镍基高温合金凭借其优异的高温强度与抗蠕变性能，被广泛应用于航空发动机等核心部件的制造。近年来，激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造（AM）技术在复杂结构件的一体化成形方面展现出显著优势。然而，尽管增材制造的高温合金在室温拉伸性能上已能达到锻造合金的水平，但其中高温下的抗蠕变性能较差，成为限制其在苛刻服役条件下应用的关键瓶颈。

为应对这一挑战，微合金化近年来已成为一项重要的研究热点。C元素作为一种典型的晶界强化元素，能够通过在晶界处发挥钉扎效应来提升高温合金的强度。增材制造极高的冷却速率使得合金中易于形成细小的碳化物，从而允许加入比传统铸锻工艺更高的C含量。然而，由于增材制造粉末制备过程中通常含有比传统合金高出一个数量级的氧含量，这会导致打印态合金发生严重的晶界脆化。因此，C的强化效果极大程度上受限于过高氧含量引发的晶界脆性。

为了应对这一挑战，中国科学院金属研究所与沈阳工业大学的研究团队提出了一种创新的微合金化策略。通过将Inconel 718（IN718）合金中的碳含量提高一个数量级至0.45wt.%，并添加0.06wt.%的微量钇（Y），成功设计并制备了C/Y复合微合金化IN718合金，蠕变性能得到了显著提升。

相关工作以“A novel microalloying strategy for superior creep performance in LPBF Inconel 718 superalloy”为题发表在Materials Research Letters上。博士研究生陈瑞志和特别研究助理周林为论文的共同第一作者，中科院金属所李金国研究员、吴迪研究员和沈阳工业大学刘丽荣教授为共同通讯作者。

论文链接：
https://doi.org/10.1080/21663831.2026.263094

 图文解析

图1. （a）650℃/650MPa测试条件下的蠕变曲线；（b）650℃/650MPa测试条件下的蠕变速率-时间曲线；（c）650℃/650MPa下实验合金与LPBF和锻造IN718合金蠕变寿命比较；（d）650℃/690MPa测试条件下的蠕变曲线；（e）650℃/690MPa测试条件下的蠕变速率-时间曲线；（f）650℃/690MPa下实验合金与LPBF和锻造IN718合金蠕变寿命比较；（g）实验合金与LPBF及锻造IN718合金Larson-Miller参数比较。

图2. （a）-（c）三种合金ECCI表征；（d）IN718合金的TEM表征；（e）和（f）0Y-HC和0.06Y-HC合金胞状组织TEM表征及相应的EDS元素分布图；（g）和（h）0Y-HC合金中Laves相与碳化物的TEM表征；（i）和（j）分别对应（g）和（h）中析出相的SAED花样；（k）0.06Y-HC合金中氧化物的EDS线扫结果；（l）-（n）氧化物析出相的HRTEM像及相应的FFT花样。

图3. （a）打印态0Y-HC和（b）0.06Y-HC合金中O元素富集行为表征；（c）0Y-HC和（d）0.06Y-HC试样裂纹附近的O元素富集行为表征；（e）O在蠕变过程中的危害及Y对其缓解作用的示意图。

蠕变性能测试表明，在650℃/650MPa的下，未改性的标准LPBF IN718合金的蠕变寿命仅为77.46h，延伸率为4.1%。仅提高碳含量的0Y-HC合金虽然将寿命提升至124.38h，但其延伸率降至0.9%，呈现出明显的脆性断裂特征。采用C/Y复合微合金化的0.06Y-HC合金，其蠕变寿命达到了650.05h，比未改性的IN718合金提高了739%，同时延伸率提升至10%。在更为苛刻的650℃/690MPa高应力条件下，0.06Y-HC合金依然表现出色，蠕变寿命达到182.15h，比无Y的高碳合金提高了236%。Larson-Miller参数对比显示，复合微合金化的IN718合金抗蠕变性能已超越多数文献报道的增材制造IN718合金，甚至媲美传统的锻造IN718合金水平。

利用SEM、TEM和EPMA对合金进行了多尺度微观组织表征。结果表明，高C含量促使合金在胞状亚晶界和晶界处析出了大量颗粒状的碳化物。这些细小的颗粒状碳化物能够有效阻碍位错的连续滑动，从而对晶界施加了强烈的钉扎作用，显著降低了局部的晶界滑移速率。微量Y元素的加入可以增强晶界的结合强度，从而有效阻碍裂纹沿晶界的扩展。更为重要的是，Y对氧具有极强亲和力，通过与游离氧发生反应，原位形成了纳米级Y2O3，成功抑制了亚晶界和裂纹尖端的氧富集现象。在晶界净化与强化的协同作用下，合金的蠕变性能大幅提升。

总之，该研究将增加C含量与添加微量Y元素相结合，在LPBF IN718合金中成功实现了优异的综合力学性能突破。C元素提供了必要的晶界强化与第二相强化作用，而Y元素则通过形成有益的氧化物的同时缓解了增材制造合金中氧导致脆化问题。上述研究结果为开发适用于苛刻服役环境的新型高性能增材制造专用合金成分设计提供了思路。

*本文转载自由MRL编辑部邀请，作者团队供稿。

论文引用

Ruizhi Chen, Lin Zhou, Huan Zhang, Xiangyu Zhao, Yi Liu, Peisen Lv, Di Wu*, Jun Xie, Fei Sun, Jingjing Liang, Lirong Liu* & Jinguo Li* (18 Feb 2026): A novel microalloying strategy for superior creep performance in LPBF Inconel 718 superalloy, Materials Research Letters.

https://doi.org/10.1080/21663831.2026.2630942

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难熔高熵合金是由钛(Ti)、钒(V)、铪(Hf)、铌(Nb)、钼(Mo)等难熔金属元素为主元形成的多主元难熔合金。它的“超能力”在于高温下依然保持着高强度，抗软化能力强，适用于诸如空间核反应堆、火箭喷嘴等极端环境服役的装备中。

但它的软肋也很明显：室温下非常脆，用传统方法（如锻造、轧制）难以加工成复杂形状。此外，常规的铸造方法会导致成分不均匀，需要长时间高温处理，费时费力。而3D打印（特别是“定向能量沉积”技术，简称DED）能一层一层地“叠”出零件，同时利用超快冷却特性来避免成分偏析，是较为理想的解决方案。

然而，DED打印难熔合金时，由于各元素熔点相差巨大（钼的熔点约2896 K，钛仅约1933 K），极易产生未熔化粉末颗粒、气孔和裂纹等缺陷。这些缺陷会严重破坏材料的力学性能。

 3D打印中的成形缺陷

西北工业大学的研究团队以Processing defects and damage mechanisms in refractory high-entropy alloys additively manufactured via directed energy deposition 为题，在Journal of Materials Science & Technology期刊发表了论文。

研究人员采用混合粉末（粒径15~150 µm）作为原料，通过DED技术3D打印了一种特定配比的合金：Ti₄₁V₂₇Hf₁₃Nb₁₃Mo₆（at.%）。研究者发现，激光功率和扫描速度是控制缺陷的关键。

• 能量不足（如低功率+高速度）：高熔点铌、钼粉末不能完全熔化，残留在材料中形成“未熔颗粒”。这些颗粒与周围基体结合性很差，成为裂纹源。
• 能量过高（如高功率+低速度）：熔池过热、湍流加剧，易引起热应力裂纹，同时可能使元素烧损。

通过变参数实验（图1~图6），研究者总结出：熔池宽度、深度、润湿角等特征都与激光能量密度密切相关。当能量密度太低时，未熔颗粒比例（UPF）很高；能量密度适中时，可以获得连续、稳定的熔道；能量密度过高则导致熔池不稳定。最终确定，单道沉积的优选工艺区间为4000~4500 W激光功率配合480~720 mm/min的扫描速度。

 如何优化工艺？

为了消除未熔缺陷，同时避免裂纹，研究者提出了两种优化策略（图7、图8）：

策略一：高功率+高速度工艺（简称工艺H）

工艺：激光功率4500 W，扫描速度720 mm/min。

原理：提高熔池温度（峰值达3203 K），使高熔点颗粒充分熔化，同时高速扫描避免过热，抑制裂纹的产生。

策略二：低功率+低速+重熔工艺（简称工艺R）

工艺：先用3000 W、720 mm/min打印一层，再用3000 W、360 mm/min不送粉“重熔”一遍。

原理：第一次扫描形成熔池，第二次重熔提供额外能量，使未熔颗粒完全熔化，温度峰值达到3009 K。

温度场模拟（图7）证实，两种工艺的熔池峰值温度均超过了钼的熔点（2896 K），又低于钛的沸点（3560 K），既能充分熔化所有粉末，又不会导致低熔点元素挥发。

 实现缺陷抑制，性能显著提升

对比三种工艺下的打印块体样品（L：低能量未优化；R：重熔优化；H：高功率高速优化）：

• 样品L：存在大量未熔颗粒和孔洞（未熔颗粒占比1.3%，孔隙率0.86%），几乎没有任何塑性，拉伸断裂应变不到0.5%，强度仅636 MPa。
• 样品R：未熔颗粒占比降至0.45%，孔隙率0.44%。屈服强度1081 MPa，延伸率12.4%。
• 样品H：缺陷最少（未熔颗粒占比约0.14%，孔隙率0.13%）。屈服强度1033 MPa，延伸率高达17.9%，实现了强度和塑性的良好平衡（图11a）。

