本文内容来源：3D科学谷。 尽管较大的工业热交换器仍采用传统的制造技术，但大多数时候，对热交换器的需求朝向尺寸越来越小，结构越来越紧凑的趋势发展。 金属3D打印-增材制造助力实现越来越小巧的热交换器，在更紧凑的设计中找到了越来越多的应用，例如电子设备、可再生能源应用、制冷循环、燃料电池，ICE电动汽车。本期内容将带领大家一起来领略通往这些更高效、更集成的热交换器3D打印的设计之路。 3D打印-增材制造技术提供的主要好处是增加了设计自由度，这允许更有效的传热，同时减少所需零件的数量。这带来更少的空间占用和更少的材料，从而使设备的重量更轻，且同时可以管理更高的热负荷和功率密度。 CAD建模-更智能 有多种方法可以利用增材制造优势获得更高效的热交换器。到目前为止，最常见的是通过使用点阵晶格结构，针状鳍片和微通道来增加可用于热交换的表面。 胞元填充方面，可以尝试nTopology的nTop平台，在这里通过创成式算法来完成复杂的设计。nTop平台的一大优势是可以实现看智能化的点阵结构自动圆角。当通过点阵技术减轻零件重量时，从DfAM（增材思维）角度看，在点阵晶格和外蒙皮之间建立牢固的连接非常重要（以防止分层）。传统的3D建模过程首先需要选择所有交叉点，然后才能尝试在所有位置创建回合。 软件工程师知道这会带来非常痛苦的工作量，更不用说当新的圆角值根本无法重建时，重建错误的加剧会带来沮丧的情绪。通过启用nTop平台的高级计算方法，可以通过输入圆角值（包括较大的圆角值），消除了对模型故障的担心。 点阵结构填充轻量化设计所需要实现的零件复杂性已经超过了传统的CAD软件的原有功能。对设计进行修改的时候，例如仅在节点，横梁和连接体之间应用圆角或倒圆角所涉及的工作量在使用传统软件工具的时候往往变得“浩瀚无边”。这种低附加值的工作会延缓工程流程，抑制真正的创新，并扼杀组织保持竞争优势的能力。 圆角应用的答案在于自动化，nTop平台提供了自动圆角化的解决方案。由于nTop 平台中3D模型背后的底层数据结构，传统上被视为有风险或脆弱的操作在nTop平台中可以轻松得以实现。 来源：additivalab 除了点阵的应用，针状鳍片的设计几乎总是有益的：虽然圆形和椭圆形鳍片带来的改进或许很小，但金刚石、翼型和矩形鳍片带来的改进很明显。 所有这些特征允许更高的热传递，不过如果不适当地设计，由于与流体流动相反的阻力增加，尤其是点阵晶格结构会损害系统的整体效率。 CAE仿真-驱动设计 仿真驱动设计在热交换器的设计方面体现得尤为明显，利用众所周知的流体动力学公式，对于每个模型都可以追踪总热交换和热交换系数。再次注意到，随着网状结构的密度增加，压力损失和热交换增加。而且，在制冷剂侧，管道厚度的增加对应于通道部分的减小，并因此导致相当大的压降。 提高热交换器效率的另一种方法是增加内部通道中的湍流。在轴向流中产生涡流，有可能创建一个次级正交速度场，从而减小边界层的厚度并促进热交换。这种涡流可以通过扭管或涡流发生器产生。 通过提高粗糙表面方法可以获得传热增强，不过在某些案例中虽然这种方式可以获得高达70％的传热系数改进，但这种方法大大提高了摩擦系数，从而又导致了更高的压降。这样的效果对于具有较小水力直径的微通道变得更加敏感。 来源：additivalab 通过Ansys Fluent来计算各种结构CFD模型中的压力损失和热交换情况。在相同的重量下，某些几何形状在热流体动力学性能方面优于其他几何形状。通常，空气侧压力损失的增加与模型内材料的密度成正比，通常具有更致密的网状结构的几何形状阻碍了空气的通过，产生了局部重要的压力跳跃，增加了总体损失。 通过Ansys的CFD-Post可以定性评估散热器各个点的压力和温度条件，以便能够解释热交换器各个区域中的热流体动态交换行为模型。 通过选区激光熔化技术（SLM / DMLS），可以与热交换器的主体以结构一体化的方式制造出来，而无需组装，并且几乎不需要额外的费用，从而确保将传热系数提高诸如40％或者更高的水平。 开启材料人工智能开发之路 此外，除了几何形状方面的设计考虑，通过3D打印实现更具热传导效率的材料方面的设计是另外一条曲径通幽之路。Intellegens的机器学习工具AIchemite™为波音亞仕得加速器提供最高的热传导性能产品且不降低机械性能要求。其中，Alchemite™人工智能引擎几乎是在最大化热传导性能和抗拉强度的两个方向上寻找到了最佳材料组合。 通过Alchemite™人工智能引擎可以将通常需要2年的材料开发设计过程缩短为3个月。通过调整金属元素的组合，来开发适合性能要求的热交换器。通过Alchemite™人工智能引擎可以将开发过程可视化，持续性的获得开发进展。 除了从设计端发力，另外一个重要的考虑因素是认证。 工业革命以来，热交换器在工程系统中具有长期的应用，这意味着传统工艺制造的热交换器的性能和可靠性的置信度很高，而增材制造热交换器所采用的是新兴的制造工艺和创新性的设计方式，这样的新兴工艺需要更多的资格鉴定数据来支持和加速产品的认证过程。 增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。西门子研究院还推出了基于模型的快速认证技术（ICME），这是一种数据驱动的快速认证技术（机器学习）。如何通过数据、仿真以及人工智能的结合实现数据驱动的认证以打开产业化大门。 工欲善其事必先利其器，在所有创造价值的源头，在所有可能颠覆的源头，不管是CAD,CAE还是人工智能开发新材料组合，算法无疑是最重要的部分之一。 而总体来说，设计出轻量化、高效的热交换器需要对增材制造设计（DfAM）建立基本了解，只有充分的了解设计的理念和制造的约束，才能确保零件的可制造性。

