超材料（Metamaterials，MMs）是指自然材料所不具备的特殊物理性质（如电磁/声学斗篷、零/负泊松比、负折射率等）的人工结构或复合材料，这些奇特的物理特性可以通过精心设计的（准）周期性结构或多材料组合来实现，在国防工业和民生领域都有着广阔的应用前景。增材制造技术由于在制备复杂结构方面具有巨大优势，为制备超材料提供了有效技术手段，为此，该团队2021年在材料领域顶刊Materials Today（IF=26.416）上发表论文，对超材料的增材制造技术与发展趋势进行论述，为超材料在工程机械、航空航海和生物医疗等领域的应用提供了思路，具体情况总结如下。 明晰了超材料的分类 近年来，超材料受到越来越多科研工作者的关注，各种各样具有不同物理特性的超材料被设计出来。根据超材料的功能不同，目前超材料大致可分为四类：电磁超材料、声学超材料、热学超材料和机械超材料，根据其具体的原理和应用领域不同，将上述四类超材料进一步细分为：（1）电磁隐身超材料、电磁吸收超材料、太赫兹电磁超材料等；（2）声隐身超材料、声波吸收超材料、声波聚焦超材料等；（3）热流控制超材料、热隐身超材料和热辐射超材料等；（4）吸能超材料、负泊松比超材料、最大体模量超材料等，如图1所示。 1. 超材料的分类与典型结构 指出了增材制造不同类型超材料的研究现状和发展趋势 根据成形材料的形态，增材制造工艺可分为丝状、粉状、液状、片状，适用材料包括金属、聚合物和、陶瓷，以及他们的复合材料，成形尺寸从纳米级到米级，可以极大地满足大多数超材料对于成形精度与尺寸的要求。然而，需要注意的是，不同的增材制造技术具有不同的特性，成形材料、尺寸、分辨率和表面质量等也都有显著差异。在超材料的增材制造方面，要根据所需材料的结构和特性选择合适的工艺，如图2所示。 图2. 典型增材制造工艺在成形各种尺寸超材料时的特点。三角形、圆形和正方形分别表示最大零件尺寸、最小零件尺寸和成形分辨率，符号的位置表示与波长对应的尺寸，两个符号之间的距离表示各种增材制造技术可实现的单元数量。 增材制造五模超材料 五模超材料（Pentamode Metamaterials, PMs），也称为五模结构，是一种特殊的工程结构，其弹性矩阵中仅有一个特征值不为零。五模超材料与常规点阵结构相比，具有更强的可设计性、类流体特征和多物理性能协调能力，因此具有更加广阔的应用价值。然而，由于五模超材料的几何形状高度复杂，传统制造工艺难以实现。为此，该团队近年来采用增材制造技术成形五模超材料，通过均匀化等效性能方法以蜂窝结构和金刚石晶格构型为基础，得出了几何参数对力学性能的影响规律和结构设计对力学及传质性能的协同调控机制，设计并制备了两种形式的五模超材料：二维蜂窝状五模超材料和三维金刚石五模超材料，该五模超材料具有与水相似的声学性能，具有“隐身”效果，在水下声学工程领域有较大的应用前景。此外，优化三维五模超材料几何形状，可解除模量、强度与渗透率之间的耦合关系，从而实现力学和传质性能的协同调控，在生物支架工程领域具有较大应用潜力。 图3.增材制造的五模超材料。二维五模超材料（A-B）结构构型与单胞；（C）频散曲线；（D）声场模拟；（E-F）理论力学受力分析结果；（G）相对模量和（H）相对强度与相对密度的关系曲线；三维五模超材料（a-b）结构构型与单胞；（c）压缩应力应变曲线；（d）压缩模量与体积分数的关系；（e-g）不同构型超材料传质过程速度分布云图；（h）复合五模超材料生物支架结构 尽管增材制造超材料的研究已取得了部分结果，但要取得更好的效果，还有很多科学问题亟待解决。在超材料的设计方面，一是需要将超材料的维度从二维扩展到三维，现有的MMs主要采用二维设计，可取得良好的仿真和实验效果，但在实际应用中，二维超材料的功能在垂直于二维平面的方向上会完全失效；二是需要降低超材料的各项异性，使其在不同方向上具有相同的功能；三是可以设计具有多种功能的超材料，如同时具有声波吸收和能量转换的功能。在增材制造技术方面，一是需要开发出能够同时成形性质差异较大的多材料增材制造技术，以满足超材料的多材料体系中异质材料的成形需求；二是需要开发出容易去除的支撑材料，以确保超材料的复杂结构具有足够成形精度的同时不受支撑去除的困扰；三是解决增材制造技术中成形精度和成形尺寸之间的矛盾，在提高制造精度的同时成形出大尺寸的超材料构件。 近年来，该团队在增材制造超材料的设计与制备方面，发表了系列文章，具体论文连接如下： https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.04.019 https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.05.038 https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.06.009 https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106331 https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111199 https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108417 https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.06.005 通讯作者宋波教授，曾获国家优秀青年基金、湖北省杰出青年基金等，发表SCI论文70余篇，包括Materials Today，Acta Materialia，Additive Manufacturing，Acta Biomaterialia等高水平期刊，封面论文1篇，ESI高被引论文3篇，热点论文1篇，机械工程学报2020高影响力论文10篇之一，获湖北省技术发明一等奖1项。 团队学术带头人史玉升教授，获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、中国十大科技进展、中国智能制造十大科技进展各1项、省部一等奖5项，获国家科技进步二等奖1项。史玉升教授团队从1991年开始进行增材制造的研发工作，目前形成了增材制造设计、材料、工艺、装备、测量、应用的成套关键技术。相关研究成果入选中国十大科技进展、中国智能制造十大科技进展，并入选教育部和湖北省创新团队。 注：本文内容来自华中科技大学、机械工程学报。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.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 3.材料–结构–性能一体化增材制造 | 顾冬冬教授发表南航首篇《Science》论文 4.美大学借助3D打印开发出新型轻便、可防止变形失效的超材料