为什么样品H的强度略低于R？因为H工艺下熔池温度更高，导致晶粒长大（图9f），削弱了细晶强化效果。但更少的缺陷让该样品获得了更好的塑性。

 缺陷如何造成损伤？

为阐明缺陷在变形过程中的损伤行为，研究者采用了数字图像相关（DIC）和X射线三维断层扫描（XCT）技术。

• 样品R（中等密度缺陷）：应变集中在与拉伸方向呈45°的剪切带上（图11b），裂纹容易在未熔颗粒与基体的界面萌生（图13），然后沿着未熔颗粒边界扩展。XCT显示，断裂后样品R中的裂纹在所有成形缺陷中的占比高达36.6%，且其中12.9%的裂纹萌生与未熔颗粒相关。
• 样品H（低密度缺陷）：应变分布更加均匀，高应变区域占比是样品R的两倍（图11c）。破坏方式以微孔聚集为主，而不是裂纹扩展。
• 断口形貌（图17）也证实：样品H布满细小的韧窝（韧性断裂特征），而样品R则存在解理面和撕裂棱（准解理断裂特征）。

 3D打印高质量难熔高熵合金的关键

通过这项研究，我们了解到：

1. 关键缺陷：未熔颗粒和孔洞是导致难熔高熵合金脆性断裂的关键缺陷，抑制此类缺陷将合金变形损伤行为从“裂纹主导”变为“微孔主导”，材料从脆性转变为韧性断裂。

2. 优化工艺：高功率+高速度（H工艺）效果最好，能大幅降低缺陷；重熔策略（R工艺）次之，但也能显著改善力学性能。

3. 实际意义：该工作为DED成形难熔高熵合金提供了有效的缺陷抑制策略，结合XCT重构、DIC应变表征与滑移迹线分析揭示了该合金的变形损伤行为，以推动难熔高熵合金先进制造与强韧化的发展。

随着增材制造技术的持续突破，难熔高熵合金有望真正走出实验室，从概念性的先进结构材料，变为现实中可用于制造“钢铁侠”马克战甲的工程化材料。

 图片解析

图1. 粉末制备与DED加工。(a) 混合粉末制备过程示意图。(b) 激光沉积系统装置示意图。(c) 正交扫描路径。(d) 横截面拉伸试样（垂直于Z轴）和金相试样（中部区域）的取样位置。沉积方向记为Z轴。

图2. 混合粉末及打印样品的形貌与成分表征。(a) Ti、V、Hf、Nb、Mo粉末的扫描电镜(SEM)图像，显示Mo粉末表面存在孔洞。(b) SEM图像及EDS面扫描显示粉末混合均匀。(c) 混合粉末的粒径分布（(D10 = 91.9 µm, D50 = 44.4 µm, D90 = 24.5 µm）。(d) 单道沉积试样。(e) 典型DED块体样品。

图3. 单道横截面的BSE显微照片：熔池形貌与工艺参数（激光功率1500-4500 W，扫描速度240-720 mm/min）的关联。比例尺为2 mm。

图4. 低激光功率（3000 W）-高扫描速度（720 mm/min）条件下熔池截面缺陷（记为工艺L）。(a) BSE图像显示高-Tm)（亮色）和低-Tm（暗色）的未熔化颗粒。(b) EDS面扫描结果。

图5. 熔池特征随激光功率和扫描速度的变化。(a) 熔池宽度(w)。(b) 熔池高度(h)。(c) 熔池深度(d)。(d) 熔池润湿角(θ)。(e) 熔池稀释率(Ad/(As+Ad))。(f) 熔池中未熔颗粒面积占比(UPF)。

图6. 熔池特征的热图分析及单道稳定性评估。(a) 相关性热图（+1/-1表示最大正/负相关）。(b) 基于不同工艺参数下熔池表面沉积形貌的单道稳定性评价。

图7. 三种典型激光成形工艺(L/H/R)下单道温度场的模拟结果。(a) 某时刻的温度场分布。(b) 熔池XOZ截面上的温度等值线。(c) 沿Y方向提取线处的温度曲线。

图8. 抑制未熔缺陷的工艺参数优化。(a) 高激光功率（4500 W）-高扫描速度（720 mm/min）条件下熔池的BSE图像及EDS面扫描。(b) 高功率-高速度缺陷抑制策略（记为工艺H）。(c) 初次扫描（3000 W-720 mm/min）加重熔（3000 W-360 mm/min）条件下熔池的BSE图像及EDS面扫描。(d) 重熔缺陷抑制策略（记为工艺R）。

图9. 三种典型工艺下打印块体样品的微观结构与缺陷统计。(a-c) 样品L、R、H的显微组织和元素分布。(d) 未熔缺陷面积占比（UPF）比较。(e) 孔隙率比较。(f) EBSD的IPF图，显示无明显织构。

图10. 基于XCT技术获得的DED RHEA中缺陷分布与特征参数。(a) 不同工艺(L、R、H)打印样品的3D缺陷分布（彩色代表孔洞，灰色代表未熔颗粒）。(b) 孔洞和未熔颗粒的平均Feret直径的箱线图。(c) 孔洞和未熔颗粒的球形度分布。

图11. 不同工艺制备的打印态样品的力学响应。(a) 室温工程应力-应变曲线。(b) 通过DIC获得的R和H样品在单轴拉伸下的应变分布图。(c) 不同工程应变下沿加载方向的局部应变分布。

图12. R样品在5%拉伸应变下的滑移行为。(a) 在未熔颗粒与基体界面处的滑移传递（事件1）；在孔洞附近滑移迹线转向事件（事件2和事件3分别对应(b)和(c)）。

图13. R样品中未熔颗粒的变形响应。(a) 变形过程中未熔颗粒的形貌。(b) 未熔颗粒与基体之间的界面脱粘。(c) 由未熔缺陷引发的裂纹萌生。(d) 未熔颗粒-基体界面处的裂纹源。(e) 断口表面未熔颗粒引起的滑移阻碍。(f) 未熔缺陷的SEM图像。(g) 拔出颗粒对应的Mo元素分布。

图14. R样品中孔洞的变形响应。(a) 变形过程中孔洞聚集形成的裂纹。(b) 裂纹分析：(b1) 裂纹扩展路径的SEM图像；(b2) EBSD的IPF图；(b3) EBSD的KAM图。(c) 裂纹止裂处的扭折带。(d) 沿A1–A2和B1–B2线的取向差分布。

图15. 损伤机制图，总结了在中等缺陷含量（R样品）和低缺陷含量（H样品）RHEA中，缺陷主导的损伤演化路径。

图16. 断裂样品中损伤诱导缺陷的特征参数。(a, b) 断裂H和R样品中缺陷球度与体积的关联图。(c) 缺陷面积占比随距断口距离的变化趋势（分层截面数据）。

图17. L、R和H样品的断口形貌：(a) L样品显示未熔枝晶(a1)、脆性断口(a2)及解理面(a3)；(b) R样品显示孔洞(b1)、具有河流花样和韧窝的准解理断口(b2)以及撕裂棱(b3)；(c) H样品显示以微孔为主的韧性断裂(c1)及大量韧窝(c2, c3)。

研究团队简介

王锦程，西北工业大学材料学院教授，博士生导师。主要从事材料多尺度计算、合金设计、增材制造等方面的研究工作。先后承担国家自然科学基金、973计划、国家重点研发计划等科研项目20余项，发表学术论文400余篇，授权专利20余项。

何峰，西北工业大学材料学院教授，凝固技术全国重点实验室副主任、中国材料研究学会青年工作委员会理事、增材制造材料委员会委员、中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《Journal of Materials Science & Technology》青年编委。获中国科协第九届“青年人才托举工程”，陕西省“三秦英才”，上海市“青年科技英才扬帆计划”。主持国家级项目4项，省部级项目3项。相关成果共发表 SCI 论文百余篇，含第一/通讯作者 SCI 论文 56 篇，包括金属/冶金/加工等领域顶刊Nature Communications, Acta Materialia, International Journal of Plasticty, Additive Manufacturing和JMST等，其中8篇入选高被引/热点论文，单篇被引过百的论文17篇。

崔丁聪，西北工业大学材料学院2022级博士研究生，师从王锦程教授、何峰教授，致力于难熔高熵合金的快速凝固组织及强韧化机理研究。以第一作者在International Journal of Plasticty, Additive Manufacturing和JMST等期刊发表12篇 SCI论文，1篇入选封面文章与热点论文，2篇入选ESI高被引论文，论文被引数过千。获国家奖学金(2次)，国家建设高水平大学公派研究生项目资助；入选首批“中国科协青年人才托举工程博士生专项计划”。

论文引用

Dingcong Cui, Shuya Zhang, Songyu Wang, Xiaoyu Bai, Chengyu Li, Junyu Chen, Boxin Wei, Kunlei Hou, Upadrasta Ramamurty, Jincheng Wang, Feng He, Processing defects and damage mechanisms in refractory high-entropy alloys additively manufactured via directed energy deposition, J. Mater. Sci. Technol. 258 (2026) 170-186.

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.09.034.