传统的金属增材制造技术均采用高能热源将材料熔化，这在材料的熔化/凝固过程中难免产生缺陷。本期我们要介绍的是一种新型的增材制造技术，它完全不基于高能热源，也不需要保护气氛，还能以10倍于熔融成型3D打印的速度制造大型整体构件，它就是搅拌摩擦增材制造技术。近日，美国公司Meld Manufacturing采用该技术打印出了直径3.05米的铝合金零件。 3D打印的直径3.05米的零件 搅拌摩擦增材制造的基础是搅拌摩擦焊技术，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。这样的焊接方式没有经过金属的熔化与凝固，只是经过塑性软化和轴向的挤压，连接处在材料性能上存在一定的优势。 搅拌摩擦焊的原理 搅拌摩擦增材制造就是基于搅拌摩擦焊的原理，把分离部件“连接”变成纵向的“堆积”，材料在高速旋转的刀具作用下摩擦生热，同时搅拌针的旋转使得前进侧的材料跑到返回侧，这样摩擦以及塑性变形产生的热量使材料软化，再在刀具的纵向压力下形成熔核组织; 刀具在控制系统的控制下按照预定的轨迹运动就会形成一个由焊核组织构成的“纯核”构件，最终实现增材制造。  Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造过程 搅拌摩擦增材制造的三种进料方式   笔者查询资料发现，搅拌摩擦焊增材制造有三种进料方式，分别是板材、旋转棒料和粉末三种。基于板材的进料方式很容易理解，但从Meld Manufacturing的制造过程来看，很显然不是这种方式。从其原理图可以看出，它采用的应当是棒材进料。 meld manufacturing搅拌摩擦增材制造原理 meld manufacturing搅拌摩擦增材制造视频演示 以棒材的进料方式已经证明了可以得到多道多层的成型件，其最大的特点是在送料和刀具上，也就是进料棒还充当了“刀具”的角色，起到摩擦挤压的作用，所以此模式的材料利用率很高。对于以板材为进料的方式，其进料上主要是根据需要逐层添加板材，然后用独立的刀具进行摩擦增材制造，在材料利用率上打了很大折扣，而且由于进料板的先前形状，在成型件形状上有了限制，所以成型控制性较差。另外，此方式需要夹具对进料板进行固定，给加工过程带来不便。以粉料添加进料的方式，可随刀具运动实时添加，具有很高的材料利用率和很好的成型控制性。  基于多层板材的搅拌摩擦焊 搅拌摩擦增材制造的技术优势   这三种进料方式的一个共同特点，也是该技术本质上的优势，就是经过摩擦搅拌过程可以得到性能良好的微观结构(细晶组织)，而这正是实现良好机械性能的本质。进料通过与搅拌针摩擦生热，发生塑性软化，然后再通过两者的挤压，实现增材过程。在这样的过程中，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。 Meld Manufacturing采用搅拌摩擦增材制造的部件 此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。 同其他大型金属增材制造技术一样，该技术所制造的零件需要通过铣削才能获得最终成品。 搅拌摩擦增材制造可成型材料和应用   虽然可查询到的资料多以铝合金的搅拌摩擦增材制造居多，但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。 Meld Manufacturing搅拌摩擦增材制造的铜合金部件 Meld Manufacturing的搅拌摩擦增材制造技术已经在大型卡车和国防装甲车辆中获得应用，该公司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。 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.重磅：国家增材制造创新中心推出“激光增减材复合制造装备” 2.冷喷涂：动力学金属化过程 3.增减材混合制造技术大幅提高武器装备生产速度 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

作为金属3D打印的重要材料之一，铝合金由于密度轻、弹性好、比刚度和比强度高等一系列优良特性，一直被认为是“朝阳材料”。它在军工、航空航天、汽车制造等领域已被广泛应用且具有很好的发展前景，与3D打印的结合更是使其迸发出新的活力。然而相比钛合金、铁基、镍基合金，铝合金的3D打印研究和应用在近十年来才获得较快的发展，其主要原因还在于材料本身的局限性。传统为锻造工艺设计的6系和7系高强铝合金均无法用于3D打印，主流3D打印用铝合金的拉伸强度一般也不会超过500MPa，屈服强度不超过300Mpa，难以达到锻造高强铝合金的水平。 目前，性能最好的高强铝合金之一Scalmalloy®，其拉伸强度（UTS 520 MPa）、屈服强度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表现出色，且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点，是空客公司专为增材制造而开发的材料，具有严格的专利保护，且不对国内出售。 