2019年11月29日，北航侯慧龙副教授以第一作者身份在世界顶级期刊《Science》发表了最新研究成果，论文发现3D打印的制冷材料镍钛合金，可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了3D打印在优化固态制冷技术中的潜力。本期我们不仅要介绍这项研究，还将介绍能够开发超级材料的3D打印工艺。 北航Science最新成果封面 ▌制冷技术介绍 空调和制冷每年消耗全世界约五分之一的电力资源。更高效、更环保的制冷技术在最近十几年发展迅速。固态制冷技术（包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他）近年来引起关注。 弹性冷却效应 应力制冷技术（或称弹热制冷，是机械热制冷的形式之一）是通过外应力场的施加和移除可逆地改变材料的晶体结构对称性的引起材料放热和吸热。该技术发明于2012年，因其巨大的潜热效能，在2014年美国能源部统计的能够取代蒸气压缩式制冷的17种可选技术中排在首位。同时，应力制冷样机和应力蓄热热泵也在不断开发，以期接近实际应用。然而，应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率，并且其对制冷性能的长期稳定性影响也未得到解决。 ▌增材制造镍钛合金：首创性地为长寿命材料制造、选取和工程设计提供科学依据 增材制造镍钛合金能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料。通过精巧设计的“工艺-微结构-属性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉积技术中的局部熔融和快速冷却的特点，调节元素粉末的比例达到近共熔成分混合，实现在二元合金基体中镶嵌富镍金属间化合物的纳米复合微结构。所获得的应力制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后，相比于通常情况，其材料效率提高了4-7倍，并且在一百万次循环中拥有可重复的应力制冷性能。 图一：A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图；B. 镍钛合金相图；C-H. 作为范例展示，获得了柱状、管状和蜂窝状结构；F. 等温加载时各材料行为的对比；G. 绝热加载时各材料行为的对比；H. 各材料的滞后特性和效率的对比 先进的原位加载同步X射线衍射表征手段辅以微观力学模型揭示了二元合金基体和富镍金属间化合物的相互作用机制。基于实验观测创建了应力制冷材料输入能量耗散率与功能失效循环之间的唯象相关性，并且初步的实验统计显示该相关性可普适于固态制冷材料，首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。 图为3D打印抗疲劳、高性能制冷材料的示意图，作为范例展示，蜂窝状构件的形状和高度依次形成 增材制造应力制冷材料可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了增材制造在优化固态制冷技术的潜力。该项工作后续的研究将服务于国家在航空航天飞行器特种制冷技术的重大需求，结合北航航空科学与工程学院特色专业（包括飞行器结构强度和人机与环境工程），并与材料科学与工程学院、机械工程及自动化学院以及国内外相关单位合作进行。 注：研究全文已上传QQ群。 ▌激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力 在《采用人工智能和3D打印设计超级材料》一文中，我们提到，德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所借助AI和3D打印来寻找超级合金的合适配方。项目人员通过使用人工智能和机器学习来研究大量监测数据与实际工艺效果间的联系，并使用激光粉末堆焊技术，在具有挑战性的工作中开发新的超级合金。 通过激光粉末堆焊，可以整体制造由不同材料制成的部件，它可以将特定材料准确放置在需要其性能的位置。该技术为航空航天、燃气轮机开发更轻、更强和成本降低的部件提供了广阔的前景结合我们上周报道的中国留学生博士后Duyao Zhang发表的nature文章，也是采用了激光能量沉积技术制造超强材料钛铜合金。对比北航的最新成果，我们可以发现，这些研究普遍使用基于送粉的激光定向能量沉积技术开发超级材料。 激光能量沉积技术可以同时或连续地将不同粉末送入加工区，精确调节进给速率；性能最好、最昂贵、高抗性的材料只在最需要的位置释放，不同的粉末可以在激光的作用下实现共熔，构件的不同部位可实现不同的性能特点。因此，激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力。 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.采用人工智能和3D打印设计超级材料 2.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 3.大尺寸金属制造--激光熔化沉积技术 4.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法