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冷凝作为一种基础的热力学相变过程，在制冷与空调、水收集、海水淡化、电子设备热管理以及发电等领域均发挥着关键作用。围绕如何提升冷凝传热效率，学界长期以来形成了两条主要技术路线：膜状冷凝（filmwise condensation）与滴状冷凝（dropwise condensation）。在膜状冷凝中，冷凝表面会持续覆盖一层厚度从微米到毫米量级的液膜，该液膜引入了额外的寄生热阻，显著削弱了传热性能。相比之下，滴状冷凝以离散液滴的形式进行，液滴生长至毛细长度尺度后在重力作用下脱离表面，暴露出新的冷凝面积，因而具有更高的传热系数。然而，在工业实践中，大量应用场景依赖低表面张力流体（如介电流体和各类制冷剂），这类流体的强润湿特性使得冷凝几乎不可避免地以膜状模式进行，传热性能受到显著制约。

针对这一瓶颈，来自北卡罗来纳州立大学（NCSU）与Advanced Cooling Technologies, Inc.（ACT）的研究人员提出了一种基于3D打印收敛式吸液芯结构（converging wick structures）的流冷凝器设计。其核心思路在于：将冷凝界面从光滑壁面转移至金属多孔吸液芯内部，利用金属芯体的高有效导热率降低冷凝液膜的热阻，同时通过沿流向逐渐收敛的流道拓扑增强尾部区域的对流效应。

该团队采用选区激光熔融3D打印技术，分别采用高导热铜合金GRCop-42和高耐蚀不锈钢17-4 PH材料，制备了两组几何结构完全一致但材料热导率差异显著的芯流冷凝器样件，并对其热工水力性能进行了系统的实验表征。

 收敛式吸液芯冷凝器的结构设计

图1展示了该研究所采用的芯流冷凝器的结构设计与3D打印实物。

冷凝器整体由三部分功能区域构成：（a）工质侧的收敛式金属吸液芯流道、（b）冷却水侧的波纹微通道，以及（c）将两者隔开的薄壁传热区。

图1 （a）芯流冷凝器的整体结构示意图，标注了主要尺寸参数；（b）工质侧收敛式吸液芯结构；（c）水侧波纹微通道设计；（d）SLM 3D打印的GRCop-42与17-4 PH冷凝器实物照片。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

收敛式吸液芯的设计遵循了特定的传热强化逻辑。在冷凝器入口段，蒸汽干度较高，蒸汽流速快，此时流道截面较大以保证足够的流通面积；随着蒸汽沿流向逐渐冷凝，干度下降，流道截面同步收缩，从而在低干度区域维持较高的蒸汽流速和对流强度，避免尾部因蒸汽停滞而导致的传热恶化。水侧波纹微通道的作用则是在冷却液侧同步强化单相对流换热，降低整体热阻。

两款冷凝器的主要材料参数如下：

研究人员选取这两种热导率相差近25倍的材料，目的并非简单比较谁更好，而是在同一结构平台上建立材料热物性对冷凝性能影响的定量基准，为后续材料选型提供实验依据。

 实验方法

图2为实验测试系统的示意图。

实验回路主要包括介电流体循环子系统和冷却水循环子系统。介电流体经预热后进入冷凝器测试段，在芯流冷凝器内发生冷凝；冷却水则以相反方向流经水侧波纹通道，带走冷凝潜热。通过调节介电流体的质量流率和过冷度，研究人员得以在不同工况下采集冷凝器的热通量、传热系数、出口蒸汽干度和压降四项核心指标。

图2 冷凝传热性能测试系统示意图。系统包含介电流体回路（供汽/冷凝循环）和冷却水回路（温控循环），通过数据采集系统同步记录温度、压力和流量信号。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

实验的工况参数覆盖范围如下：

• 介电流体质量流率：0.1 ~ 1.1 g/s
• 过冷度（subcooling）：固定于 ~5.5°C

 实验结果

冷凝热通量

图3展示了两组冷凝器在不同质量流率下的冷凝热通量。

GRCop-42铜合金在整个测试范围内均显著优于17-4PH不锈钢，在0.6 g/s工况下达到峰值热通量 24 kW/m²（2.4 W/cm²）。17-4PH的热通量随流率增加呈现先升后降的趋势，峰值约为GRCop-42的四分之一。

这一差异的直接原因在于：GRCop-42的高热导率有效降低了芯体内部的温度梯度，维持了较大的冷凝驱动力（壁面与饱和蒸汽之间的温差）；而17-4 PH芯体内部的温度梯度较大，冷凝界面温度升高，可用温差被压缩，传热速率受限。

图3 3D打印GRCop-42与17-4 PH芯流冷凝器的冷凝热通量随质量流率的变化曲线。GRCop-42在0.6 g/s处达到峰值24 kW/m²。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

传热系数

图4为传热系数（HTC）随质量流率的变化关系。

GRCop-42在1.1 g/s下达到最高传热系数 4.2 kW/m²·K，相较17-4 PH同期数值高出约250%。在低至中流量区间（0.1~0.6 g/s），传热系数的差距尤为显著，GRCop-42的优势接近300%。这表明在热流密度敏感的紧凑型电子散热场景中，高导热金属材料的选择具有关键意义。

图4 两组冷凝器的冷凝传热系数随质量流率的变化。GRCop-42的峰值HTC达到4.2 kW/m²·K。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

出口蒸汽干度与冷凝完全性

图5展示了一个往往被热通量数据所掩盖的关键指标——出口蒸汽干度（exit vapor quality）。

GRCop-42在全部测试流率下出口干度均接近零，意味着进入冷凝器的蒸汽被完全冷凝。而17-4 PH的表现则截然不同：当质量流率从0.1 g/s提升至0.7 g/s时，出口干度从0单调攀升至约0.7，表明在较高负荷下仅有约30%的工质完成了相变。

这一结果揭示了材料热导率对冷凝完全性的决定性影响——17-4 PH的低导热导致芯体尾部温度偏高，无法维持有效的冷凝温差，冷凝过程在尚未完成时便已停滞。

图5 两组冷凝器的出口蒸汽干度随质量流率的变化。GRCop-42在所有工况下均实现近乎完全冷凝，17-4 PH在0.7 g/s时出口干度达0.7。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

压降特性

图6给出了两组冷凝器的两相冷凝压降数据。

GRCop-42的高传热性能伴随着显著更高的流动阻力：在0.6 g/s工况下，压降达到17 kPa，约为17-4PH（约8 kPa）的两倍。在1.1 g/s的高流率下，GRCop-42的压降进一步增至约32 kPa，17-4PH则约为15 kPa。

这一结果反映了热性能与液压性能之间的固有权衡——收敛式吸液芯结构在强化传热的同时增加了流动阻力，而高导热金属芯可能因更活跃的相变过程导致更大的汽液两相动量交换损失。

图6 两组冷凝器的两相冷凝压降随质量流率的变化曲线。GRCop-42的压降约为17-4 PH的两倍。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

表：主要实验参数汇总

 研究工作的意义

这项研究的价值在于，它并非停留在3D打印可以做出复杂冷凝器的概念层面，而是在统一的结构平台上，用一组严谨的对比实验量化了材料热导率对冷凝器核心性能指标的影响。

此前，业界对于金属芯冷凝器到底能做到什么程度缺乏定量的材料对标基准，而GRCop-42与17-4 PH之间350 W/m·K与15 W/m·K的两条性能曲线，为后续的工程设计提供了明确的参照。

从增材制造的角度看，该工作进一步展示了SLM 金属3D打印工艺在热管理器件领域的应用潜力。收敛式吸液芯与波纹微通道的一体化结构，传统减材制造难以实现，3D打印则可以在一次成型中完成，使流道拓扑优化真正从传热机理出发而非受限于工艺约束。

从材料选型的角度看，研究结果揭示的性能-压降权衡关系也具有指导意义。GRCop-42适用于追求极致传热密度的场景（如高功率电子模块液冷、紧凑型两相散热系统）；17-4 PH则可在对耐腐蚀性要求严苛、热负荷中等的工况下（如海洋环境、户外通信设备）作为一种务实的替代方案。研究团队也指出，对于中等/适度热性能的应用需求，17-4 PH的耐腐蚀优势可能使其成为更具寿命经济性的选择。

该工作的扩展版本已发表于International Journal of Heat and Mass Transfer（Volume 243, 2026, 126428），研究团队正在进一步探索梯度化吸液芯结构的设计空间。对于从事3D打印冷板、散热器以及两相流热管理器件开发的从业者而言，这条技术路线值得持续关注。

论文引用

Durga Prasad Ghosh, Behzad Ahmadi, Vivek Mano Mohan, Mohammad Reza Shaeri, Sajjad Bigham,Thermohydraulic Characterization of 3D-Printed Metallic Wick Flow Condensers, 2025 24th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Dallas, TX, USA, 27-30 May 2025. DOI: 10.1109/ITherm55376.2025.11235706.

扩展版期刊论文

Ghosh et al.,Tailored flow condensation of low surface tension fluids via additively manufactured gradient wick structures, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 243, 2026, 126428. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126428

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近日，香港城市大学吕坚院士与哈尔滨工业大学孟松鹤教授合作，创新性地提出了一种4D打印陶瓷的新策略。

相关研究成果《Additive manufacturing of fiber-reinforced electrically driven precursors and their derived ceramics》发表于Materials Science and Engineering: R: Reports。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101258

 研究背景

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和高强度等优势，在航空航天、能源装备和极端环境结构件中具有重要应用价值。但传统陶瓷加工难、脆性大，复杂结构制备仍然受限。

4D打印为陶瓷结构制造提供了新的思路：打印后的结构可以在外界刺激下发生预设形变，从而实现可编程功能响应。

前驱体转化陶瓷（PDCs）因前驱体分子结构可调、可加工性好、裂解温度相对较低，成为4D打印陶瓷的重要材料体系。不过，现有技术仍面临两个问题：一是响应外界激励多依赖热驱动，在真空、外太空等对流换热受限环境中适应性不足；二是裂解过程中容易产生孔隙和缺陷，导致最终陶瓷的力学性能仍有提升空间。

 主要内容

针对上述问题，研究团队设计了纤维增强、导电的可打印陶瓷前驱体墨水。

在前驱体中引入纤维相，使材料同时具备可打印性、导电性和力学增强潜力。其中，短切碳纤维在挤出打印过程中沿打印方向取向，有助于提升结构强度；导电增强碳纳米纤维构建导电网络，使前驱体在响应热激励的基础上，能够响应电刺激产生焦耳热，触发形状记忆回复。

图1. 陶瓷前驱体的合成、打印、重构、热/电驱动形状回复及陶瓷化

 热/电多模驱动

前驱体体系在保持原有重赋形和形状记忆特征的基础上，实现在热激励或电激励完成形状回复。相比传统热驱动，电驱动依靠材料内部导电网络产生焦耳热，响应更直接，也更便于实现局域和远程控制。