突破空客专利限制的新型高强铝合金瞄准该技术空白及其巨大的应用前景，中车工业研究院通过大量成分设计和实验验证，设计研发了一种新型3D打印专用高强铝合金粉末材料，并开发了相关3D打印工艺和热处理技术。该高强铝合金粉末材料经批量生产以及多轮SLM技术验证，拉伸强度稳定超过560MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率超10%，显著优于空客公司Scalmalloy®铝合金粉末的打印性能以及其他7系锻造高强铝合金。同时，由于不同于空客公司Scalmalloy®的强化机制，该打印材料在215℃高温条件下的强度超过260MPa，延伸率超过10%，几乎比空客Scalmalloy®的高温性能整整提高了一倍。 图1. 打印件常温力学性能 图2. 打印件215℃下的高温性能 此外，该材料还具备优良的耐腐蚀性能，可满足国内轨道交通装备和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，具有广泛的应用前景和市场价值。 图3. Scalmalloy®打印件的常温和高温力学性能（空客APWORKS官方网站） 最关键的是，新开发的高强铝合金及相关打印技术均突破了空客公司Scalmalloy®高强铝合金的专利限制，具有自主知识产权。粉末中Mg、Si等主要元素比例范围均在空客专利范围之外，并添加了适量的其他微量元素。同时，基于成本因素考虑，Sc、Zr含量也进行了优化。目前，该材料及其打印工艺已申请专利4项，已获授权2项。 针对3D打印过程中存在的热应力变形以及高强度的使用要求，研究人员对材料进行了冷热裂纹抑制设计和多重强化机制设计。其中强化机制包括了固溶强化、晶界强化、纳米相强化以及高密度堆垛层错强化，材料在打印过程中不会出现微裂纹，打印件具有非常细密的等轴晶组织。同时，由于良好的强塑性匹配，打印大尺寸零件也不会发生应力开裂，能够很好的应用于较大型铝合金零部件的SLM成型。 图4. 该高强铝合金粉末打印件的微观组织结构 图5. 该高强铝合金粉末打印的粗大实体 在粉末状态方面，通过与外部粉末加工单位合作，该材料批量生产后球形度达到0.88，空心粉率控制在3%以内，氧含量控制在300ppm以下；同时铝合金的流动性难题也有突破，粉体的霍尔流速提升至100s以内，非常适合于激光粉末床打印，具有优秀的工艺适应性。 图6. 高强铝合金粉末形貌和截面图 图7. 高强铝合金粉末流动性测试 新型高强铝合金粉末材料及相关打印工艺技术由中车工业研究院主导研发，目前已稳定生产并已应用于中车轨道交通轻量化零部件的试制，取得了极佳的减重和性能强化效果。包括拓扑优化结构的抗蛇形减震器座、抗侧滚扭杆座、轴箱体以及加强散热设计的散热器板等，均取得了极佳的减重和性能强化效果。其中抗蛇形减震器座相比传统加工件减重72%。 图8. 采用新型高强铝合金粉末材料打印的轻量化轨道交通装备零部件样件 材料——增材制造产业链的关键一环材料在使3D打印成为真正的生产技术中起着关键作用。根据捷普的一项调查，41%的受访用户认为，引入更好的材料将对鼓励大规模采用3D打印进行生产产生最大影响。而对铝合金而言，长时间以来业内成熟商业化的材料多为力学强度不高的Al-Si系合金，极大限制了来自航空航天以及汽车领域用户对高强度的使用要求。实际上，铝合金有着极大的使用潜力。根据SmarTech的介绍，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。 图9. 中车工业研究院3D打印用高强铝合金粉末产品 在此背景下，增材制造产业链的上游企业正在积极响应这种需求，一系列高强铝合金频繁上市。包括中车工业研究院等单位设计研发的新型高强铝合金正在成为打破国际垄断、迅速国产化的关键，相关产品将极大影响我国3D打印技术在关键领域的应用深度和广度。 目前，由中车工业研究院设计开发的新型高强铝合金已批量生产，并获得包括中国航发在内的部分航空航天企业的试用，相关应用也正在推广。如对该材料或打印样件有需求，可联系中车研究院祝弘滨博士，电话13811868917（微信同号）。 关于中车工业研究院 中车工业研究院有限公司，简称中车研究院，是中国中车集团面向科技创新的直属特设机构。是中国中车前瞻性、基础性、共性技术及行业核心技术的研发牵头单位，以及技术成果的转移与转化组织单位；是“探索一代、预研一代”关键技术研究的主责单位，为中国中车实现“双打造一培育”提供强力支撑。 中车研究院是中车金属增材制造技术的主导研发单位和研究规划的制定单位，增材制造技术团队由4名博士和多名硕士组成，目前面向中车技术需求已开展多项技术研究。 往期上传：Scalmalloy®国际专利；国内新型铝合金相关研究内容。 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.国内3D打印高强铝合金研究新进展及Scalmalloy®应用取得重要突破 2.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 3.铝合金激光能量沉积技术为何难以实现应用，目前的突破有哪些 4.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