3D打印技术的进步已经改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计，可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。与传统批量生产方法相比，3D打印所涉及的工艺参数优化、表面粗糙度控制、支撑结构去除、后处理要求、兼容原材料和成本竞争力一直争议不断。但尽管存在挑战，采用该技术已经成功实现了金属、聚合物和陶瓷材料的热交换器制造。在本篇文章中，3D打印技术参考重点分析粗糙表面、微通道、表面积和晶格结构等因素对3D打印热交换器的性能影响。当前的研究发现，金属3D打印的表面粗糙度是影响热交换器性能的关键考虑因素；与预期设计相比，制造尺寸的偏差也非常显著，特别是当尺寸接近制造极限时。随着3D打印技术在最终产品表面质量、尺寸精度和实现更小尺寸精度方面的不断提高，热交换器的换热性能可能进一步提高。 表面粗糙度对热交换性能的影响 表面粗糙度是通过粉末床熔融技术制造不同类型金属热交换器的常见和关键考虑因素。3D打印的热交换器产生的表面粗糙度可能比通过传统方法制造的相同热交换器高一个数量级。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更严重影响传热效率。因此，有必要正确评估表面粗糙度并系统收集相应工艺参数的数据库。 3D打印的飞机电机热交换器，最佳翅片密度可优化热交换效率 在led的热管理方面，拓扑优化散热器比栅格结构具有更好的性能 制造尺寸的显著偏差可能与预期设计的偏差高达约20%，这也会影响微通道热交换器的热工水力性能。一些研究报告称压降受由此产生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影响，而一些研究报告称压降是受表面粗糙度的强烈影响，另有研究认为粗糙度与通道水力参数的比率更适合分析压降特性。对增材制造技术引入的表面粗糙度对传热机制的影响分析表明，决定热交换器传热效率的不仅包括粉末颗粒的尺寸，还有粉末颗粒的形状及其与热交换器表面之间的附着。 最小特征尺寸和制造精度对热交换性能的影响 型化电子设备的发展推动了开发小型散热器的需求，这些散热器可以耗散非常高的热量，确保延长系统的使用寿命。先前对微通道的研究已经证明它们具有消散高功率密度的能力。微通道换热器的典型特征是压降大，这可能是由于通道中的流动分布不均和较长的流向流动长度造成的。歧管微通道换热器作为传统微通道换热器的替代品，歧管结构放置在平行运行的微通道的顶部，并通过多个入口和出口分配冷却剂流体。这种配置中的流动长度减少，改善了热交换器的水力特性。但传统上歧管和微通道是分开制造的，再通过一种粘合技术连接在一起，这个过程会增加交货时间，如果操作不当会影响性能。 夹层壁圆柱体强制对流传热示意图 利用晶格结构近似法和梯度法优化晶格密度分布的热交换器 增材制造技术可以将歧管和微通道以单个部件进行制造，并确保两个组件之间具有的适当接口。更复杂和优化的通道设计也可以通过该技术实现，这对于传统技术来说可能非常具有挑战性。研究发现，将不锈钢翅片的厚度从150μm减小到50μm可以将换热效率可以提高20-40%，将歧管的厚度从300μm减小到150μm，可以将换热效率提高10-30%。对由不锈钢、钛合金和铝合金打印的微通道进行研究发现，翅片和微通道的尺寸误差约20%，此外由于残留粉末，部分通道存在堵塞。与钛合金相比，不锈钢样品的尺寸误差更为突出。具有相似几何形状和预期尺寸的三个样品的传热系数和压降参数的差异归因于制造过程中出现的不准确。未来，如果3D打印可以达到更高的制造极限和精度，热交换器的换热效率将会进一步提高。 蜂窝结构具有更高的热传递性能 多孔材料包含大量空隙，增强了相对于整体块状材料的结构和功能特性。商业采购的金属泡沫就是这样一种多孔材料，据报道它具有良好的热和机械承载能力。周期性排列的晶格结构材料已经被结构工程师广泛探索，与随机开孔泡沫金属相比，单元格的自聚焦拓扑可以提供更好的强度和刚度特性。增材制造不仅可以自由制备具有定制形态参数的晶格，还可以将整个蜂窝结构打印在基板上，从而消除了额外的热界面材料阻力。 3D打印的新型分层分形体积太阳能吸收体，总体热转换效率与传统碳化硅整体蜂巢相当 不同的单元拓扑结构 GE 3D打印的镍基高温合金热交换器用于高温高压环境中 蜂窝结构具有更高的热传递和压降，但总体优势取决于单元拓扑结构，主要的传热机制决定了蜂窝结构在特定应用中能否使用。例如，在强制对流中表现最好的蜂窝结构在自然对流中可能不是最好的。仿生技术可以极大地激发3D打印技术制造复杂仿生蜂窝结构的可能性。一种具有三重周期最小表面的结构被证明具有更高的表面-体积比和高有效的导热性。 END 增材制造技术作为制造实验室和商业规模热交换器的可行选择，正在显著提高热交换的效率，并减轻重量和成本。虽然增材制造技术在生产优化和复杂的几何形状方面优于传统技术，但零件质量相对较差。增材制造技术的肯定有用，但需要做具体和系统的大量验证。当前的3D打印技术还无法替代传统方法，但3D打印技术的不断进步，将逐步解决这些固有缺陷，从而生产出轻量、多功能和高效的热交换器。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.由GE赞助的热交换器增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 2.纯铜热交换3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP 3.当前国内外高强铝合金种类、性能信息汇总 4.新趋势：使用多工艺融合开发3D打印多材料梯度合金

今年上半年，美国陆军与该国应用科技研究组织（ASTRO）签订了一份合同，涉及开发一款新的金属3D打印设备，用于坦克和悍马的单件装甲车底盘直接制造。ASTRO声称，这款打印机将能够打印尺寸为30 x 20 x 12 英尺（约9 x 6 x 3.6 m）的单一、无缝战车外部构件，从而缩短交货时间、显着降低制造成本、并实现更轻的车辆设计。该组织首席研究员透露，大规模增材制造有可能改变军用车辆的制造方式，同时使美军减少对过去脆弱的供应链的依赖。 减轻零件重量、加快制造速度是该领域的关键要素 该设备将成为世界上最大的用于地面车辆生产的金属 3D 打印机，其成型尺寸应该足以构建任何特点的地面车辆零件。作为主要承包商， ASTRO将依次验证当前多种技术，因此与Ingersoll Machine Tool（英格索尔机床公司）、Siemens和MELD Manufacturing等分包商展开了进一步合作。 当前，最为常用的金属3D打印工艺是无异于粉末床熔融技术，其使用高能量选择性地固化金属粉末。2019年，美陆军还要求3D Systems开发9激光器1m x1m x 0.6m的大型SLM金属3D打印机，但该工艺必须完全清除构建环境中的氧气和湿气，以防爆炸并确保打印质量。即便如今SLM技术的成型尺寸越来越大，但与美国陆军项目的规模仍然相去甚远。建造一个具有这种建造体积的密闭腔室将极其昂贵，反复填充惰性气体更是非常不切实际。 拟定的大型金属3D打印机的设计效果图 [来源：美国陆军] 美国陆军项目的另一种可能性是采用DED能量沉积或WAAM电弧增材制造技术，其中机器人系统使用焊接工具头逐渐沉积材料。在此类技术的应用方面，火箭制造公司Relativity Space分别拥有若干台可以打印15英尺（4.5m）、20英尺（6m）甚至30英尺（9m）的“Stargate”的3D打印机，可同时打印第一级和第二级火箭以及整流罩。