图2. 兼具导电和纤维顺向排布的直写打印墨水合成与性能表征

图3. 电/热驱动集成与重复性/FEM验证

 力学性能提升

完成形状编程后，打印结构经高温裂解转化为陶瓷。

研究发现，纤维引入能够提高陶瓷产率并降低尺寸收缩，但过量引入会导致更多孔隙和缺陷削弱力学性能。团队进一步引入PIP工艺。通过将液态前驱体浸渍入陶瓷内部孔隙，并在后续裂解中转化为陶瓷，从而实现致密化和增强。

图4. 纤维增强与PIP协同后的打印陶瓷力学性能

 总结

该工作建立了一种从前驱体设计、直写4D打印、热/电双模式驱动到高温烧结陶瓷和PIP增强的一体化制造策略。多尺度导电纤维网络拓展了4D打印陶瓷的驱动方式，纤维取向增强与PIP致密化共同提升了打印陶瓷的力学可靠性。该策略有望用于航空航天、复杂轻质结构和极端环境服役等领域。

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当前的激光粉末床熔融过程监测方法大多旨在捕捉到一个或多个现场监测设备记录的一个或两个现象，并通过间接推理预测缺陷。

然而，飞溅、蒸汽羽流和熔池形态之间的内在关系主要是通过模拟或单独监测单个现象来研究的，没有分析它们的耦合效应。这种限制从根本上源于传统的监测技术，包括X射线成像、红外热成像和可见光成像，不适合同时观察多现象的视场，因为它们在放大了目标特征的同时损害了其他信号。例如，红外热成像技术优先增强熔池的热特征，但大大减弱了蒸汽羽流和飞溅动力学。

相比之下，纹影成像通过同时捕获不可见流体（气流、火焰等）克服了这些限制，从而可以观察到熔池形态、飞溅轨迹和蒸汽羽流演变等扩展现象。

为了重新调整打印计划，最大限度地减少各种类型的缺陷，必须全面记录粒子运动、气体流动和熔池振荡之间的相互作用，并了解这些多相相互作用之间的相互依存关系。武汉科技大学、中科院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学联合研究团队提出了一种涉及熔池、飞溅和蒸汽的三向耦合方法，同时定义了五种类型的熔道表面缺陷。数据驱动方法用于分析使用原位纹影成像收集的大量实验数据，以了解与熔池形态相关的轨道缺陷模式。

相关研究论文以“Interplay mechanism between molten pool, spatter, vapor and melt defects in laser beam powder bed fusion via In-situ schlieren monitoring and deep learning methods”为题发表在《Additive Manufacturing》期刊。本期谷·专栏将对该研究进行简要分享。

论文链接：
10.1016/j.addma.2025.104997

 1. 实验设备

实验在搭建的平台上进行（见图1）。独立设计近轴高速纹影成像监控系统，包括高速摄像机、变焦镜头、滤光片、点光源、刀、凹面镜、滤光片等。

图1. 纹影成像高速监测系统。

 2. 熔道分类模型

提出了一个基于CBAM和Resnet18的熔道缺陷分类模型，如图2所示。该模型使用包括跳跃连接和残差学习的Resnet18网络作为骨干特征提取网络，旨在缓解梯度消失的问题。通过ConV1计算图像，每个ConV1包含一个带有CBAM模块的7×7卷积运算，以捕获图像中的低级特征和一些主要结构。然后，在批归一化（BN）层中计算批归一化。在Softmax层之前，输出被转换为类概率，以实现不同表面形态的分类任务。熔融痕迹缺陷分类网络的总体准确率为97.33%，F1得分为97.32%，证明了所提出的分类网络的可靠性。

图2. 熔道缺陷分类网络。

 3. 熔池与熔道缺陷重新关联

为了验证五个手动标记的缺陷与实际熔池状态之间的一致性，利用经典的t-SNE算法和高斯混合模型（GMM）来可视化训练样本的分布。交叉验证确保了手动缺陷注释的可靠性，以及它们与实际熔化过程的一致性。使用阈值分割和轮廓提取对收集到的熔池图像进行分割，以获得熔池轮廓，得到与熔池运动相关的32维特征集，如图3（a）所示。此外，提取了熔池的六个附加特征，即周长、面积、倾斜角度、面积周长比和两个多边形面积比，形成了熔池总共38维的特征向量。

提出了一种改进的t-SNE方法，以降维的方式对熔池特征进行聚类和可视化。高斯混合模型（GMM）用于计算熔池38维特征的高维相似性。如图3（d）所示，熔池图像可以很好地分为五种类型。与手动标记的熔池分类标签相比，其平均准确率可达90.37%，召回率为90.37%，准确率为91.04%，F1得分为90.5%。

图3. 熔池形态聚类及其与熔道缺陷关联性分析。

（a）根据所示方法提取熔池轮廓特征（包括面积、周长、比率、线条和倾斜角度）。（b）使用高斯混合模型（GMM）计算高维相似性；（c）提出了一种t-SNE方法；（d）熔池聚类结果及其对应的熔道缺陷类别标记：0-边缘凸起，1-顶部凸起，2-缩颈，3-凹陷，4-不连续。

 4. 飞溅、羽流与熔池的耦合关系

使用高速纹影成像系统捕捉整个PBF-LB过程中的蒸汽喷射动力学。为了增强特征识别，获得了图4（A）所示的时间分辨快照序列。时间t明显观察到，在激光启动时（t=0μs），金属蒸汽垂直于基材喷射。根据气液界面理论，蒸汽在熔池上方形成分子级厚度的克努森层，其快速膨胀会产生与喷射方向相反的动态反冲压力。为了阐明蒸汽-熔池相互作用，进行了介观尺度熔池模拟（图4（b））。该模型表明，垂直取向的反冲压力矢量在熔池中心诱导了一个特征性的U形凹陷。同时，在激光能量传递引起的热流耦合效应下，熔池表现出沿扫描方向扩展的迁移特征。出现了两种不同的状态，即当速度<100 mm/s时，MP超前模式下的熔池偏转幅度与扫描速度呈负相关，而当速度超过500 mm/s时转变为MP滞后模式，呈正相关。随着扫描速度的增加，蒸汽偏转随时间呈下降趋势，呈现出明显的非线性下降关系。当扫描速度从50 mm/s增加到100 mm/s时，蒸汽的偏转时间减少了440μs。然而，随着速度从500 mm/s上升到1000 mm/s，这种减少显著衰减到仅56μs。这些结果表明扫描速度对蒸汽偏转时间有阈值效应，此时时间参数对100 mm/s以下的速度变化表现出更高的敏感性。

图4. 蒸汽羽流动力学和熔池行为的多尺度分析。

（a）P=400 W，V=1000 mm/s时蒸汽羽流演变的时间序列；（b）羽流产生时的熔池形态的中尺度模拟；（c1）熔池滞后现象示意图；（c2）熔池超前现象示意图；（d）在固定的400 W激光功率下，蒸汽角度随扫描速度（50-1000 mm/s）的变化；（e）在固定的100 mm/s扫描速度下，蒸汽角度随激光功率（100-500 W）的变化。

在纹影成像实验中，除了捕获由气体密度梯度引起的交替明暗蒸汽图案外，还清楚地观察到PBF-LB过程中喷射的飞溅颗粒。由于这些飞溅物由不透明的熔融/固体金属颗粒组成，它们在图像中表现为离散的黑点。图5（a）显示了熔池上方蒸汽羽流周围的许多飞溅引起的黑点，这些黑点来自熔池喷射和粉末飞溅。值得注意的是，穿过蒸汽环境的高速飞溅颗粒表现出明显的拖尾效应。对飞溅轨迹的统计分析表明，在固定的工艺参数下，飞溅颗粒主要在图5（a）中淡蓝色扇区所描绘的特定角度范围内喷射，中心角定义为飞溅分散角。相比之下，淡红色区域表示稳定的蒸汽覆盖区。考虑到蒸汽喷射的持续稳定性，其覆盖区域主要由气体膨胀动力学决定。由于蒸汽喷射是飞溅形成的关键驱动因素，本研究重点关注它们的动态行为。图5（b）描绘了不同激光功率下蒸汽喷射角度随扫描速度的演变，实验数据是在距离扫描原点1mm处获得的（0°表示扫描方向，180°表示相反方向）。结果表明，当激光功率超过100 W时，蒸汽喷射角在所有功率水平上单调增加。具体来说，在100-500mm/s的范围内，蒸汽喷射角度急剧上升，而在50-100mm/s和500-1000mm/s的范围，生长速率显著降低。这表明存在一个临界扫描速度阈值（约100-500mm/s），其中蒸汽喷射角度对扫描速度表现出更高的敏感性。

图5. 通过纹影成像分析飞溅和蒸汽羽流之间的相互作用。

（a）纹影图像中的蒸汽羽流区域分割和特征提取；（b）蒸汽羽流喷射角度的统计分析；（c）不同工艺条件下飞溅分布与蒸汽覆盖面积（激光功率：100-500W，扫描速度：50-1000mm/s）、飞溅计数和飞溅尺寸之间的相关性。

在PBF-LB过程中，熔池动力学表现出三种特征状态，即传导模式、过渡模式和钥匙孔模式。虽然在传导模式下汽化可以忽略不计，但在过渡和锁孔模式下会出现大量的蒸汽效应。如P=190 W，V=1060 mm/s实验组中的纹影成像所捕捉到的（图6a），时间分辨序列（28-168μs）揭示了明显的蒸汽-熔池相互作用。在初始激光定位过程中（t=28μs，56μs），垂直上升的蒸汽射流建立了双向力平衡，即向上的蒸汽反冲压力平衡了向下的熔体压力，从而形成了接近90°接触角的对称熔池形态。在激光位移（t=84μs）时，蒸汽射流向后偏转33°，产生切向推力，导致明显的尾部抬升。