2019年，美机械工程师协会电子制冷委员会（ASME K-16）和电气与电子工程师协会（IEEE）组织了一项大学生散热器设计挑战赛，获得通用电气的支持和赞助。排名前六的团队最终采用GE Concept Laser M2打印机来验证设计，由铝合金制造的散热器在受控条件下进行测试，以查看实际性能是否与仿真相当。 这一设计挑战赛使工科学生团队在考虑理论热源和实际尺寸的情况下设计可3D打印的散热器，旨在提高高性能电子设备的散热能力。比赛的评判标准为实际的散热效果、总制造成本以及生产所需要的原材料质量。 此前，3D打印技术参考曾对排名前列的设计进行过详细介绍。最终，来自普渡大学的设计性能好于预期，成本也低于最初预期，甚至最大限度地减少了材料的使用量，获得最终冠军。 普渡大学散热器结构 普渡大学团队的设计灵感来自于鲨鱼皮，它具有非常独特的表面纹理，其表面数以百万计的细小穗状突起（称为细齿）在减少阻力方面都发挥了作用，因此鲨鱼的游泳阻力很小。鉴于流体动力学定律适用于液体和气体，普渡大学的工程师在其散热器翅片上增加了类似细齿的形状，可以达到减少压力差（压降）和促进空气混合的效果。 工程师们还在散热器的正面和背面增加了涡流发生器。这些“旋流器”在设计主体中有意产生湍流，从而使空气之间的热传递最大化。最后，为了排出散热器中的热空气，设计人员在两个涡流发生器之间安装了“呼吸器”，它类似于人类肺中的气囊，能够从周围环境吸收冷空气，并通过穿孔的斜面将热空气排出。 普渡大学设计的散热器工作原理 在整体形状和材料分布方面，设计团队通过拓扑优化确定了散热器的设计尺寸和最佳的材料分布。散热器的一侧为平缓倾斜的“L”形，另一侧为凸出的“d”形，这使得气流回流并再循环，从而在散热器上停留更多时间。 该团队冷却技术研究中心的博士生Serdar Ozguc表示：“当今电子组件面临巨大的散热挑战，计算机和电话的尺寸越来越小，但消耗的电能越来越多。这些CPU产生的热量会影响性能，安全有效地散发才能保证产品的正常运行。拓扑优化的结果往往非常复杂而令人震惊，传统方法难以制造，而采用增材制造则可以轻松实现。” 一些先进的3D打印散热器结构 事实上，金属3D打印技术确实为散热器的设计优化和制造带来了更高自由度，3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别适合于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂形状、点阵结构的加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。 目前，从汽车、航空航天、能源到电子行业等都在尝试使用3D打印技术来提高热交换效率，而可用于散热器制造的3D打印材料主要有不锈钢、铝和铜。不过，该领域的关注焦点更多是先进结构的设计，这将是提高散热效率和体现3D打印技术优势的重点。 注：更多设计作品可查看延伸阅读。 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.由GE赞助的增材制造设计挑战赛有哪些先进结构 2.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 3.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 4.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用

7月2日，据外媒报道，国际汽车联合会（FIA）正式将德国APWORKS旗下3D打印高强铝合金Scalmalloy®批准为一级方程式赛车认可使用材料。 按国际汽车联合会的规定，一级方程式赛车所使用的材料均使用世界上最先进的质量轻、强度大的航空材料，采用现代化技术设计制造，一辆赛车的造价一般在百万美元以上。 由Scalmalloy®制造的空气动力学赛车翼子板 Scalmalloy®是一种铝镁钪合金，其拉伸强度（UTS 520 MPa）、屈服强度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表现出色，且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点，是一款专为增材制造而开发的材料。 该材料由APWORKS和空客公司共同开发，旨在用于航空航天应用。实际上早在2016年，空客就用这种材料3D打印了机舱隔断，成功帮助A320客机实现瘦身。Scalmalloy®的优异性能使其成为赛车运动行业的首选应用材料。空客使用Scalmalloy®3D打印机舱仿生隔断作为世界上第一种专门为SLM工艺开发的铝合金，Scalmalloy®同时也是APWORKS开发并获得专利的第二代高强度铝粉。它具有钛合金和传统铝合金的高强度和低密度特征，结合拓扑优化的轻型结构，能够在规定的重量限制内实现更好的质量分布，提升赛车零件功能水平。 传统铝合金与钛合金及Scalmalloy®性能对比 Scalmalloy®用于汽车热交换器 高强铝合金国内研究进展 目前，市场上似乎已经有了很多牌号的3D打印高强铝合金，如英国铸造公司Aeromet International获得专利的A20X，以及HRL于2019年刚推向市场的7A77.60L；国内有苏州倍丰的Al250C，长沙新材料产业研究院的AlMgMnScZr（未名牌号），以及今年上半年刚刚报道的众远新材料的ZYHA-1。由于此类材料在成分组成上大致相似，业内人士指出需要关注专利问题。