然而，由于该过程涉及高温，零件质量和热复杂性是难以绕过的问题，因此最终未被ASTRO选择。 Relativity Space世界最大金属3D打印机 对于该项目，另有两种工艺值得考虑。一种是澳大利亚SPEE3D公司推出的冷喷涂3D 打印工艺。它采用细小的金属颗粒以超音速喷出，并与基体接触瞬间产生剧烈的塑性变形，接触面积增大，加上撞击速度快、作用时间短，产生的热量来不及散失，温度的升高使粒子和基体部分熔化，形成局部冶金结合，因此可以利用该技术进行大型零件的直接制造，其速度比激光沉积和送丝电子束熔化都要快出很多。 冷喷涂金属3D打印工艺 然而，ASTRO目前选择了MELD Manufacturing的搅拌摩擦焊技术，这是一种无须高能热源、不需气体保护，能以10倍速度成型的金属3D打印技术。它利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。在该过程中，材料并未经历熔化与凝固而一直保持固态，且过程中的挤压又起到“锻造”作用，最终得到的是性能良好的细晶组织。细晶组织具有良好的机械性能和疲劳性能，且能改善材料的延展性，这也是材料提高强度等性能的原因。 虽然与粉末床激光熔融技术相比，该工艺所制造的零件仅是接近最终形状，但其能够可靠且快速地沉积金属。不必经历高温过程，还不需要任何特殊的腔室、惰性气体、高能激光器等，只需要旋转工具头并四处移动，从而最大程度保证了制造过程的稳定可靠。 搅拌摩擦焊的原理 Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程 Meld Manufacturing已经成功开发出钛合金、铜合金、不锈钢以及镍基合金等主流材料的3D打印工艺。所制造的IN625的疲劳寿命相比原料棒材提高了4倍，并能够以至少10倍于粉末熔融工艺的速度进行材料沉积。而且，该工艺能够制造多金属材料和梯度材料。 对于本文所提到的合作项目，美国陆军要求首先将最终设备的较小版本作为试点项目构建，然后是全尺寸设备。目前，Meld Manufacturing已被美国陆军选为远征技术服务商，使其尽可能靠近战场进行维修和生产战斗车辆部件，同时提高整体效率并降低成本。未来，美国陆军很可能能够自由建造各种一体式车体，从而加快野战的机动灵活性。而在将3D打印用于战地维护方面，美军采用了多种多样的工艺类型，前不久美国防部还授予ExOne粘结剂喷射3D打印移动方舱的制造合同。 ExOne移动方舱，脱脂烧结炉也将集成于内部 武汉天昱“全新一代智能铸锻铣短流程绿色复合制造机床”建成投运 在今年TCT展会上，国内中科煜宸、鑫精合等公司展示了多件大型金属3D打印构件。而近日，被国家限制出口的微铸锻铣一体化增材制造技术（最大尺寸可达：5.8×5.2 ×1.5m）迎来投产。7月1日，“全新一代智能铸锻铣短流程绿色复合制造机床”建成投运，该机床是满足大型金属构件行业应用需求的超大尺寸智造3D打印装备，也是“金属3D微铸锻技术”的第四代大型装备，可一次成型、实现多功能复合以及柔性智能控制。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.重磅！国家增材中心10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 2.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 3.专题：2021，多激光、超大型金属3D打印的时代已经到来 4.新趋势：使用多工艺融合开发3D打印多材料梯度合金

梯度材料是两种或多种材料复合成组分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料；它要求功能、性能随内部位置的变化而变化，实现功能梯度。在组合方式上，梯度材料有金属/金属、金属/陶瓷、金属/非金属、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金属以及非金属/塑料六种。在制造工艺方面，对于不同的材料组合方式已经发展出了不同的工艺类型，3D打印是其中之一。 经后处理抛光和热等静压处理的3D打印火箭燃烧室 在往期文章中，我们已经注意到欧洲的多国团队已经发起了联合项目，共同推动多材料、多工艺协同金属3D打印。国内清华大学林峰教授团队、北京科技大学曲选辉教授团队以及华南理工大学杨永强教授团队也已将该方向纳入其中。本期，3D打印技术参考以NASA的实践为例，介绍采用最优的工艺组合实现多金属梯度成型的实践案例。 增材制造为开发具有复杂内部特征和薄壁的火箭发动机组件带来了重要设计和制造机会，但主流的工艺都集中在制造单一材料，而现实应用中的整体式部件可能是多种材料的组合。因此，现有的增材制造工艺无法完全优化应用结构。NASA在定向能量沉积技术方面的探索已经表明，增材制造为节省成本和缩短制造周期带来了可观回报，同时使零件重量和性能也得以优化。 GRCop-84铜合金与Inconel 625高温合金的复合 NASA于2014年开始旨在探索使用3D打印技术生产低成本上层级推进系统能力的LCUSP项目。在该项目中，NASA成功展示了使用激光粉末床熔融技术（SLM/L-PBF）制造GRCop-84铜合金燃烧室衬里以及使用电子束自由沉积技术（EBF）在推力室衬里上制造Inconel 625冷却通道和外壁的能力。这种3D打印的多金属复合结构燃烧室于2018年成功进行了热火测试，NASA还通过与工业界的合作进一步将其发展为成熟的双金属燃烧室。 SLM制造的燃烧室铜合金衬里和DED制造的镍基合金外衬 LCUSP项目的成功实践表明，不同工艺之间的“最佳组合”为快速开发低成本、梯度材料高质量火箭推进部件提供了上升通道。 GRCop-42铜合金与HR-1镍基高温合金的复合 RAMPT是NASA于2017年开始的另一项借助3D打印开发并推进火箭发动机部件设计与制造的项目，其不仅希望减少零件数量和重量、提高可靠性，还希望保持稳定的供应链。在该项目中，NASA采用激光能量沉积技术（LP-DED）打印了直径1.5米、长度1.8米的镍基高温合金（NASA HR-1）整体通道火箭喷嘴，并将零件数量从1100多个减少到10个以内，制造时间也仅仅90天。这种近乎完整的原型设计和制造能力使研究团队迅速用于制造更大尺寸的火箭演示器件，如SLS火箭的RS-25发动机喷嘴，它的尺寸相当于此前打印喷嘴尺寸的1.5倍。研究人员最终在五个月内验证了3D打印的整体冷却通道和薄壁结构，并有效控制了打印变形。 NASA采用激光能量沉积制造整体式火箭发动机喷嘴 NASA采用激光能量沉积制造的HR-1合金整体式喷嘴，直径1.5m，长度1.8m，其尺寸为RS-25喷嘴的65％ RAMPT项目进一步增强了3D打印在喷嘴和燃烧室制造中的优势，并进一步完善了相关技术。NASA近些年新开发了一种新的3D打印铜合金GRCop-42，并正在研究在SLM打印的该合金的燃烧室上直接采用激光沉积HR-1高温合金冷却通道喷嘴，这种整体式的结构将不再需要螺栓连接，增加了结构稳定性。与之相关的预防构建失败和变形的建模、工艺仿真也都在计划之内，相关的材料表征、测试等也在进行之中。 