为了量化熔池变形，开发了一种多阶段图像处理协议（图6b）：首先，对双三次插值算法中使用的原始图像进行未采样，将分辨率提高到原始图像的5倍，然后进行自适应阈值处理和形态学开口以消除散粒噪声。通过连通分量分析提取熔池轮廓，用最小封闭矩形确定倾斜角度。在50个点火后帧中，蒸汽和水池角度的时间演变显示出很强的相关性，特别是在112μs时表现出同步的58°±3°偏转（图6c）。这证实了蒸汽动力学是熔池形态的可靠指标。考虑到熔池的纹影成像受到杂散光干扰，而蒸汽运动提供了更高的对比度。因此，蒸汽角度监测可作为PBF-LB过程中实时评估的稳健分析工具。

图6. PBF-LB中蒸汽羽流与熔池的动态相互作用。

使用图2中概述的机器学习方法，熔体轨迹的形态特征分为五种不同的类型：顶部凸起、凹陷、颈缩、边缘凸起和不连续性（图7）。进一步分析了与这些缺陷相关的熔池和蒸汽特性，这些特性用于为神经网络提供物理解释，以实现熔池特性到熔道缺陷的映射。顶部突出特征表现为熔体轨迹的突然高度变化，形成一个突出的岛状区域。这一特性主要影响制造零件的表面质量。颈缩特征的特征是熔体轨迹边缘突然向内收缩，收缩区域的高度没有降低，主要影响相邻熔体轨迹之间的重叠率。凹陷特征类似于颈缩，但其高度低于基材或前一层表面，主要影响层间粘合和零件表面质量。边缘突出特征涉及熔体轨迹宽度的突然变化，同样会影响轨迹间的重叠。不连续特征是指沿印刷方向完全没有熔融轨迹。

图7. PBF-LB熔道中的缺陷形成机制及其与熔池动力学和蒸汽羽流相互作用的相关性。

（a）顶部突出物；（b）颈缩；（c）凹陷；（d）边缘突出；（e）不连续。

 5. 结论

本研究提出一种FP-CBAM网络，通过熔池时间戳对齐的熔道数据学习熔融缺陷，这些数据隐式关联熔池动态变化。采用t-SNE方法对时间序列熔池特征进行聚类分析，实现缺陷标注的交叉验证。进一步通过纹影成像观测与统计分析，揭示了熔融缺陷形成的三重耦合机制——熔池、飞溅与蒸汽的交互作用，为机器学习方法可靠性提供了物理解释与交叉验证依据。该方法通过纹影监测信号实现熔融缺陷的实时预测，有望动态调整LPBF工艺参数以提升成型质量。

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2026年6月，Beehive Industries宣布向EOS采购30台M4 ONYX金属3D打印机，总价值5000万美元。这笔订单将使Beehive的EOS设备总数达到50台，为其Frenzy系列3D打印小型涡喷发动机的规模化生产铺平道路。

这不仅仅是一次产能扩张。

过去几十年，航空发动机的研制需求主要是追求长寿命、承受极端的工况耐受能力。但美国空军正在用实际合同推动另一种逻辑——在特定任务场景下，发动机的寿命可以大幅压缩，成本必须成倍下降，产量则要显著提升。

Frenzy系列3D打印发动机正是这一思路下的产物。它不追求传统意义上的最优，而是追求在满足任务可靠性前提下的够用与可量产。

本期谷·透视将从Beehive 公司获得的军方订单、需求逻辑变迁、增材制造的关键作用、市场规模及全球竞争格局五个维度，尝试解析这笔采购背后的战略考量。

 2970万美元合同
     FAMM计划如何改变发动机采购逻辑

这笔5000万美元的设备采购并非凭空而来。它的起点，是一份来Beehive公司此前获得的美国空军的2970万美元合同。该合同用于完成其Frenzy 8发动机的飞行器集成、飞行测试和鉴定工作，同时推进Frenzy 6发动机的早期开发。

Frenzy™ 8 3D打印发动机
©Beehive

这两款发动机均属于美国空军小型可消耗涡轮发动机（Small Expendable Turbine, SET）计划，服务于更广泛的经济可承受大规模弹药家族（Family of Affordable Mass Munitions, FAMM）战略倡议。FAMM计划目标是在2027-2031财年间采购约28,000枚低成本巡航导弹，代表了美国国防部从高价少量武器系统向大规模、经济可承受的根本性转变。

Frenzy发动机采用选区激光粉末床熔融3D打印技术制造。

相比传统制造方法，增材制造使Beehive能够将发动机零部件数量大幅减少，生产周期从数月压缩至数周，成本降低约60%，同时实现20-30%的效率提升。

Beehive计划在2026年下半年实现Frenzy 8的初始生产，目标是1,000台，2027年提升至4,000-6,000台，并在现有设施中具备年产10,000台以上的产能潜力。

Frenzy3D打印发动机获得军方青睐，并非因为它比传统发动机更先进，而是顺应了现代战争对推进系统需求带来的转变。

 为3D打印而生的发动机设计

Frenzy 6和Frenzy 8属于小型轴流式涡喷发动机（Small Axial-Flow Turbojet Engines），是Beehive公司专为无人航空防御应用开发的推进系统产品家族成员。两款发动机设计上均为充分利用增材制造自由度、专为3D打印生产而优化的喷气发动机。

Frenzy 8是该系列的旗舰型号，具有200磅力（约0.89千牛）的额定推力。该发动机已完成地面测试和高空台测试，正在进行飞行器集成和飞行资格认证，预计2026年下半年进入低速率初始生产阶段。

Frenzy 6是Frenzy 8的缩小版本，额定推力为100磅力（约0.44千牛）。根据2026年4月获得的2970万美元合同，Frenzy 6目前处于早期开发阶段，计划制造首台测试用发动机，目标在2027年达到可消耗状态，预计2027年中期进入全速率生产。

 可消耗性逻辑如何重塑设计

当“可消耗”成为关键需求，增材制造便从一种制造选项升级为必然选择。Frenzy系列的设计，正是围绕3D打印的自由度从头构建的。

传统航空发动机的设计优先考虑数千小时的服役寿命、极端条件下的峰值性能以及长期可靠性，这导致了复杂、昂贵且生产周期漫长的精密制造系统。

与之形成鲜明对比，Frenzy发动机的设计目标是低成本、可消耗的推进系统。它不需要像传统发动机那样支持数千小时的服役寿命和多次大修，而是针对单次任务进行寿命优化，在满足任务可靠性要求的前提下，将单位成本降至传统系统的40%左右。

这一设计理念的转变源于现代战争形态的演变。近年发生的区域冲突表明，精确制导弹药和无人系统的消耗速度远超传统工业产能的补充能力。“弹匣深度”危机促使美国国防部重新思考武器系统的采购逻辑，从追求少量高价值平台转向追求可大规模生产、经济可承受的负担得起的大规模（Affordable Mass）。

在这一框架下，发动机不再被要求成为需要精心维护数十年的高价值资产，而是可以被快速生产、大量部署，并且在任务中能够承受损耗的“可消耗”组件。

Frenzy发动机设计用于在单次任务中可靠运行，无需考虑多次翻新或大修的经济性。这种设计目标的转变从根本上解放了工程师的创造力，他们可以采用增材制造技术来整合零部件、优化内部冷却通道、并实现传统铸造和机加工无法达到的复杂几何形状，而不必受制于传统供应链的约束。

 不到一年从概念到试飞：增材制造如何压缩开发时间线

Frenzy发动机家族的另一个令人瞩目的特征是其极快的开发迭代速度。Frenzy 8从概念到完成高空台测试仅用了不到一年时间。

Frenzy 8 3D打印发动机快速迭代
©Beehive

这一加速得益于Beehive的增材优先战略。在Beehive，发动机组件先被增材制造出来、进行测试、根据数据快速优化设计，然后重新3D打印，迭代周期以周为单位而非月或年。

关键里程碑时间线展示了这一速度优势：

2024年12月：Frenzy发动机家族正式对外发布
2025年5月：完成首次地面测试
2025年9月：在4个月内完成6台发动机的地面测试，累计运行超过20小时
2025年10月：将2台原型机运往俄亥俄州政府测试设施进行高空测试
2025年12月：完成高空台测试，所有指标达到或超过空军要求，包括可靠点火、从启动到全功率的快速加速、优于预期的涡轮温度和燃油消耗率，以及等效任务寿命运行后硬件仍处于”如新”状态。
2026年4月：获得2970万美元空军合同，进入飞行资格认证阶段
2026年（下半年）：计划开始低速率初始生产，目标1,000台

这种从概念到飞行就在一年之内完成的节奏，在传统航空航天工业中几乎是不可想象的。它充分证明了增材制造技术在压缩开发时间线、降低原型成本方面的变革性潜力。

 Frenzy 3D打印发动机的战场角色

蜂群作战是Frenzy 3D打印发动机的关键应用场景之一。

蜂群概念部署数十至数百架小型、网络化无人机，通过饱和攻击来压制敌方防御系统。与传统的高价值载人平台不同，蜂群中的单个单元被设计为可消耗的，即使大部分被拦截，只要少数突防成功即可达成作战目标。这种作战模式对推进系统提出了独特要求：低成本、高一致性、快速可扩展生产，这也恰恰是Frenzy的设计强项。

Beehive首席产品官Gordie Follin明确指出，Frenzy 6的设计目标包括”地面发射的反无人机系统和小型蜂群弹药及巡航导弹”。Frenzy 6的较小尺寸使其特别适合需要高度紧凑动力装置的巡飞弹和一次性攻击无人机。Follin预计，Frenzy 6的市场总需求可能比Frenzy 8更大，在5,000到10,000台的范围内。