在研究方面，今年4月，中南大学李瑞迪研究员发表文章，通过与新西兰奥克兰大学、中车工业研究院有限公司等单位合作，联合研发了一种适用于SLM工艺、具有抗裂纹倾向和多种强化机制的低成本、高强度Al-Mg-Si-Sc-Zr合金。 与Scalmalloy®或者类似合金（如Al-Mn-Sc）的主要区别是，后者具有较高含量的昂贵Sc（一般大于0.66%），当降低合金的Sc含量进行打印时，会导致晶粒粗化、热裂纹倾向并且显著降低机械性能。 中南大学及其合作团队经过一系列研究，共同开发了Al-8.0Mg-1.3Si-0.5Mn-0.5Sc-0.3Zr—一种新型的高强度铝合金，可同时兼具低成本和易于打印的优点。该合金打印样品的拉伸强度和延伸率可达到497MPa和11%，经时效处理后，其拉伸强度可达到550MPa，韧性为8-17%。 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.制约铝合金3D打印应用的六大因素 2.铝合金激光能量沉积技术为何难以实现应用，目前的突破有哪些 3.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 4.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用

在金属3D打印技术中，激光能量沉积技术的一大优点是能够一次成型整体大尺寸构件，而且其材料利用率高、适合个性化零件生产。 在众多激光能量沉积技术的应用案例中，我们看到比较多的是大型钛合金框架结构、镍基高温合金以及铜合金的火箭燃烧室，以及一些其他材质零件的修复案例等等，铝合金零件的激光能量沉积案例极少看到。那么铝合金的大型整体构件制造是没有需求吗？ 大型整体式铝合金构件直接制造的需求 应用案例虽极为鲜见，但大型铝合金构件的直接制造却也有着重要需求。随着航空航天技术的不断发展，对飞行器的性能提出了越来越高的要求。采用高性能铝合金结构件尤其是大型整体铝合金主承力结构件仍然是减轻飞行器结构重量，提高运载能力和飞行速度的重要技术途径之一。因此高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。 一些民用干线飞机用材结构比例（%） 近年来，美国、欧洲的航空设计部门发现，采用大型整体式铝合金构件替代传统的组合式铝合金构件，可减重15-20%，并且构件寿命及可靠性明显增加。明显可以感觉到，大型客机、战略运输机、战斗机的机翼主翼梁、翼身对接肋、机身承受力框等对铝合金的高性能化、构件大型化的要求越来越突出，总的来说，在航空航天领域，铝合金材料重新受到重视。 然而，当前以SLM技术为主的铝合金3D打印工艺自然无法满足大型构件的制造需求，而激光能量沉积技术为什么没能用于大型整体高性能铝合金关键金属零件的直接制造呢？ 采用激光能量沉积直接制造铝合金构件的瓶颈目前，铝合金激光能量沉积技术多停留在研究阶段，即便采用送丝打印能够使用，也存在成本控制和质量问题。究其原因，主要有以下几点关键技术难题未能有效解决： （1）与钢和钛合金相比，铝合金的导热率更高，而铝本身的激光吸收率低、反射激光率高，在铝合金激光直接沉积过程中，会有更多的能量通过基体的热传导损失掉，降低铝合金零件成形效率； 激光沉积用于修复 （2）钢的热膨胀系数是铝合金的一半，铝合金激光直接沉积过程中的变形和应力都较大，需要采取零件变形开裂预防措施； （3）铝合金在激光直接沉积过程中极易与氧发生反应生成熔点高（2050℃）、相组织稳定、密度相对较高、难以去除的Al2O3。Al2O3氧化层会在后续沉积过程中形成夹渣、未熔合等缺陷； （4）铝合金密度低，激光沉积过程中易受到激光轰击产生粉尘飞溅，一方面使制品产生缺陷，另一方面造成成形腔室粉尘飞扬，影响打印环境； 激光沉积用于修复 （5）铝合金在熔融的状态下，氢在铝合金中的溶解量会大幅度增加，同时由于良好的导热性，在熔池快速凝固的情况下，氢难以逸出，滞留在熔池中形成气孔； （6）铝合金在激光直接沉积过程中可能造成低沸点合金元素（如Zn、Si等元素）烧损，造成合金成分的变化，影响零件的组织和性能。 铝合金激光能量沉积技术取得的进展 据外媒5月12日报道，知名工业级3D打印机生产商Optomec宣布，其公司LENS定向能量沉积（DED）系统在增材制造和铝合金修复方面取得了突破。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。 Optomec LENS DED系统将铝粉打印到铝合金基板上 Optomec公司这一DED工艺的发展为交通运输和航空航天工业提供了一种新的加工途径，即可以利用粉末冶金的DED工艺对复杂的铝合金零件进行修复。此外，使用Optomec的LENS同步五轴系统可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件，而无需任何支撑结构。铝合金在极低的氧气浓度和湿度的可控工作箱中沉积，从而确保制造出具有优异机械性能的部件。 Optomec 3D打印的铝合金样块及显微组织 当前，Optomec的工程师已经完成了铝合金的工艺参数开发，可提供出色的表面光洁度，高沉积速率和约99.9％的密度。 国内方面，在2017年的一篇报道中提到，「顶立科技通过自有技术，重点解决了旋转雾化制备铝合金粉体材料微量氧元素控制，低熔点元素烧损机理、铝合金激光直接沉积增材制造过程控形控性机制、激光直接沉积铝合金构件热处理组织调控机理、零件性能表征及考核验证方法等关键科学问题；突破超纯洁净专用铝合金材料制备、自适应激光直接沉积增材制造技术、高性能热处理等多项关键技术，最终实现大型整体高性能铝合金构件在航空领域的应用。」但实际应用案例并未披露。 除此之外，笔者也查询了国内中科煜宸的官网，明确提到可以采用激光能量沉积技术打印铝合金，但这方面的案例也确实鲜见。 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.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 2.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