NASA在L-PBF打印的GRCop-42铜合金外采用LP-DED工艺打印HR-1高温合金制造整体式部件 NASA使用L-PBF工艺打印的GRCop-42铜合金和LP-DED打印的HR-1高温合金整体式部件 GRCop铜合金系列已经在NASA多个项目中获得测试和应用，同时HR-1高温合金的微观结构和材料特性也正在得到研究。结合铜合金的导热性和镍基合金的高温强度，双金属或多金属的一体化结构部件无疑会减少很多制造步骤并增加稳定性。但是，与其将这种结构称之为双金属或者多材料，不如称其为梯度材料。 3D打印梯度材料在航空航天领域大有可为 成分梯度合金在航空航天领域具有重要的应用潜力，工件的不同位置工作条件可能不同，所需要的的特性也会有差异。例如一个位置需要抗腐蚀，另一个位置需要抗蠕变，这就需要连接两种或多种不同的合金；再以燃烧室为例，其衬里需要铜合金的高导热性，外层则需要镍基合金的高温强度。虽然目前已经有冷/热涂层和熔焊等不同的金属连接技术，但它们对于大型部件的连接要么成本很高，要么工艺复杂。 使用激光粉末床熔融（LPBF）和直接能量沉积（DED）等技术对金属部件进行增材制造具有非常大的优势，它提供了更好的尺寸精度，最大限度的减少后处理，并改进了组合材料的机械性能。 广州雷佳杨永强教授团队3D打印的梯度材料 在该领域，清华大学、西安交通大学、北京科技大学等均有知名学者在进行研究；北京隆源和广州雷佳也开发了基于铺粉的多材料3D打印设备。除此之外，中航工业沈阳飞机设计研究所早在多年前已经采用增材制造实现了300M与A-100钢梯度复合设计成型，这种方式可以使飞机起落架的制造成本降低45%。而至于国内火箭燃烧室等部件的制造则没有任何消息，也并不排除已经开始研究或早已取得了重要成果的可能。 END 金属3D打印技术包含多种不同的工艺，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。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。 如何推动金属增材制造多材料和多工艺融合发展，充分发挥增材制造技术的潜力，综合运用多种工艺突破单一技术的制造极限，正在美国和欧洲地区获得关注（查看延伸阅读）。 欢迎转发主编微信：2396747576; 硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.推动多材料、多工艺协同金属3D打印，欧洲多国合作发起联合项目 2.华南理工杨永强教授团队在新一代SLM技术领域的研究进展 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP

根据公开信息，我国采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，已通过地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭等。晶格桁架结构，因其超轻和多功能特性在航空航天领域备受青睐。 然而，通过3D打印技术制造的晶格单元在机械设计过程中很少考虑增材制造技术本身的约束，导致晶格结构的实际机械性能与设计性能之间存在显著差异。中国空间技术研究院、南京航空航天大学以及北京理工大学方岱宁院士团队合作开展了考虑增材制造几何约束的自支撑晶格单元创新设计策略研究，相关成果成功用于我国多个新型超轻航天器结构设计与制造。 受固体物理学中晶体学的多重旋转对称性的启发，研究人员设计了三类用于3D打印的自支撑晶格，分别具有三、四和六重旋转对称性。每类晶格都可以分为四个层次级别，使结构从以弯曲为主逐步变为以拉伸为主。使用节点位移法推导出自支撑晶格的弹性本构关系，并通过与有限元计算和力学实验的对比，验证了本构关系。这项工作提供了由自支撑晶格组成的复杂结构设计中刚度特性的等效关系，该结构已用于新型超轻型航天器结构的设计，包括： • 2019年发射的千乘一号01星中的格构夹芯板组成的卫星结构； • 2019年发射的中巴地球资源卫星04A星中的拓扑优化薄壁结构和晶格填充动量轮支架； • 月球及火星深空探测器的相变热控制器以及集热器框架由薄壁和晶格填充结构组成。 基于本文提出的自支撑晶格和铝合金打印的航天器结构应用：(a) 由格构夹芯板组成的卫星主体结构 (b) 由拓扑优化的薄壁和晶格填充组成的动量轮支架(c) 由薄壁和晶格填充组成的相变热控制器结构(d) 由薄壁和晶格填充组成的集热器框架结构自支撑晶格结构的制造约束与设计本文所述的晶格结构的3D打印均是采用激光粉末床熔融（SLM），该工艺的几何约束主要表现为封闭空腔、间隙、薄壁、悬垂以及最小/最大尺寸等，其中只有悬垂角影响晶格结构的参数。根据研究，结构的尺寸误差和表面粗糙度随着结构与水平方向之间的角度减小而增大。对于小于35 ◦结构，需要添加支撑防止坍塌或严重变形。如果支撑结构在零件外部，则容易去除；如果在零件内部，则难以去除。为了实现高精度设计并避免在制造过程添加支撑，自支撑杆外伸角度需要大于35◦。为此，研究人员在自支撑格架的设计中考虑了悬臂角约束。与传统的任意角度支杆构成的格架不同，自支撑晶格除了水平支杆外，还包括倾斜支杆和垂直支杆。 晶格晶胞被定义为具有晶体结构完全对称性的最小重复单元。研究人员采用三重、四重和六重旋转对称操作来设计用于3D打印的自支撑晶格单元。第一层级单元仅由倾斜方向的支柱组成，然后通过相对于水平面镜像结构来获得具有旋转对称性和镜像对称性的第一层级晶格单元；最后，通过在空间中重复可以获得三种晶格结构。 具有三重、四重和六重旋转对称性的第一层级晶格单元设计 通过在第一层级晶胞边缘添加垂直支柱形成第二层级设计，每个晶格单元形成了三个、四个或六个三角形，三角形充当第二层级的稳定子结构，这种设计可以提高晶格的结构属性，降低机械属性。 在第二层级点阵的侧面增加一个方向的斜杆就形成了第三层级的点阵，每个斜支柱构成一个新的三角形，其中有两个斜支柱连接晶格单元的中心。三级晶格的变形是拉伸主导变形，第三层级格子的承载效率可以超过第二和第一层级。 具有三、四和六重旋转对称性的第二、第三和第四层级晶格单元的设计 在第三层级基础上再增加一个方向的斜杆形成第四层级格子结构，第四级晶格表现出更好的抵抗晶格缺陷的能力。 基于以上设计，共形成了12种自支撑晶格材料结构设计，通过复制填充到空间中。这些设计对于专业外的读者稍显晦涩，需要将3D打印技术参考的表述和原文对比，仔细甄别。 具有三重、四重和六重旋转对称晶格的12种设计 数值分析与试验验证研究人员使用ABAQUS 2017软件进行了有限元分析以验证弹性变形-本构关系，计算了十二种类型的晶格，并与SLM制造的实际结构的机械性能进行了对比。 3D打印的自支撑格层结构为5层，晶格支柱的直径与板层厚度均为0.6mm，倾斜支柱与水平方向之间的角度为45°，材料选择AlSi10Mg粉末，打印完成之后在280°C 下进行2 小时的热处理，以减少结构内部的残余应力。 由 SLM 制造的自支撑格层试样 建立与晶格夹层试样相同尺寸的等效有限元模型，将实验结果与弹性变形-本构关系进行比较。每个模型由三层组成，即上层、下层和等效连续体层，刚度由本构关系得到。下层被夹紧，同时限制上层旋转，并在压缩方向上施加单位位移。 研究发现，理论和实验结果之间的误差在-7.2% 和 8% 之间，这可能与制造尺寸误差以及面板引起的边界效应有关。