3D打印的钛合金已经在许多领域获得应用。然而，该材料在和激光的相互作用中，高冷却速率和高温度梯度通常会产生非常精细的微观结构，并趋向于几乎完全的柱状晶粒生长。复杂的热力学环境使得钛合金在3D打印过程中容易变形和开裂，并且材料通常具有各向异性。即使通过对工艺参数的优化也难以促进晶粒等轴生长。与其他常见的工程合金相比，目前还没有商业化的钛合金晶粒细化剂能够有效地细化其组织。 新型3D打印超强钛合金—TiCu 近日，Nature刊载了由皇家墨尔本理工大学、俄亥俄州立大学、英联邦科学和工业研究组织以及昆士兰大学等多家机构的联合研究成果，他们共同开发了一款新型的钛铜合金3D打印材料，它的打印态显示出与常规使用的Ti6Al4V相当的机械性能，并且不易变形和开裂。而第一作者Duyao Zhang疑似中国留学生。 ▌3D打印过程获得完全等轴细晶粒组织，具有更高性能 这种专门开发的钛铜合金因在凝固过程中的元素分配而具有较高的组织过冷能力，它可以克服激光熔化过程中的高温度梯度，而无需任何特殊的工艺控制或其他热处理手段，在3D打印的过程中就可以形成完全的等轴细晶粒组织。相比于传统3D打印的柱状晶结构，这种结构的性能更加优异。 实验用的通快3D打印机 3D打印的Ti6Al4V和TiCu8.5组织结构，上图为沿打印方向粗大的柱状晶结构，下图为细密的等轴晶 与在类似加工条件下的常规合金相比，完全等轴晶粒组织显示出优秀的力学性能，如高屈服强度和均匀的伸长率，这归因于高冷却速率和多次热循环而形成的超细共析微结构。这种具有微观结构的合金可以承受更大的力，在制造过程中也不太可能出现裂纹或变形等缺陷。 不同成分的TiCu合金机械性能 同时，研究人员认为这种方法也将适用于其他能够形成共析金属的合金材料，并将在航空航天和生物医学行业中得到应用。 ▌不易变形和开裂，为3D打印更加复杂结构提供可能 一个典型的案例是，飞而康在采用SLM技术打印C919钛合金薄壁结构的过程中，就遇到了严重的变形和开裂，整个参研团队花费2个月时间终于解决问题，这突出显示了钛合金在极限特征条件下的制造困难的特点。由于材料的特殊属性，新开发的钛铜合金在打印过程中不易变形和开裂，这为打印更加复杂和具有极限特征的零部件提供了可能。 3D打印的TiCu合金试样 这项研究属于材料设计的范畴，它为开发一系列新的钛基合金开辟了可能性，同时它也专为具有特殊性能的3D打印材料而开发。关于研究太过于学术的内容不宜展示，有兴趣的读者可进QQ群下载研究原文。 打印样件的成分 ▌Nature2017，一种新型的3D打印高强铝合金，已商业使用 早在2017年，Nature刊文，美国休斯研究实验室（HRL）研究人员通过在打印材料中引入纳米颗粒形核剂进行表面修饰，来抑制3D打印中的热撕裂行为，控制金属固化方式，从而在急剧的温度梯度下实现等轴晶体的生长。 纳米颗粒附着在金属粉末表面 研究发现，以往不适合3D打印的7075和6061系列高强度铝合金可以通过SLM技术实现3D打印，且产品具有无裂缝的、等轴、精细结晶微结构，使得3D打印的铝合金和锻造铝合金强度接近。 实际上，上述所讲的钛铜合金，研究中也提到是通过引入形核剂来促进等轴晶的形成。这种方法适合一系列合金材料和3D打印工艺，具有良好的普适性，为不可焊接的超级镍合金或镍基间金属提供了3D打印的可能。 3D打印的高强铝合金回旋结构热交换器 今年10月，HRL开发的3D打印用高强铝合金正式投放市场，从而成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。随之而来的，是NASA马歇尔太空飞行中心开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产。HRL还与合作伙伴开发了一项能够突出该材料传热和流动性能优势的应用—拓扑回旋换热器，基于材料更高的强度，可减少零件制造中的材料用量，因此整个结构重量更轻，性能也更高。 由此可见，高性能的材料具有更好的应用潜力。由HRL开发的高强铝合金从发表文章到实现商业化用了两年多时间，我们期待新型的钛铜合金也在解决当前钛合金面临的变形开裂问题的同时，也可获得更多实际应用。 本期上传内容： Nature刊文3D打印钛铜合金新材料 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.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 2.3D打印+拓扑优化制造542*542*141mm的钛合金无人机框架 3.钛合金和PEEK颅骨修复体的传统和3D打印制造方式及面临的问题