除了FAMM和蜂群作战，Frenzy发动机还可服务于多种其他国防应用场景。比如说，Frenzy 8适合推进小型巡航导弹和中空长航时无人机，而Frenzy 6则瞄准更轻型的平台，如反无人机系统和空射效应器。这些发动机还被设计为可在储存超过10年后立即可用，这对于需要快速响应的国防应用场景尤为重要。

 百亿市场与万台需求：Frenzy赛道有多大

Beehive押注50台设备的前提，是相信这个市场足够大。那么，Frenzy所处的赛道究竟有多大？

全球无人机推进系统市场

无人机推进系统市场正处于快速扩张期。根据MarketsandMarkets的数据，全球UAV推进市场2024年价值约66.7亿美元，预计到2030年将达到112.7亿美元，复合年增长率为10.0%。从数量上看，推进系统出货量预计从2025年的约59.7万台增长至2030年的约87.0万台。北美占据38.4%的市场份额，主要受美国国防投资增加的驱动。

蜂群无人机市场：指数级增长

蜂群无人机市场是Frenzy发动机最具爆发潜力的细分领域。

根据IMIR的预测，全球蜂群无人机系统市场2026年价值约31.8亿美元，预计以27%的CAGR增长至2030年的82.8亿美元。其中，蜂群无人机防御细分市场2026年为31.6亿美元，到2030年预计达到76.9亿美元（25% CAGR）。反蜂群技术市场从2026年的20.3亿美元增长到2030年的49.5亿美元。

对推进系统而言，蜂群市场的关键含义在于数量的爆发性需求。单个小规模蜂群任务可能消耗数十至数百台发动机，而在大规模部署需求下获奖带来年产数千甚至数万台的需求量级。这正是Beehive通过增材制造所要瞄准的产能目标。

小型3D打印涡喷发动机与可消耗推进市场

聚焦于Frenzy所处的小型涡喷发动机（100-300磅力推力级别）细分市场，其市场数据虽不如宏观市场那样完整，但多个指标表明这一领域正经历前所未有的需求增长。

Forecast International的市场研究显示，类似推力级别的商用微型涡喷发动机（如Microturbo TRI 60系列，900磅力级）单价在5.2-10万美元范围。Beehive声称其增材制造方法可将成本降低约60%。

更广泛的军事无人机市场提供了额外的需求背景。Next Move Strategy Consulting估计，全球军用无人机市场2025年价值122.1亿美元，预计到2035年将达到475.1亿美元。其中，对可消耗无人机、蜂群能力系统和快速部署战术平台的需求尤为突出。

 增材制造产能底气

EOS M4 ONYX 金属增材制造设备是Beehive采购的核心设备。

Beehive在其官方新闻中表示，选择EOS M4 ONYX增材制造设备，是基于其在产能、工艺稳定性、自动化和零件质量方面的综合表现，该设备将支撑Beehive的新一轮增长阶段。作为EOS最新推出的工业级金属增材制造平台，EOS M4 ONYX通过其六激光架构、扩大的成型尺寸和先进的工艺监控能力，显著提升了生产效率。该平台还配备了EOS最新的RFS Pro先进粉末过滤系统，并专门针对航空航天、国防、能源及航空制造等行业的需求而设计。Beehive还将利用EOS的软件系统来支持实时工艺监控、生产数据追踪和质量管理，从而提升增材制造运营中的可重复性和可追溯性。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 谁在与Beehive争夺同一个未来

然而，看好这片市场的远不止Beehive一家。从GE、普惠等传统巨头到Ursa Major等新兴势力，一场围绕小型可消耗发动机的竞赛已经打响。

传统航空发动机巨头的防御性布局

传统航空发动机巨头们正积极布局小型、低成本推进系统领域，以应对可消耗无人机和协同作战飞机（CCA）市场的增长。例如：

GE Aerospace：通过与Kratos Defense的合资公司开发GEK800和GEK1500系列小型涡扇发动机（约1,500磅力），并已获得美国空军合同推进GE426中推力发动机的初步设计。GE在小型涡轮发动机领域拥有深厚的技术积累，其CF700等商用发动机已被改编用于无人机应用。

Pratt&Whitney：作为美国主要军用发动机供应商之一，P&W正积极参与CCA发动机竞争，开发低成本、轻量化推进方案。

Honeywell：已获得美国空军CCA发动机的初步开发合同，提供800-1,600磅力级别的推进系统。

Williams International：其FJ44（3,600磅力）和FJ33（1,850磅力）商用涡扇发动机已成为小型无人机领域的早期主流选择，是少数在适当尺寸和功率范围内可商用的选项之一。

Rolls-Royce：也在开发面向CCA和无人平台的低成本推进系统。

这些传统巨头的优势在于数十年的发动机设计经验、成熟的供应链和强大的品牌信誉。然而，他们的设计方法和供应链结构大多根植于传统制造范式，在快速迭代和大规模低成本生产方面面临内部惯性约束。

新兴竞争对手的崛起

除Beehive外，多家新兴公司也在争夺小型低成本发动机市场。如：

JetCat Defense：德国JetCat公司的防务部门，提供小型涡喷发动机，在模型和无人机市场有较强基础。

Ursa Major：美国推进系统初创公司，专注于为太空发射和国防应用开发液体火箭发动机和涡轮发动机。

Firestorm Labs：近期获得了1亿美元的五年期模块化无人机合同，其架构也围绕增材制造构建，以实现靠近战场的快速生产。

 当增材制造成为量产平台

回到最初的问题：Beehive为何耗资5000万美元采购30台3D打印机，并将产能布局至50台？答案已逐渐清晰。

Beehive的决策，远不只是一次设备采购。Frenzy系列小型低成本3D打印发动机的推进节奏表明，当增材制造从原型工具演进为量产平台时，航空发动机的设计权、供应链结构和成本模型都将被重新定义。Beehive的50台设备只是一个起点，它所代表的制造思路，可能比这笔订单本身的规模更具长远影响。

参考资料：

Aerospace Global News、Beehive官网等

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近年来，噪声污染已成为一个严重且日益严峻的环境问题。在航空航天、交通运输和建筑等极端应用场景中，噪声抑制面临着关键挑战。这些挑战的原因在于，降噪结构必须同时具备优异的承载强度与高效的声学调控能力，而传统的声学材料与承重结构之间往往难以实现这种性能平衡，存在显著的设计矛盾。

声学超材料和超表面的兴起为降噪开辟了新途径，然而，现有的大多数研究主要聚焦于优化声学性能，缺乏能够同时考虑结构设计、材料属性和制造工艺的全局性策略，难以实现真正意义上的结构-功能一体化。

值得注意的是，增材制造技术的快速发展为实现创新设计理念提供了有力工具。其中，连续纤维增强复合材料因其卓越的机械性能和多功能潜力而备受关注。这类材料的增材制造不仅大幅提升了结构设计的自由度，更展示出设计和制造高强度、多功能集成结构的独特优势。

针对复合材料增材制造技术的工艺特点，结构设计需满足少支撑和具备可连续纤维增强的垂直壁面等要求。而法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FP）声学通道设计恰好契合这些需求，是实现高效降噪的理想几何构型。

近期，来自复旦大学、同济大学、新加坡国立大学和汉诺威大学的研究团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上发表论文，介绍了一种新型多功能复合超结构。该结构将法布里-珀罗声学通道设计与定制化开发的连续纤维增强增材制造工艺相融合，并通过双喷嘴机器人与路径优化打印技术成功制备。这一紧凑型超结构不仅实现了宽带高效吸声，还展现出卓越的机械鲁棒性。

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论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae35ea

作者
杨怡龙、刘亚沣、苗双双、潘永东、翟玮、庄晓莹*、金亚斌*

机构
复旦大学、同济大学、新加坡国立大学、汉诺威大学

Citation

Yang Y L, Liu Y F, Miao S S, Pan Y D, Zhai W, Zhuang X Y, Jin Y B. 2026.Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure. Int. J. Extrem. Manuf. 8 035501.

 文章导读

在航空航天、交通与建筑等极端服役环境中，降噪结构常面临“高吸声”与“高强度”难以兼得的矛盾。近期，复旦大学计算力学与人工智能交叉研究院的金亚斌和庄晓莹课题组，提出一种连续纤维增强复合材料吸声超结构：以法布里－珀罗声学通道为核心，同时结合连续纤维复合材料增材制造，实现结构承载与宽带吸声一体化，并在《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure”的文章。

 图文解析

本研究的创新之处在于结构采用多共振通道设计，通过不同通道高度产生多阶共振耦合，实现宽带吸声，同时利用连续碳纤维复合材料的各向异性增强承载性能，实现“吸声—承载”统一。

图1 声学超结构的理论框架与设计方法。（a）结构的横截面视图。（b）结构的内部空气区域。（c）声阻抗理论示意图。（d）耦合模式理论示意图。（e）结构优化算法的程序流程图。

研究建立了阻抗模型用于低频预测，并引入耦合模态理论考虑高阶衍射效应，使高频段预测更贴近实验现象。

图2 结构路径规划设计。

在制造过程中，通过路径规划实现关键受力壁的连续纤维铺放与其余区域填充成形。

图3 复合材料超结构的吸声性能。（a）复合材料超结构试样及显微图。（b）树脂超结构试样及显微图。（c）驻波管系统的照片及示意图。（d）耦合模式理论结果、声阻抗理论结果及实验结果的吸声谱对比图。（e）复合材料试样与树脂试样实验结果吸声谱对比图。

实验验证在 1500–5500 Hz 区间平均吸声系数超过 0.9。同时，连续纤维增强显著提升结构在弯曲、压缩与剪切等工况下的承载能力与抗损伤表现。

 总结与展望

本文提供了一条面向极端环境的“材料—制造—超结构”一体化路线：在有限厚度内同时获得高吸声与高承载，为航空整流罩/舱段降噪、先进交通装备与轻量化建筑构件提供可制造的多功能方案。未来可进一步面向大尺寸与复杂曲面构件，发展更自动化的纤维连续性保持与缺陷控制策略，并针对特定噪声谱实现快速定制化设计。