在亚毫米尺度上，格子撑杆直径的变化可以达到±10%，即格子撑杆的实际直径为设计值的90%～110%。那么，格子撑杆的实际截面积为设计值的81%~121%。根据弹性模量、力和支柱截面积的尺寸关系，3D打印晶格的实际弹性模量在设计值的82%~123%之间，即误差在-18%~23%之间。本作品中显示的误差在范围内，因此是合理的。 通过实验和等效计算得到压缩模量 END 研究人员基于固体物理学中晶体学的多重旋转对称性，提出了一种考虑增材制造几何约束的自支撑晶格的创新设计策略，并成功在航天器结构中获得应用。 另据媒体报道，超轻型金属晶格结构解决了深空探测器复杂结构的轻量化设计，实现了极其复杂结构的功能集成。而当前我国的深空探测器，无疑是指“嫦娥”系列和火星探测器。这种外部蒙皮+内部三维点阵、变密度、内部含有流道等特殊复杂的构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生了较大的综合效益。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.天问一号变推力发动机等采用3D打印零件，减重、减体积是关键 2.“天问”携“祝融”成功落火，航天五院529厂积极开展3D打印技术的研究与应用 3.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 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

拓扑优化与增材制造分别是新型高效结构的先进设计与制造技术，二者有效融合充分发挥了各自优势和潜力，在航空航天和高端装备领域展现出广阔应用前景。 西北工业大学张卫红教授研究团队对近年来国内外160余篇相关研究论文进行了详细综述，分析了面向增材制造的拓扑优化技术研究热点、亟待解决的关键问题以及面临的挑战，为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。相关成果以"A Review of Topology Optimization for Additive Manufacturing: Status and Challenges"为题受邀发表在Chinese Journal of Aeronautics 2021年第一期。 研究热点 将拓扑优化设计方案按照工艺要求快速重构并直接增材制造是当前工业界实现快速优化设计与制造的重要发展方向。为促进拓扑优化与增材制造融合应用，当前研究工作主要从材料结构一体化和结构工艺一体化两个方向展开。 材料结构一体化充分发挥增材制造强大的个性化制造能力，以多尺度结构设计为代表，如图1所示。微小的点阵结构不仅表现出轻质高强的高承载特性，还表现出优异的隔热、抗冲击、减震降噪等多功能特性，在功能结构中发挥重要作用。多尺度结构可以从宏观-细观-微观多个尺度合理设计材料布局，充分发挥材料潜力实现轻量化。 目前多尺度结构拓扑优化方法主要有三类：1)”退化”的拓扑优化，通过降低和取消密度惩罚得到连续化和梯度化的密度分布，并依据密度投影关系填充不同密度的点阵，该方法简便易行但难以直接优化点阵构型；2)基于梁参数优化的多层级结构设计，以构成点阵的梁为基本单元，优化梁截面直径实现梯度变化的多层级结构；3)以均匀化理论为桥梁关联微观构型与宏观等效性能，同时对宏观结构和微观构型进行协同优化实现材料效率最大化。 图1. 典型的多层级结构：(a)金属多层级点阵结构，(b)卫星支架结构，(c)发动机支架结构，(d)点阵填充的薄壳结构 将增材制造工艺约束如特征尺寸限制、连通性要求、悬空角约束(图2)融入拓扑优化设计方法是另一类研究热点，即结构工艺一体化设计。受增材制造设备成形精度的限制，需对拓扑优化生成的细小分支结构进行控制，针对基于密度法和水平集法的拓扑优化方法，研究人员分别提出了密度过滤技术和显式尺寸控制技术来实现特征尺寸约束。 由于增材制造成形后需依据不同工艺去除残余的未固化树脂、未熔融粉末和辅助支撑，要求结构内部不能含有封闭空腔，研究人员分别提出了虚拟温度场法、选择性生成通道法和特征空洞中心外置法来消除封闭空腔。最后，为了降低甚至消除辅助支撑结构，自支撑结构的设计作为当前的研究热点受到广泛关注，研究人员一方面对支撑结构形式和打印方向进行优化，另一方面将悬空角约束引入拓扑优化从根本上消除支撑结构。 图2. 增材制造成形质量随悬空角减少而降低 研究挑战 随着面向增材制造拓扑优化技术的深入，一些新的问题与挑战也随之出现，如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料性能各向异性、增材制造材料与结构疲劳特性以及功能梯度材料的设计与制造。在多尺度点阵结构设计过程中，均匀化理论通常用于表征微观结构与宏观性能之间的关系。但基于尺度分离假设构建的均匀化理论难以准确描述增材制造点阵结构力学性能，因此需要构建能够描述尺度关联效应（图3）的表征方法，如子结构法和多尺度有限元法。另外，基于梁单元建模虽然能体现尺度关联效应，但梁节点位置通常会产生材料体积和刚度误差，因此建立普适性的补偿方法是提升梁单元点阵分析精度重要方法。 图3. 点阵结构尺度因子对体积模量的影响 增材制造叠加成形过程中散热不均使材料在不同方向上的固化/结晶/粘接速度不同，产生了非均匀微观结构与材料力学性能(图4a)，对结构拓扑优化设计和应用提出了新的挑战。一方面需要精确表征成形材料力学行为，另一方面可以基于横观各向同性材料模型，充分利用不均匀性设计出性能更优异的结构。 此外，增材制造过程中大量存在得到未熔融区域和气孔缺陷(图4b)导致增材制造结构件的疲劳性能通常弱于相应锻件(图4c)，除了采用热处理(如热等静压)改善疲劳性能外，还应将疲劳性能指标引入结构设计中，发展面向疲劳性能的拓扑优化方法。 图4. 增材制造17-4 PH不锈钢的力学性能：(a)微观结构，(b)气孔缺陷，(c)疲劳性能 最后，功能梯度材料与多材料结构功能一体化系统在工程上有广泛的应用前景，但其优化设计与增材制造仍是一个富有挑战性的课题。一方面，多材料拓扑优化技术的发展为功能梯度材料的设计提供了新的内容，使不同材料可以根据外载条件得到最优布局。另一方面，多材料增材制造是功能梯度材料最理想的制备方法，但不同材料融合机理、材料性能、成形工艺约束等问题仍需进一步深入研究以适应制造功能梯度材料的需求。 近期Nano Dimension发展了首项增材制造PCB板的侧装技术，生产的Dragonfly精密增材制造系统(图5)可以显著提升PCB板性能，促进了多材料增材制造系统的发展。但是如何在多材料结构系统设计与成形过程中综合考虑系统承载力学行为、功能行为、承载性能与系统功能相互影响机制、系统可靠性、可维护和可修复性等，仍然是亟待解决的问题。 图5. 增材制造复杂PCB板 总结展望 本文回顾了近年来面向增材制造的结构优化设计方法主要研究内容和目前存在的问题与挑战。虽然拓扑优化和增材制造均有三十余年的发展历史，形成了各自比较完善的研究体系，但将两者深度融合从而充分发挥出各自优势仍是比较新的研究领域，在设计方法理论与制造工艺技术方面依然存在诸多挑战。尤其是在精确表征复杂点阵构型力学性能，发展先进制造技术如多轴增材制造系统、材料结构工艺一体化融合、复杂多材料结构功能一体化系统设计制造仍需深入研究。 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 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 4.赛峰与SLM Solutions合作3D打印大尺寸商用飞机前起落架组件