11月13日，哈佛大学工程与应用科学学院Jennifer A. Lewis教授团队在国际顶级期刊《Nature》上面在线发表名为“Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing”的研究文章，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。本期，3D打印技术参考对其进行介绍。 ▌多材料、多喷嘴，无缝高频切换3D打印系统 当前彩色3D打印技术，以惠普多射流熔融技术和stratasys的polyjet技术最为先进，两者严格意义上皆属喷射成型，且多宣称体素打印。目前存在的技术难题是液滴形成的物理限制要求使用低粘度的油墨来保证打印成功。 体素3D打印（来自原文，已上传QQ群） 该团队设计的多材料多喷嘴3D打印系统（MM3D），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。该种方法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。 每个喷嘴每秒切换材料的速度高达50次 该技术快速切换墨水的关键是打印头内的一系列Y形连接，多个墨水通道在一个输出喷嘴处汇合在一起。喷嘴的形状、打印压力和墨水粘度均经过精确计算和调整。当将压力施加到接合处时，向下流经的墨水不会混合，更不会进入另一通道和向后流动，这可以保持打印质量。 Y形连接喷嘴的工作过程 荷兰阿姆斯特丹软件机器人组的Johannes TB Overvelde针对该项技术在《Nature》在线发表名为“How to print multi-material devices in one go”的评论文章。他认为该项技术推动了增材制造可达到的速度和材料的界限，使我们比以往任何时候都更能够控制组成、几何形状和结构性质等，甚至于用肉眼无法看到的微小结构。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。 研究团队打印的实物 ▌3D打印复杂制造与功能制造的宏微观属性 增材制造从宏观上讲可以制造复杂结构，但在微观尺度上，该技术也可以控制结构的组成、几何形状和特性。此前，由于打印机在各种材料之间切换的速度太慢，由多种材料制成的物体可以打印的最小尺寸受到限制。 为了解决一系列的技术难题，研发团队开发出一种微流体喷嘴，可以在喷嘴尖端将多达八种粘性流体作为单独的细丝聚集在一起。通过依次对单个流体加压，它们以高达50 Hz的速率在材料之间切换，并产生大约250微米的尺寸。切换速率足够高，以致于可以打印“体素化”的结构，在3D网格每个点上皆具有不同的材料属性。这项工作成果扩大了小特征尺寸下可以打印的材料范围，从而打开了需要精确控制局部材料属性的3D打印应用市场。 材料快速切换（颜色） 研究人员为了证明体素定期布局可实现功能的有效性，进行了相关实验。首先采用一种坚硬的环氧材料打印刚性薄片，并在中间选取柔软度约为前者1000倍的另一种环氧材料作为中间连接边缘进行结构制造。打印完成后通过外界施加作用力，可以将打印的结构从扁平状可逆地转变成折叠的紧凑状态。此结构的折叠寿命达到1000次以上，这表明在打印过程中刚性和柔性材料可实现高质量的过渡。 刚性区域之间为柔性折叠边缘，体现多材料制造特点 另一项验证是采用两种不同硬度的硅橡胶制成的软机器人。机器人的腿由一些小室组成，这些小室在放气和充气时会沿预定的方向变形。连续的充气和放气可使该结构实行步行运动。通过实验发现，打印成功的软体机器人可承受自身八倍负载。 16脚软硬质弹性体功能机器人 对于这两项研究，使用多个平行喷嘴可显著减少打印时间。目前，该系统的打印头只能打印周期性（即重复的）零件，研究人员的目标是将其发展成可以在不同时间挤出不同墨水的喷嘴，较小的喷嘴可以实现更高的分辨率。将来可以采用阵列式喷嘴在各种尺寸和分辨率下进行快速单步3D打印。 END 哈佛大学的多材料、多喷嘴技术可能会对“结构化”材料的开发产生重大影响。这些材料表现出因工程化的周期性亚结构而特有的性质，这些特性的材料并非由化学方法合成，而是通过重新配置材料和内部结构来调整机械、光学或声学特性。 在微观水平上，通过打印不同物质体素组合来控制对象组成的能力成为一个新的领域，该领域可以将更多创新的功能编程到相同的架构材料中，从而获得更加丰富的功能结构。 注：本项研究的具体内容已上传QQ群。 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.将电子器件打印至武器装备中，实现结构功能一体化2. HP与Stratasys : 全彩3D打印 , 谁更具优势