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在2025-2026年度ASME K-16电子设备传热委员会/IEEE ITherm学生冷板设计竞赛中，宁波诺丁汉大学MicroAero团队凭借一份兼具理论深度与制造可行性的3D打印冷板设计，从全球多所高校中脱颖而出。

竞赛要求参赛团队在给定的功率分布和流量条件下，设计一款液体冷板，在满足增材制造约束的前提下，最小化热阻与压降。MicroAero团队提交的设计方案，呈现了一套完整的分层多尺度热工-水力学设计方法论。最终设计，与基线值相比压降降低54.8%，品质因数（FoM）达到0.038。

本期3D科学谷将分享竞赛主办方披露的技术文件，供专业读者快速了解其设计脉络。

 1. 设计描述

为解决高热通量耗散与水力学压降之间的严峻权衡问题，本冷板架构采用了一种结合宏观热引导与微观水力学重构的系统性衍生策略。该设计融合了流体动力学边界层控制的理论原理与电化学增材制造（ECAM）的精度。利用纯铜卓越的导热系数（k ≈ 380 W/(m·K)），构建了复杂的三维流体网络，体现了“材料服从功能”的设计理念。

图1：冷板概览：(a) 俯视图，展示整体分支通道布局；(b) 侧视图，突出分层结构与流动路径。

1.1. 宏观架构：物理驱动的拓扑优化

其主要形态源于结合了热-流体物理的数学优化。在 36×29×2 mm 的设计域内，采用固体各向同性材料惩罚（SIMP）方法实施了基于密度的拓扑优化。目标函数在给定功率分布下最小化体积平均温度，从而生成物理驱动的分支式热输运路径。

目标热分布映射。 如图1(a)所示，该算法优先最小化整体热柔度，以生成类似生物脉络的分支式热输运路径，并根据竞赛特定的功率分布进行了精细化调整。

骨架结构。 这些分支骨架结构作为热输运主干，将热量从高热通量中心区域（H区）快速传导至外围，同时界定主要的流体通道，如图1(b)所示。然而，仿真结果表明，原始拓扑中连续的固体壁面导致热边界层增厚，并在收缩区域附近形成流动停滞区，这需要在微观细化阶段加以解决。

1.2. 微观细化：边界层重启与混合化

为克服原始拓扑的性能限制，在骨架结构中融入了微观特征增强措施，实现了传热与压降的平衡优化，如图2所示。这些措施包括流线型通道、集成式域切片、变密度针肋阵列以及倒三角形开孔。

图2：微观细化特征：(a) 针肋设计；(b) 三角形性能设计；(c) 集成式切片设计。

用于降低流动阻力的流线型通道。 所有内部通道均采用流线型设计，以消除尖锐拐角和滞流空腔，减少流动分离并确保稳定的速度场。

用于边界层重启和降低压降的集成式域切片。 如图2(c)所示，连续的拓扑壁（销钉3）被周期性地分割成不连续的导流叶片，以触发边界层重启机制。这迫使热边界层在每个前缘重新发展，维持较高的局部对流传热系数，同时通过受集成切片架构启发的缩短流动路径来降低压降。

用于均匀热流和促进湍流的变密度针肋阵列。 利用ECAM的高分辨率，在低速通道内布置了非均匀的微型针肋（销钉1），如图2(a)所示。这些针肋作为湍流促进器，通过尾流涡流增强流体混合，并增加固-流界面面积，实现均匀的热流分布。

用于改善流动分布和形成三维旁路网络的倒三角形开孔。 沿主要热脊在销钉2处引入了倒三角形开孔，以平衡整体压力场，如图2(b)所示。这种几何构型自然地将流线引导至相邻通道，最小化收缩和扩张损失，并形成一个三维旁路网络，缓解压力积聚。

 2. 设计分析

本冷板架构的设计目标包括两个方面：增强传热性能和降低压降。如图3所示，冷板设计侧重于拓扑优化，以探索最佳的材料和通道配置。同时，采用针肋来增强传热性能，并采用流线型通道、集成式切片和三角形开孔来降低压降，从而提升冷板的整体性能。

图3：冷板设计优化框架

2.1. 传热性能优化

2.1.1. 用于改善传热的拓扑优化

拓扑优化是一种通过数学算法自动确定最佳材料分布的设计方法。为了获得最佳的流道配置，在冷板的二维可设计区域内实施了基于密度的拓扑优化。与流体接触的微通道层被定义为设计域。为了最小化设计域内固体结构的体积平均温度，其数学表达式为：

其中T是温度，Ω表示设计域。主要约束是将固体材料体积分数维持在 ≤ 0.6。伪密度 γ（范围从0（固体）到1（流体））被用作设计变量。使用固体各向同性材料惩罚（SIMP）方法对材料属性进行插值，达西惩罚因子为0.05。采用移动渐近线法（MMA）进行迭代求解，并辅以亥姆霍兹滤波器以消除棋盘格图案并确保清晰的通道边界。拓扑优化的结果如图4所示。

图4：拓扑优化结果：(a) 根据热分布生成的通道配置，蓝色区域代表流体域，其他区域表示固体壁面；(b) 由优化几何形状导出的相应流线路径；(c) 受这两项观察启发，展示了集成式设计理念，其中初始通道被选择性切片和重构。

2.1.2. 用于均匀热流的针肋设计

对冷板的研究表明，添加针状结构增加了传热面积，增强了流体的湍流程度，从而提高了传热的均匀性，但也增加了流动阻力。对各种针肋几何形状和尺寸进行了比较研究，以评估其热工-水力学性能。相应的结果总结于附录B中的表B1和图B1，结果表明选择针(f)用于最终设计，如图2(a)所示，因为其几何形状和空间布置在增强传热与水力学损失之间提供了最有利的平衡。同时，为了获得均匀的热流，采用了变密度的针肋布置，在热关键区域集中更高的针密度，同时在压力敏感流动路径中保持水力学透明性。

在最终设计中，MicroAero团队使用了两个形状完全相同但其中一个带有三角形孔的针。这些针放置在拓扑模型的间隙和较宽的通道中。三个具有变密度布置的区域：低热和无热源区域、高热区域以及高热区域的入口侧。它们依次采用中密度、高密度和低密度布置。关于针间距的具体数据，请参阅附录B。

2.2. 压降优化

当传热效率提高时，压降通常会增大，而更大的压降会导致更高的系统能耗，最终恶化整体传热性能。压降是指流体流经通道时所经历的压力降低，由摩擦、加速和局部损失等因素引起。通道尺寸、流动平滑度和流体流速都会导致压力损失的增加。

2.2.1. 用于降低流动阻力的拓扑引导流线型通道设计

基于原始的拓扑优化结果，参考二维速度场对最终流道进行了流线型优化。先前的研究报道，适当的流线型通道可以在保持均匀流动分布的同时，将压降低15.9%–25.1%，因为去除尖锐拐角和死区有效地抑制了流动分离和回流。如图4(c)所示，拓扑衍生的通道结构为流线型重新设计奠定了基础，所有内部通道都进行了流线型处理，以消除尖锐拐角和滞流空腔。

2.2.2. 用于降低压降的针肋-拓扑集成式切片

受微通道冷板的启发，我们的设计采用了并联单元架构。微通道冷板近来成为热门话题，因为它们有助于改善沿流动路径的流体分布并降低局部压降。在主通道中，沿流动方向采用了平行切片设计，以进一步增加传热表面，如图2(c)所示。在保留优化拓扑结构主通道的同时，切片结构将液体分配到多个平行的微通道单元中，有效缩短了流动路径，从而降低了压降。

2.2.3. 用于改善流动分布的三角形开孔

已有研究表明，开孔能有效降低压降，因为它们为流动提供了额外的旁路路径并减轻了压降。为了进一步平衡全局压力场，在主脊的侧壁引入了倒三角形开孔，如图2(b)所示，并给出了详细的尺寸和配置。三角形形状自然地引导流体从高功率区域自由流向低功率区域，使得该设计不仅有效，而且适合制造。

 3. 预测品质因数

基于指定流量（1.2 lpm）下的有效热阻和压降，使用品质因数（FoM）量化冷板的性能，计算公式如下：

其中最大热阻和压降定义为：

FoM的最终值和模型数据如表1所示。

表1

通过拓扑优化，该设计建立了高导热的热路径，从而最小化了全局热阻，而针肋的集成则通过增加界面面积和诱导湍流，有效强化了对流传热。同时，流线型通道和三维三角形开孔的实施确保了这些热性能的提升是以最小的水力学代价实现的，保持了平衡的热工-水力学特性，并在芯片表面实现了均匀的流动分布。冷板结构随品质因数（FoM）的演化过程如图5所示。随着FoM从-0.8342增加到最优值0.0375，流道变得更加精细化，以平衡热阻和压降。

图5：迭代设计过程与FoM的提升

图6进一步展示了这一最优设计的详细热工和水力学性能，从中可以观察到，在高功率和低功率加热区域，固体域和流体域之间的温差极小，表明散热均匀性良好。此外，压力分布显示最大压力出现在入口附近，同时整体压降较低，证明了降低流动阻力的优化是有效的。

图6：最优冷板设计的详细热工与水力学性能：(a) 固体基板中的温度分布（梯度）；(b) 冷却液中的温度分布（梯度）；(c) 内部压力分布。

 4. 增材制造

与传统的金属增材制造（如粉末床熔融）不同，ECAM能够实现33.33 μm的最小特征尺寸。这一高分辨率最大化了冷却液与板的接触面积，并增强了三维设计自由度，从而能够在牺牲热通量的情况下最小化压降。ECAM实现的关键创新总结如下。