3D打印技术的主要价值之一在于能够生产传统工艺几乎无法制造的特殊设计，而实现创新且复杂的3D设计，几乎所有的公司都很难做到，这不仅需要想象力，还需要软件工具来实现；材料，是影响3D打印应用的关键，它直接决定了终端用户能否使用，即便当前3D打印材料种类繁多，却依然难以通过很多领域的使用要求；速度，则是影响应用成本的关键，3D打印速度的突破将使其应用范围变得更加宽广。然而，很少有公司能够同时贯通材料、设计和速度，而走通了这条路，至少可以打开一个应用领域，例如Carbon公司。 功能强大，性能导向的晶格设计软件 Carbon不仅仅是一家3D打印设备制造商，还是一家材料商和软件公司，它在3D打印运动鞋制造市场中占有举足轻重的地位。其推出的高性能材料和设计工具不仅成就了Adidas的新型产品，更几乎“灭掉”了其他3D打印工艺在该领域的光彩，至少到目前为止，采用其他工艺的其他运动品牌已经许久未推出3D打印新品。 晶格，几乎是区分一款运动鞋是否采用了3D打印工艺的标志性特征，这种结构的性能具有很高的设计灵活性，通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，可以达到结构的强度、韧性、耐久性、静力学和动力学性能的完美平衡。 Design Engine是Carbon推出的用来生产优化产品的设计软件，尤其专注于晶格结构的生成。传统设计工具在进行增材设计时难以完全兼容，尤其是对于以晶格为代表的复杂结构。Carbon公司指出，Design Engine是为简化晶格结构设计而生，基于云端的强大计算能力可以在几分钟内生成高级共形晶格，减少了对单机运算力的需求。 高度约10cm的零件生成晶格结构仅需117s 作为在晶格结构应用方面的领导者，Carbon注重晶格结构的性能特点。Design Engine支持用户在尝试不同设计时准确预测机械性能，从而帮助用户调整设计并缩短开发时间。同时，软件采用交互式界面，可同时制作五种不同的结构设计。即便对于最具挑战的外表设计，该软件也可以提供共形晶格结构设计，并减少生成设计后繁琐的修改步骤。值得注意的是，Carbon对于晶格结构性能的准确预测是基于本公司的材料。 在产品开发方面，Carbon已使用该软件成功设计了新冠肺炎检测取样拭子、高端自行车坐垫以及冰球运动行业从未有过的Super-Tacks X头盔。今年3月，Carbon宣布其所有会员用户均可以使用Design Engine软件。5月，Adidas推出最新款基于Carbon 3D打印技术的4DFWD运动鞋，并广泛使用了Design Engine软件进行鞋底晶格结构设计，新的点阵中底包含多达五百万种晶格结构，经过特殊编码，可以在垂直撞击时向前压缩，这种功能的实现均是通过晶格结构设计实现。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 前所未有，先进的3D打印可编程树脂 在很多情况下，由材料商或设备商推出的3D打印材料即便声称达到了多高的性能，但有时候却是只能感动自己。汽车领域的用户多次反馈当前的3D打印材料无法满足他们的性能要求，尤其是缺口冲击强度，PA、PP都无法满足。实际上每一种3D打印材料在其性能范围内只适合去承担其“力所能及”的应用，一味苛求它达到传统材料的性能在目前可能仍不可行。但，这反映了应用端对材料的迫切需求。无论材料商还是设备商，把握住这个需求，至少是掌握了打开市场的钥匙。 高性能树脂材料的开发便是Carbon成功的另一个关键，尤其是与粉末床熔融技术相比，Clip技术可以生产完全致密的零件。Carbon推出了多款高性能树脂，这些材料必须满足特定行业的性能标准和质量要求才能获得使用。 在汽车领域，福特、兰博基尼、自动驾驶技术公司Aptiv以及知名汽车紧固件制造和销售公司Araymond，均采用使用Carbon EPX 82材料批量生产汽车部件。EPX 82是一种高强度工程材料，其热变形温度为115°C，具有良好的冲击强度，非常适合要求强度、韧性和热循环耐久性均衡的应用，如连接器、支架和汽车和工业部门的外壳部件等。其机械性能可与玻璃微珠填充的热塑性塑料（如20％GF-PBT，15％GF-尼龙）相媲美，并符合USCAR-2流体兼容性标准。 兰博基尼SIÁNFKP 37通风口、APTIV拖挂式连接器盖、福特野马GT 500 EPB支架及兰博基尼SUV Urus油箱盖 在消费品领域，最为知名的应用便是Adidas采用Carbon的3D打印工艺、高性能树脂以及设计软件来大批量制造运动鞋中底。EPU 41是Carbon为Adidas Futurecraft 4D中底开发额革命性的弹性材料，双方密切合作，对150多种不同的材料配方进行了迭代，以实现所需的机械性能。用于最终生产的树脂材料特别适合生产弹性体晶格几何形状，在安全性和舒适性方面超越传统泡沫。 Adidas 4DFWD3D打印中底晶格结构细节 在牙科和医疗领域，Carbon有专门用来生产牙模、间接粘合托盘、牙周夹板及导板的不同种类的医用树脂，并连续于2019和2020年在Dental Labs客户满意度调查方面排名排名第一。在其他领域，Carbon的Cyanate Ester 221材料被用来生产NASA自由飞行器冷气推进系统的四个高性能离合器零件，精密冷却系统制造公司Ebullient也采用该材料3D打印芯片冷却模块。这款材料材料性能与玻璃填充的尼龙相当，高热变形温度为230℃，并且具有非常高的刚性，非常适合制造需要长期热稳定性的组件。 3D打印的芯片冷却模块 从这些不同领域的应用可以发现规律，Carbon开发的树脂材料面向了客户需求，甚至与客户一同开发材料。与应用端结合，解决客户的需求，是其致胜的关键因素之一。相比之下， PA、PEEK、PP及其复合材料，是目前较为流行的3D打印高性能材料，而材料开发商在多大程度上是因为材料已经流行了而去重复生产和开发，有多少是考虑了终端用户的真正需求呢？来自汽车制造商的数据显示，目前主流的3D打印材料多无法通过实验室测试，尤其是冲击强度。 提升百倍，革命性的3D打印速度 Carbon最引人瞩目的成就便是对3D打印速度的突破，这是其成功的最重要因素。该公司的研究人员于2015年在Science上发表论文首次展示了这种称之为连续液面生成（CLIP）的技术，凭借一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形成一种能防止固化的薄的“死区”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增长的固体从树脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产品更加坚固。而因为区别于其他DLP工艺的抬起和下降步骤，它比传统3D打印技术快了100倍。   