部分内容参考自中科院之声，研究原文已上传。 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.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案） 2.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 3.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

金属点阵结构，由于其优秀的机械性能和多功能性，被广泛用于能量吸收、热交换和结构部件。金属3D打印技术（SLM）在制造复杂晶格结构方面具有显著优势，目前已成为该领域的一项重要应用。然而该技术本身目前所无法有效克服的缺陷问题却极少在点阵结构制造中被重视，而且实际制备的试样和理想设计模型往往存在较大偏差。基于此，北京理工大学方岱宁院士团队的研究人员对其进行了深入研究。本期，3D打印技术参考对主要的研究内容进行介绍。 文章指出，研究人员往往采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法对3D打印的金属点阵结构进行研究，发现此类结构的力学性能主要取决于单元拓扑结构、几何参数、加载条件和制造工艺等因素。然而，大多数研究者在建立理论模型或有限元模型时，只强调拓扑结构与力学响应之间的严格关系，却忽略了几何缺陷的影响。 铝合金材料以及3D打印的实际点阵结构和模拟的机械性能 此外，一旦实验数据与模拟结果出现明显偏差，研究人员往往将其归因于制造缺陷。实际上，现有的几何缺陷也会对晶格的力学性能和变形机制产生重大影响，这在有限元模型的性能模拟中是不可忽略的。 3D打印的晶格结构和拉伸试样 北京理工大学采用X射线CT、原位压缩试验、统计有限元模型和数值模拟相结合的方法对3D打印产生的几何缺陷可能造成的影响进行了评价，分析了不同几何缺陷对点阵结构力学性能、变形机理和能量吸收能力的影响。 具有不同制造方向的点阵杆件的微结构 研究发现，理想实验模型的力学性能模拟结果与实验结果相比有很大差距，而如果把打印的晶格结构进行CT扫描，进而把提取到的几何缺陷引入到有限元模型中，再次模拟的结果则会与实际相吻合；此外，晶格结构中杆的厚度相比孔洞缺陷和杆件弯曲缺陷，对机械性能和能量吸收特性有更大的影响；水平杆相比竖直杆具有更多的随机几何缺陷。 理想和统计的有限元模型 总的来说，北理工的研究主要探讨了3D打印过程产生的随机缺陷对点阵结构性能的影响，拓宽和发展了有限元计算模型，所提出的统计有限元模型方法，能够更好地预测所制备试样的力学性能。如果能够将相关的统计有限元模型方法运用到实际计算中，将对结构安全可靠性的评估具有很好的指导意义。 注：方岱宁院士为国内材料与结构力学领域专家，北京理工大学先进结构技术研究院名誉院长兼首席科学家。主要从事轻量化力学超材料设计制备与性能表征、先进抗爆防护材料与结构等研究。研究原文已上传。欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：网址： 延伸阅读： 1.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景 2.3D打印实现制造轻量化：优化设计，降低材料使用要求 3.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 4.新一代载人飞船实验船，实现60余件金属3D打印产品在轨应用

尽管采用选择性激光熔融（SLM）技术打印的材料具有可以超越铸造材料的拉伸强度和屈服强度，但它们经常会在远低于预期塑性的情况下失效。这一点在Al-12Si和AlMgSi系合金中已经得到证实，其加工硬化曲线与拉伸应力-应变曲线不满足Considère判据，材料在颈缩之前已经失效。4.24日，华南理工大学在nature子刊《NPG Asia Materials》发文指出，过早失效是SLM制造金属材料中非常普遍的现象，研究人员不仅提出了造成材料失效的根本原因，并为高强韧材料的开发提供了思路。 Nature子刊《NPG Asia Materials》封面文章 华南理工大学王智教授与其合作者采用SLM技术，以Ag-Cu-Ge为研究对象探讨了材料过早失效的机理，明确指出高密度结构缺陷和孔洞、未熔化颗粒以及微裂纹等是增材制造金属材料发生过早失效的根本原因，裂纹在孔洞和未熔化颗粒处萌生并沿内部结构缺陷扩展直接导致了材料失效。 与此同时，本文研究人员通过SLM技术制造的试样，改变了纳米胞状组织的界面连续析出脆性相，得到了有规律排列的不连续析出相，使材料最终达到了410±3 MPa的超高强度，同时具有16±0.5％的均匀伸长率，超过了铸件和退火件的强度-韧性组合。 SLM和铸造Ag-Cu-Ge合金的力学性能比较 在机理方面，研究人员同样给出了详细的解释。采用SLM制造的金属材料的高强度是由于其内部的高密度位错、层错/孪晶、析出相和晶界对位错滑移的阻碍作用造成的。SLM试样具有较高的加工硬化率，可归因于多种变形机制的共同作用，这对于获得较高的均匀延伸率至关重要。在变形初始阶段，高应变硬化速率主要是由位错的大量积累引起的；在变形后期，大量形变孪晶的产生造成动态“霍尔-佩奇(Hall-Petch)”效应，进一步形成高应变硬化率。此外该研究指出，胞状组织中与银基体呈半共格关系的规律排列的不连续析出相可有效阻碍位错运动并提高强度，同时析出相变形过程中可产生孪晶，有利于缓解局部应力集中，避免裂纹萌生扩展，从而提高塑性。 SLM制造的Ag-Cu-Ge合金的典型组织 在实际生产上，可以通过两种途径来减轻材料过早失效情况的发生：一是减少外部缺陷，抑制裂纹萌生，可通过仔细清洗成形腔室，调控气体流量，采用优化的工艺参数以及使用无任何表面吸附气体的金属粉末打印来实现；二是减少内部缺陷，如热处理减少残余储存的位错，调控微观组织、优化裂纹扩展路径等来实现。 注：本文受作者支持，研究原文已上传QQ群。 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.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性 2.【高被引综述】增材制造制备新材料的研究进展 3.顶刊：3D打印出1.4GPa超高强度钢，致密度达99.25% 4.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