SLM能够以相比其他增材制造技术更高的尺寸精度制造复杂形状，通过将拓扑优化与铝合金相结合可以实现更优的轻量化组件生产。通常能够用于SLM良好成型的铝合金仅限于Al-Si二元体系，打印过程中一般不会出现结构缺陷。然而此类铝合金一般属于铸造材料，机械性能低，不能满足轻质零件所需的性能。 锻造铝合金（如2xxx或7xxx系列）因为其增强的比强度在汽车和航空航天业领域获得大量应用，是商用最强力的合金之一，因此采用SLM制造具有重要的应用潜力。然而，锻造铝合金是专为冷轧工艺设计，采用SLM打印很容易发生严重开裂。虽有研究通过改变工艺参数来抑制开裂和后热处理来改善机械性能，但却并未用于有效实践。 ▎对材料本身合金元素进行研究 近日，来自日本的科研人员研究了硅含量对选择性激光熔化（SLM）可加工性的影响以及所制备样品的性能。对于7075合金，硅含量过高会导致延展性降低和样品破裂，硅含量较低则无法抑制微裂纹。因此确定最佳硅含量为5%时，是消除具有增强的拉伸强度和可接受的延展性的裂纹所需的最低硅含量。 7075样品的最大和最小相对密度之间的范围 研究表明，通过SLM制造的7075合金零件存在发生严重开裂的问题，添加硅则可以消除重大缺陷，并且硅含量的改变有利于改善材料微观结构形态和机械性能。随着硅含量的增加，SLM样品中的空隙和裂纹得到抑制，促进了样品的致密化，材料的最大相对密度也得到了改善。 通过在最佳激光条件下加工7075 + 5%Si合金，可获得100.2%的最高相对密度，并且提高了维氏显微硬度和0.2%的屈服强度。7075+16%Si样品的硬度约为未改性7075的两倍。相反，过多的硅含量则导致脆性，这表现为在拉伸试验中测得的轻微延展性以及SLM过程中样品的断裂。在SLM工艺过程中7075+13%Si和7075+16%Si样品会自动断裂。 7075+13%Si和7075+16%Si粉末制备的样品外观 总体说来，硅是铝合金中一种应用普遍且价格低廉的合金成分，它可以抑制SLM制造7075合金过程中的微裂纹。而且，目前尚未观察到硅与其他合金成分（包括Cu，Zn和Mg）的相互作用，这表明类似的方法可能适用于SLM技术的其他锻造铝合金。同时该研究有望作为一种能够在不限制制造几何形状的情况下稳定地消除裂纹的方法。 注：相关研究已上传QQ群867355738。 ▎延伸阅读：2019年有多款高强铝合金上市 2017年，美国休斯研究实验室（HRL）发表于nature的一篇关于铝合金3D打印的研究文章引起广泛关注。研究人员受熔铸工艺启发，通过将纳米颗粒作为成核剂与液体金属混合来孕育晶种，从而实现在温度梯度较大和凝固速度快的非平衡条件下实现晶体精细生长，从而提高了产品的性能。 受此影响，高强铝合金的研究普遍得到重视，并于去年获得研究成果的爆发，2019年有多款高强铝合金上市。 3D打印的6061铝合金 3月，国内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。通过在国内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。 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。 苏州倍丰采用SLM制造的民用飞机铝合金大型复杂结构（接近800mm） 同月，英国铸造公司Aeromet International宣布了一项突破性成就，其专利A20X铝合金粉末已成为目前市场上用于增材制造高强度铝合金粉末之一。该材料经热处理后拉伸强度为511 MPa，屈服强度为440 MPa，伸长率为13%。基于该材料开发的航空散热结构件已成功替代传统采用钛合金制作的中温构件，并帮助法国某型号发动机实现瘦身。 10月，此前发表nature研究文章的HRL将成果商用化，其开发的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。 HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计 END 借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用。根据SmarTech的介绍，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。 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.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用 2.制约铝合金3D打印应用的六大因素及国内外高强铝合金的商用进展 3.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 4.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹

随着电子产品的快速发展，散热器设计变得越来越重要，它不仅具有调节电子设备温度的能力，还可防止计算机处理器发生过热。传统上，散热器使用铸造、焊接以及金属挤压等技术实现制造，产品只能在制造限制和设备性能之间做出折衷。基于此，美国第18届电子系统热力学学会组委会发起了基于增材制造新技术的学生散热器设计挑战赛，并获得GE赞助。本期，我们来看这次大赛有哪些优秀设计。 进入决赛的设计作品 组委会最终在全世界21只参赛团队中评选出五支进入决赛，他们分别是亚利桑那州立大学、普渡大学、马里兰大学、宾夕法尼亚州立大学以及都柏林三一学院。他们设计的新型3D打印金属散热器，可以有效的冷却电子设备。 亚利桑那州立大学团队的设计集中在增加散热器的表面积，以使来自电气组件的热空气能够在不影响其效率的情况下流动，而这在传统制造中普遍存在设计限制。他们使用工程类的概念来提出各种方法，以充分利用其新发现的设计自由度并最大程度地提高效率，最终采用一种在空气流动时更好混合和产生湍流的设计来增强传热，该产品在应用增材制造技术时获得的设计自由度是巨大的。 亚利桑那州立大学团队的设计作品 都柏林三一学院设计作品 普渡大学团队使用拓扑优化来在给定的散热器设计尺寸中找到最佳的材料分布。其3D打印散热器一侧为平缓倾斜的“L”形，另一侧为凸出的“d”形，这使得气流回流并再循环，从而在散热器上停留更多时间。该团队冷却技术研究中心的博士生Serdar Ozguc表示：“当今电子组件面临巨大的散热挑战，计算机和电话的尺寸越来越小，但消耗的电能越来越多。这些CPU产生的热量会影响性能，安全有效地散发才能保证产品的正常运行。拓扑优化的结果往往非常复杂而令人震惊，传统方法难以制造，而采用增材制造则可以轻松实现。” 普渡大学团队的设计作品 德克萨斯大学设计作品 点阵结构不仅重量轻，而且具有超大的比表面积，这对于促进热交换和化学反应具有很大优势。传统散热器的散热片多是各自分开的，通过钎焊组成一个整体，不同部件之间的结合增加了热阻，从而降低了热效率。3D打印除了实现结构的一体化制造外，独特的晶格结构显著增加了表面积，从而能够以更经济的方式实现更高的换热效率。事实上，这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，这些具有大表面积的小特征结构在没有3D打印的情况下几乎是无法制造的。 宾夕法尼亚州立大学设计作品1 宾夕法尼亚州立大学设计作品2 粉末床激光熔融技术已经生产出具有传统CNC所无法实现的、范围更广的复杂几何形状，而基于该技术所制造的包括金属散热器、发动机气缸和机油泵壳在内的零件的制造成本和材料成本却很低。五支决赛队伍的设计最终采用GE Concept Laser M2打印，并且所有的设计均采用相同的尺寸以及铝合金材料，并在相同的条件下进行了测试。 俄亥俄州立大学设计作品 马里兰大学设计作品 据参赛人员介绍，最终进入决赛的五项设计都令人难以置信，并且每支队伍都有自己独特的设计风格和解决问题的方法，因此设计人员必须学习很多不同的想法以及如何更好地思考。竞争更多的是为问题提供创新解决方案，而不需要再考虑制造限制。 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.HRL使用高强7A77铝合金探索先进设计和创新应用 2.考虑极限特征约束的增材制造设计方法 3.采用点阵结构替代支撑实现轻量化和高强设计 4.3D打印点阵结构的特殊属性及应用场景

在上期的《2019年3D打印材料市场演变—聚合物篇》中，我们介绍了从高性能热塑性塑料、复合材料到具有特殊性能的专业材料等聚合物材料的发展概况和发展机遇，材料种类的多样化正在为新兴公司和现有材料供应商带来高额回报。材料是增材制造产业链中的关键一环，本期，我们将继续介绍陶瓷和金属3D打印材料市场的演变特点。 陶瓷材料 3D打印陶瓷市场目前还没有聚合物市场那么大，但发展速度令人意外。根据SmarTech Analysis的报告，2020年陶瓷3D打印市场将超过2000万美元，到2029年将超过4.5亿美元。该报告还强调了一个事实，由工业陶瓷或传统陶瓷材料所制造的最终用途零件，其增值效益将有望在中长期内推动用户对硬件和材料的需求。 特别是对于工业陶瓷或高性能陶瓷，此类材料具有先进的机械性能，如极高的强度质量比、耐高温和耐化学性，它们已经用于从航空航天到电子技术的多个高级制造领域，来自这些领域的企业也是3D打印技术的首批采用者。 2018年，以陶瓷和金属纳米粒子喷射（NPJ）技术著称的Xjet公司开发出氧化铝陶瓷，与氧化锆相比，氧化铝具有较高的硬度和强度，但耐磨性较低，在烧制前后易于加工和精炼。 Xjet3D打印的金属-陶瓷一体结构 尽管陶瓷3D打印落后于聚合物和金属3D打印，但陶瓷3D打印技术和相关材料在未来五到十年内具有巨大的发展潜力。 金属材料 金属3D打印材料市场充满增长潜力，据Wohlers Report 2019报告，2018年全球金属3D打印材料市场增长41.9％，达到2.6亿美元，连续五年增长率超过40％。采用金属3D打印的用户数量的稳步增长，推动了对材料多样性和更高材料质量的需求。 ▌金属粉末产量正在上升 近年来，金属3D打印工艺如选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）、粘结剂喷射和粉末直接能量沉积（DED）等技术，均呈现全面强劲增长趋势，越来越多的材料供应商开始加入该行业，而那些已经加入的材料商正在努力提高生产能力。 2018年的一个重要趋势是许多供应链间的合作和收购，材料供应商的生产能力也在提高，这使得市场上各种合金材料的储量实现增长。市场供应量的提高对材料价值链产生了积极影响，使得规模经济增加，成本降低，并向3D打印应用领域的临界质量迈进。 2009-2018全球金属3D打印材料市值变化（百万） HöganäsAB是世界领先的金属粉末制造商之一，其在德国新建立的雾化工厂专门生产3D打印高纯度镍基、钴基、铁基等金属粉末并销往全球。国内河北敬业集团是传统的钢材生产商，其于2015年开始生产金属3D打印粉末产品，并在2017年实现两公斤粉末卖出一吨钢价格的创举。瑞典先进材料开发商和生产商山特维克开设的钛合金粉末工厂则支持了钛材料3D打印的增长趋势。 目前，无论初创企业还是传统的材料供应商几乎全都受益于金属3D打印快速增长，并得到丰厚回报。 ▌金属材料生产商努力占据增材制造全价值链 除了增加金属粉末产量，许多生产金属3D打印材料的公司还通过战略收购和业务重组来扩大在3D打印价值链中的作用。 今年年初，英国航空航天和汽车公司GKN旗下子公司GKN Additive宣布了一个新的子品牌GKN Additive Materials，该子品牌是与母公司金属粉末制造商GKN Hoeganaes合并而成。这使GKN Additive也拥有了一个子品牌GKN Additive Components，这样一来，该公司就能够整合增材制造工艺和材料，强化增材制造应用，使其成为一个完整的由粉末到零件解决方案的全产业链供应商。 GKN加速从材料到零件的整个过程链的工业化 为了进一步巩固其在增材制造市场中的地位，GKN在10月份还收购了美国3D打印服务提供商Forecast 3D，虽然后者专门从事聚合物3D打印，但此举使GKN拓宽了增材制造的应用范围和领域。通过此次收购，总部位于英国的GKN可以在整个美国市场占有更大的份额，并将开拓全新的业务领域。 除此之外，瑞典山特维克在今年8月出人意料地收购了意大利金属3D打印服务商Beam IT 30％的股份。据该公司称，此举符合其战略目标，即扩大在更广泛的制造业中的存在，该公司希望通过投资增材制造来实现这一目标。 ▌用于增材制造的新型金属材料 所有这些活动都表明金属增材制造行业的快速发展态势，其增长的最终指标是持续的材料开发。众所周知，金属粉末很难开发，认证更是困难，但是也一直在取得进步。 H.C. JX日本矿业金属公司推出了一系列雾化钽、铌3D打印粉末。凭借高熔点、高耐腐蚀性以及高导热性和导电性，这些材料可用于化学加工、能源和其他高温环境行业。雾化的钽、铌粉末具有出色的流动性和高振实密度，“完美”的球形和狭窄的粒度分布，这些都是粉末床熔融工艺所用材料的关键特性。 H.C. JX推出钽、铌3D打印粉末 英国材料商OxMet Technologies开发的专为3D打印工艺设计的耐高温、高强度镍基合金，在900°C的高温下仍具有很高的强度。而目前可用于3D打印的镍基合金（IN 718）在650°C以上会变得不稳定，在涡轮机械组件的使用中存在风险，因此新材料的开发体现出显著的性能改进。 国内，由苏州倍丰吴鑫华研究团队开发的Al250C材料则将目前可用于3D打印的铝合金材料达到了最高水平，其拉伸强度超过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。这一成就使该材料成为市售最强的铝AM粉末之一。 Al250C拉伸强度与其它铝合金对比 为了推进持续使用资源的循环经济理念，微波等离子技术专家6K采用机加工铣削、车削和其他再生原料生产优质的3D打印金属粉末。将来，6K还计划采用金属打印的支撑结构和废品制造粉末，从而真正实现材料的零浪费。这为增材制造用户提供了一种新方式来管理项目成本和控制供应链，同时还提高了金属增材制造的可持续性。 ▌材料：增材制造产业链的关键一环 材料在使3D打印成为真正的生产技术中起着关键作用。根据捷普最近的一项调查，41%的受访用户认为，引入更好的材料将对鼓励大规模采用3D打印进行生产产生最大的影响。 当前，增材制造产业链的上游企业正在积极响应这种需求，一系列的高级聚合物和特种金属不断面世。如今，材料供应商能够更清楚的识别、优化、制造和回收3D打印材料。同时，我们也看到更多的参与者进入了材料开发的新领域，无论是复合材料、硅树脂还是陶瓷。 虽然，高昂的材料成本仍然是限制3D打印应用的的关键瓶颈之一，但随着需求的增加，材料价格将会不断下降，从量变到质变还需要时间。最终，在大公司和新兴公司的推动下，3D打印材料行业将继续蓬勃发展，而这种上升趋势将在未来几年继续影响整个3D打印行业。 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打印金属材料全球发展态势及国内细分领域应用现状 2.国内空天动力部门对3D打印材料发展的有哪些期待 3.激光成型高温难熔金属材料的种类及应用 4.金瓷结合：Xjet将实现多材料一体打印

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…