Clip技术原理 Adidas 3D打印运动鞋底的成型过程 在速度方面的突破，证实了3D打印可以被用于制造业，因此也吸引了各方的持续关注和多轮融资。自此，Carbon与福特汽车、阿迪达斯和里德尔体育公司达成协议，分别为它们生产汽车零件、运动鞋底和橄榄球头盔。这同时成为Carbon取得3D打印批量制造和商业成功的关键。 Carbon为里德尔开发的3D打印橄榄球头盔 基于Clip工艺，Carbon推出了多种类型的3D打印机。Carbon M系列是功能原型的理想选择，在零件质量、准确性和一致性方面深得客户满意；Carbon L1打印机作为成熟装备，服务于需求量产的产品设计师、工程师和制造商，其成型尺寸为400 x 250 x 460mm，阿迪达斯Futurecraft 4D鞋中底和Riddell Diamond橄榄球头盔便是采用该机型打印，它提供了稳定的质量和可靠性，并能够按需生产。 Carbon-Adidas 3D打印生产车间 在商业模式方面，Carbon采取只租不卖的模式，按年收取费用。这一方面降低了终端用户尝试Carbon技术的初期投资压力，另一方面也使得终端用户在面临Carbon后期设备技术更新的时候，能更轻松的切换到更新版本的设备。 END 从Carbon的发展历程来看，其首先突破了3D打印技术的速度限制，其次开发出了多款高性能3D打印树脂，为其产品的工业应用打开了通道。设计软件的开发，则是基于3D打印工艺在复杂结构制造方面的优势，尤其立足于使用其公司的树脂材料在晶格点阵结构方面的优异性能，开发出了只有该公司产品才能实现的、可接受的成本先进应用。 而从业内众多成功案例以及增材制造发展的趋势可以看出，速度和材料成为了一家公司致胜的关键，没有哪家公司不是在基于更快打印速度的基础上同时推出先进材料，惠普、华曙概莫能外。而尚没有哪家公司可以像Carbon那样，只有利用它们的打印技术、材料才能实现创新设计的高性能和相对低成本应用。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.中国工程院院刊：3D打印技术在多个领域取得进展 2.Carbon首秀TCT Asia并官宣:3D打印实现量产不再是传说 3.GE公司的新尝试：采用金属3D打印代替铸造，发现成本更加经济 4.预见2021：《2021年中国3D打印材料产业全景图谱》

北京时间2021年5月15日8时20分左右，中国首枚火星探测器“天问”一号成功着陆火星北半球的乌托邦平原。 中国航天器首次奔赴火星，“毫发未损”地顺利出现在遥远的红色星球上，完成了人类航天史上的一次壮举，实现了我国首次地外行星着陆。 着陆后，“祝融号”火星车成功传回了遥测信号。 凌晨1时许，天问一号探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。 4时许，着陆巡视器与环绕器分离。历经约3小时飞行后，进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。 从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。我国天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段，历时“惊魂九分钟”。 两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器的后续探测任务提供中继通信，搭建起地球和火星之间的通信桥梁。 后续，“祝融号”火星车将依次对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。 祝融号着陆过程 祝融号火星车 我国首次火星探测任务—天问一号任务于2016年正式批复立项，计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视探测。 中国航天科技集团公司下属中国空间技术研究院（航天五院）是天问一号探测器的总研制单位，负责执行中国第一次自主火星探测任务。据报道，“天问一号”火星探测器安装使用了超过100个3D打印定制的零部件，其中包含相当一部分的金属3D打印零件（如钛合金等），具有高强度耐高温耐辐射等各种高性能特征，可以满足在火星恶劣环境中正常工作运行的要求。高能离子浮尘、空间碎片，要考虑结构的性能和特点，深空探测器结构包括高刚度、轻量化、尺寸稳定性、拓扑优化等等需求。 天问一号火星探测器标注图（来自微博网友WLR2678，强调非官方，为个人作品） 而根据中国航天科技集团的消息，航天五院529厂针对“嫦娥”系列、火星探测器等新一代轻量化航天器发展需求，积极开展3D打印技术的研究与应用，取得了较好的效果。 “相比于传统铸件或者锻造产品，3D打印的产品研制周期明显缩短，力学性能得到提升。”该厂研究人员介绍道，“不仅可以打印薄壁结构，还可以完成‘外部蒙皮+内部三维点阵’、变密度、内部含有流道等特殊复杂构型，在突破瓶颈、减重/提升性能、缩短周期、降低成本等方面产生较大的综合效益。” 该厂采用3D打印技术制备的星敏支架、斜撑支架、主承力大底结构等产品，如今已经通过了地面测试和各项环境考核，逐步应用于空间站、深空探测航天器、运载火箭。利用3D打印技术，该厂已经完成20多个型号共计500余件产品的交付使用，有力地支撑了型号复杂形状结构产品的快速研制。 天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成，于2020年7月23日由长征五号运载火箭成功发射，至今已飞行295天，距离地球约3.2亿千米。天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行和测控通信、地外行星软着陆等关键技术，是我国航天事业发展史上又一具有重大意义的里程碑事件。 关于天问一号更多3D打印技术应用，请关注后续报道。 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年中国航天领域3D打印8大应用成就和案例 2.关键结构件3D打印技术在新一代载人飞船中的应用 3.含钛合金和超级合金3D打印组件，毅力号今日成功着陆火星 4.从嫦娥四号登月，看航天529厂如何实现3D打印在轨应用

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

世界上许多性能最高的液体火箭发动机都是在20世纪80年代由俄罗斯和乌克兰的团队设计而成。科学家和工程师在当时的苏联取得如此成绩确实令人震撼，其代表产品RD-180至今仍然用于美国阿特拉斯5号的一级火箭。这也是被部分中国航空航天公司关注的重要原因。 不过，盯上他们的不止中国人，成立于2018年、总部位于纽约的航天技术公司Launcher，不久前任命了前乌克兰海基发射服务公司Yuzhnoye的液体推进部门副总设计师、火箭科学家伊戈尔·尼先科为首席设计师，其在高性能液体火箭发动机开发方面有超过30年的经验，参与了多种运载火箭推进系统的设计和开发。双方都在将增材制造大范围用于火箭重要部件生产方面富有冒险精神。这些努力，不仅成就了航天，也成就了3D打印行业。   3D打印，是新兴航天公司致胜的重要依赖技术 对于火箭开发来说，最具挑战性的任务之一就是制造富含狭窄、复杂形状冷却通道的燃烧室。火箭在发射过程中，燃烧室的温度达到3000-4000℃，这足以熔化任何金属。导致它不会立即熔化的唯一原因，就是一侧散失的热量要比另一侧吸收的热量更多更快，大约1mm壁厚的冷却通道发挥了重要作用。而它的机械加工，尤其是随后的封闭，都是一项困难的技术挑战。 通过3D打印，可以在燃烧室中创造出最优形状的冷却通道，将高传热和低水力损失结合起来。使用传统技术创建这样的通道，将会产生极高的机械加工和钎焊成本。对于新兴航天技术公司来说，3D打印则是他们致胜的关键。Launcher 3D打印的全尺寸E-2液体火箭发动机 2020年10月， Launcher开始测试其全尺寸的E-2液体火箭发动机，旨在以最低的成本为小型航天运载火箭提供最高的性能。因为采用了一米高的3D打印单件铜合金燃烧室，这家只有不到20名员工的公司，得以在最短的时间以相对较低的预算实现了这一目标。 然而，E-2液体发动机的3D打印零件不只有燃烧室，还有液氧泵、涡轮泵以及喷油器等等。接下来，3D打印技术参考将分别介绍这些零件的制造材料、完成单位以及其他细节。 从有需求、无设备，到打印一体化的全球最大火箭燃烧室 早在2017年，Launcher就指定了E-2发动机的制造路线图。最初是将涡轮泵的开发作为其首要目标，这是因为当时的SLM设备已经具备了这一应用所需的制造体积，然而当时还没有可以打印一米高零件的3D打印机，无法整体制造单件E-2燃烧室。其他航天公司则调整思路，选择生产较小的发动机，或者将零件分成三件或更多件分别打印再组成一个整体。然而，这种方法会降低燃烧/冷却性能，增加发动机重量以及成本。 Launcher一直在推动SLM设备制造商开发更大成型尺寸的金属3D打印机，但当时只有EOS旗下的AMCM公司愿意尝试，并迎合Launcher的开发需求。此外，AMCM看到了更多的潜在应用以及需求，进而加快了开发进程，使其M4K打印机得以提前两年投入使用，这使得Launcher能够在推进涡轮泵研发的同时开发E-2燃烧室。 AMCM M4K打印机 M4K打印机的成型尺寸为450 x 450 x 1000mm，配备4台1000w的激光器。在正式打印之前，AMCM采用AlSi10Mg打印了第一个燃烧室模型。最终全尺寸的燃烧室采用CuCrZr合金打印而成，它是世界上最大的单一组成部分3D打印燃烧室。 2019年以来，AMCM已经为Launcher完成了多个版本的燃烧室制造任务，以供不同的测试需求。2020年10月lanucher开始对E-2进行测试，前两次测试的燃烧室并没有冷却功能，以降低风险并测试3D打印喷油器的性能，两项测试均获成功。第三次测试的燃烧室则具有全部功能，并确保冷却通道的清洁。 3D打印的铜合金燃烧室具有优异的表面质量 镍基合金只是折中方案，铜合金整体打印却不是谁都能做 在开发全尺寸的E-2发动机之前，E-1已经是一款功能齐全的小型原型机，用于全面评估和测试发动机设计的各个方面。最初计划采用镍基合金制造这两款发动机。但在项目的早期阶段，Launcher发现英国3T Additive Manufacturing 公司正在采用SLM技术打印铜合金。双方接洽后，开始测试标准的C18150 CuCrZr合金作为燃烧室材料的性能，结果发现该材料具有高效的热传导性和冷却效果，且传导性能达到了镍基合金的20倍，不仅提高了燃烧室的寿命更降低了成本。 如今，铜合金被广泛认为是冷却液体火箭发动机的最高性能材料，而镍基合金则是一种折衷方案。然而，在当时则鲜有能够完整打印整件铜合金燃烧室的服务提供商。通过与3T的合作，Launcher在不到8周的时间里完成了从报价、制造到试车的过程。 3D打印燃烧室剖面图可看到复杂的流道 从E-1到E-2，更大的内部冷却通道更容易打印和清洁粉末，但制造具有必要强度的壁和歧管则较为困难。这一阶段的关键除了设计优化之外，还需要在打印机上开发能够制造一米高铜合金燃烧室的工艺参数，这成为该项目成功的关键因素之一。 工艺开发分为两个阶段，首先是在AMCM M290 1KW打印机上开发，之后将其移植到M4K上，它们具有类似的光学配置。在生产完第一批样品并确认材料质量后才进行燃烧室的打印。2018年和2019年，launcher对E-1发动机的各种原型进行了试车，包括研究不同制造参数（如粉末层厚度）的性能，以及制造速度和制造成本等。 3D打印的燃烧室在进行热等静压 热处理也是项目成功的关键因素，E-2的最终热处理和热等静压（HIP）由Launcher定制开发，Quintus Technologies的设备完成，以达到其特定的材料性能目标。 除燃烧室、喷油器采用3D打印制造外，E-2火箭发动机的液氧泵、涡轮泵也是3D打印而成。前者是火箭发动机的核心部件，用于液氧的输送与增压，由EOS M290采用镍基合金和铝合金材料3D打印；后者又被称作是火箭发动机的心脏，用于给发动机增压，它由Protolabs采用Velo3D的设备和In718镍基合金打印而成。可以明确的是，这两个零件都经过了热处理，并留下了经过加工的表面。截至2020年7月，3D打印的涡轮泵已完成70多次验证。 3D打印的E-2火箭发动机液氧泵 3D打印的E-2火箭发动机涡轮泵 将3D打印的优势、缺点，统统转化为优势 Launcher首席设计师伊戈尔·尼先科列举了增材制造技术的优势，包括实现独特形状（包括内部通道等）的设计自由度的能力、相比传统技术在进行更大和更复杂项目方面的处理速度以及将多个组件整合到一个零件中的能力等，均被用到了E-2燃烧室的设计和制造中。然而，3D打印也有固有的不足之处，即表面粗糙度较大。然而，在燃烧室的设计中它也起到了积极作用：通道中的粗糙表面可以显著增加冷却液的传热。在一些传统制造的发动机中，燃烧室通道也会以特殊方式加工来获得人工粗糙度。3D打印在此方面的不足，反而变成了优势，从而减少了后续加工。 燃烧室已连接管道准备试车 任何传统技术，包括冲压、机加工、钎焊、焊接和再次机加工的许多阶段，都不可能在两周内从零开始制造出一个几乎完工的燃烧室，即使拥有这方面所需的所有机械，而增材制造却将此变成了现实。 END 航天领域将成为金属增材制造越来越重要的市场。Launcher和AMCM之间的合作，使由此产生的材料和工艺技术向更为宽广的应用范围扩展。作为一项加工技术，它不仅被行业巨头开放，私营企业和小型组织也完全可以获取。 金属3D打印是促成Launcher等私人航天快速发展的创新技术之一，它以相比过去极低的成本开发和制造火箭发动机，大大加快了开发时间，并取得了燃烧效率的提高。而在此前，火箭发动机的高昂成本只有超级大国才能负担得起。如果没有3D打印，像Launcher这样的小公司则不可能以如此小的代价取得如此大的成功，而没有这些应用的推动，3D打印技术的发展则可能不会这么迅速。 注：本文内容来自3D打印技术参考。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 2.国家增材中心10m级高强铝合金重型运载火箭连接环实现一体化制造 3.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 4.从143到304，多材料3D打印为汽（赛）车提速、增效、降本