特征尺寸： 组委会规定了x-y平面内的最小特征尺寸为33.33 μm。然而，为了适应几何建模软件的限制并提供更稳健的设计余量，本研究采用了保守的100 μm最小特征尺寸，并且该设计也符合沿z轴0.03 mm 的最小限值。此外，为了提高制造可靠性并确保与增材制造约束的兼容性，系统地移除了低于既定100 μm 的销钉等x-y尺寸特征。

悬垂特征： 从增材制造的学术角度来看，三角形通道的设计代表了制造可行性的成功协同优化。在几何约束方面，该设计的侧壁与底面夹角为 75°，显著超过了20°的最小悬垂角限值，确保了在化学气相沉积过程中的自支撑特性，并有效避免了因缺乏辅助支撑而导致的结构倒塌或基底轮廓变形。

选择性分布的针和翅片： ECAM 工艺的使用使得能够根据局部冷却液流动需求，选择性地布置三维针状和翅片结构。这种结合了 2.5D 和 3D 几何形状的非均匀特征分布，代表了增材制造所独特实现的设计自由度。这种灵活性使得压降与换热表面积之间的权衡得以有效平衡。

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钛合金是骨科植入物中使用最广泛的金属材料之一。人工关节、颅骨修复片、脊柱融合器等植入物都离不开它。原因并不难理解：钛合金强度高、耐腐蚀，进入体内后也相对稳定。

但稳定有时也是钛合金的短板。传统钛合金虽然生物相容性好，却很难主动诱导骨组织生长。它更像一个合格的支撑框架，能够提供力学支持，却不会主动向周围细胞发出“来这里长骨”的信号。因此，为了让骨组织更好地长到植入物表面，研究人员通常需要再做表面改性，比如涂层、刻蚀、药物负载或生物活性分子修饰。这些方法有效，但也带来额外问题：工艺更复杂，成本更高，涂层长期稳定性也需要反复验证。尤其是面对个性化、多孔、复杂结构的植入物时，如何让功能层均匀、稳定地覆盖在每一个细节表面，并不是一件容易的事。

那么，有没有可能让钛合金本身就具备生物活性？不是给钛合金植入物“穿一件功能外套”，而是让材料在制造过程中就自带功能。

来自香港城市大学吕坚院士团队的研究人员提出了一种新的思路：利用激光粉末床熔融增材制造技术，在钛钽合金内部原位构建类似“大马士革钢”的周期性成分图案。

通过简单氧化，即可在材料表面形成稳定、可调的周期性表面电位差，从而让植入物表面产生类似天然组织中的微弱电信号，进一步促进骨再生。

图1：L-PBF 3D打印的原位大马士革图案，在经过酸洗后即可看到经过定制的花纹。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.05.023

 从大马士革钢到3D打印钛合金

大马士革钢因表面独特的花纹而闻名。传统大马士革花纹通常来自不同成分钢材的叠层、锻打和腐蚀显影，这种花纹背后其实是材料内部成分和组织的差异。本研究借用了这个思路，但没有采用传统锻造，而是使用激光粉末床熔融3D打印进行制造。

本研究使用医用Ti-6Al-4V ELI钛合金粉末与25%质量分数的钽粉混合打印。

钛和钽有一个很关键的差别：钛的熔点约为1725 ℃，钽的熔点则高达约3020 ℃。在激光快速熔化和凝固的过程中，钽并不会总是完全、均匀地进入钛基体。在很多制造场景中，这种不完全混合可能会被视为问题。但这里，研究人员没有急着消除它，而是选择利用它。通过调节激光打印参数，钽熔入钛基体的程度可以被控制。研究人员选取两组不同参数，再在同一个样品中交替打印这些区域。这样，材料内部就出现了周期性的成分差异的条带结构，经过腐蚀显影后，可以看到类似大马士革钢的条带图案。

在美观之上，这些条带真正的价值在于它们可以进一步转化为表面的电学功能。

 钛钽合金表面周期电势差的构建

骨修复过程中，电信号也参与其中。天然骨组织在损伤和修复过程中会出现局部电学信号，这些信号能够影响细胞迁移、黏附和分化。

受这一点启发，研究人员希望在金属植入物表面构建一种稳定的、无需外接电源的微弱电信号。而大马士革图案提供了这个机会。

当不同钛/钽组成的条带经过简单氧化后，表面会形成含钛钽含量也不相同的氧化层。由于相邻区域的氧化物成份不同，表面电位也会出现差异。研究人员将这种周期性表面电位差称为P-SPD。

图2：具有P-SPD样品的构建。形状规则、表面平整的样品用于测定P-SPD、评价成骨机制。

通过KPFM测试可以看到，相邻条带之间形成了约48 mV的表面电位差。通过改变打印参数，这一数值还可以在约5.59–48.01 mV范围内调节。这个量级并不大，却恰恰接近许多天然组织和外源电刺激研究中涉及的生物电信号范围。依靠材料本身的成分设计和表面氧化层，植入体表面形成了一个微弱、周期性的电学微环境。细胞接触到这样的表面后，可能会感受到不同区域之间的电位差，并据此改变自己的铺展、迁移和分化行为。

图3：使用KPFM对氧化后的条带间电势差进行了测量。在氧化后不同成份条带表面的氧化膜颜色略有区别。

 细胞实验：条带表面让细胞更活跃

为了观察这种P-SPD表面对细胞的影响，研究人员将骨髓间充质干细胞接种到不同样品表面，包括传统Ti64ELI、非条带钛钽合金样品，以及宽度为200 μm和400 μm的条带样品。结果显示，带有周期性条带的样品表现出更好的细胞响应。尤其是200 μm条带样品，细胞增殖更明显，细胞在表面的铺展状态也更积极。

图4：（A）体外研究的样本形式示意图。（B）将BMSCs接种于Ti64、Ti64Ta-L、Ti64Ta-H、400 μm条带和200 μm条带金属板表面24小时后的黏附和变形情况。（C）扫描电镜观察有/无周期性条带的金属板上细胞的变形形态。（D）BMSCs的增殖情况。（E）成骨诱导7天后，BMSCs在金属板上培养的ALP染色（上排）和ARS染色（下排）。（F）成骨诱导7天后，BMSCs（ALP、RUNX-2、COL-I和OPN）的相对mRNA表达水平。（G）成骨诱导14天后，不同组别接种BMSCs的细胞表面蛋白表达的Western blot分析。

成骨诱导实验进一步证明了这一点。ALP染色和茜素红染色结果显示，200 μm和400 μm条带样品均促进了早期成骨分化和矿化沉积。成骨相关基因，如ALP、RUNX-2、COL-I和OPN，也在条带样品上表现出更高表达。

结果说明，表面的周期性电位差影响了细胞行为。P-SPD可能为细胞提供了一种微弱但持续的界面信号。细胞贴附在材料表面后，不仅感受到粗糙度、亲水性和化学组成，也会受到局部电学环境的影响。对于骨髓间充质干细胞而言，这种环境有助于它们向成骨方向发展。

 动物体内实验：促进颅骨缺损修复

研究人员进一步构建了大鼠颅骨缺损模型，将不同样品植入骨缺损区域，并在12周后通过Micro-CT和组织学染色评价新骨形成情况。结果显示，具有周期性大马士革图案的植入物周围形成了更多新生骨组织，骨修复效果显著优于传统Ti64ELI对照组。实验表明这种材料表面的微弱电学信号不仅能影响培养皿中的细胞，也能在更复杂的体内环境中发挥作用。

图5：大鼠颅骨缺损修复模型。(A) 打印植入物的加工流程及植入位置指示。(B) 植入组和阴性对照组12周后大鼠颅骨的微型CT重建图像。重建图像显示了植入物及其内部新形成的骨组织。(C) 骨体积/组织体积比(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)和骨小梁间距(Tb.Sp)的定量分析。(D) 颅骨缺损植入物的硬组织切片及Van Gieson染色。中间一列中，矿化的新生骨组织以红色突出显示，而未矿化的组织以蓝色突出显示。

体内环境中存在蛋白吸附、体液离子、免疫反应和组织重塑等多重因素，单一表面信号很容易被削弱。如果P-SPD仍能在体内表现出促进骨修复的效果，说明这种“材料自带电学微环境”的设计有进一步研究和转化的价值。

 机制探究：从膜电位到钙离子信号

研究进一步探讨了P-SPD影响细胞的可能机制。细胞膜本身存在电位差，钙离子、钠离子、钾离子等跨膜流动会影响细胞状态。对于骨相关细胞来说，钙离子信号尤其重要，它与细胞迁移、能量代谢、成骨分化和矿化过程密切相关。

通过全细胞膜片钳实验，研究人员发现，P-SPD表面可以调节骨髓间充质干细胞的静息膜电位，并增强钙离子通道相关活动。结合线粒体形态、细胞迁移实验和成骨相关蛋白表达结果，可以推测，P-SPD可能通过影响细胞膜电位和钙离子内流，进一步激活成骨分化与迁移相关通路。P-SPD为细胞提供了一个更接近骨修复环境的界面信号，让细胞更容易进入修复和分化状态。

图6：P-SPD诱导成骨作用的机制研究。(A) 全细胞膜片钳记录示意图，以及显示电极尖端在全细胞膜片钳测试过程中插入细胞膜的图像。(B) 静息膜电位(RMP)示意图和(C)统计图。(D) 输入电阻统计图，范围约为1 GΩ。(E) 阻断Na+和K+电流后Ca2+电流的激活曲线和统计图。(F) 通过STED观察阴性对照组和200 μm条纹组的细胞线粒体活性。(G) 通过细胞划痕愈合实验分别评估Ti64ELI、Ti64Ta、400 μm和200 μm条纹样品的细胞迁移能力。 （H）采用WB法检测接种对样品表面BMSCs蛋白表达（Wnt3a、p-GSK3β、GSK3β/总GSK3β）的影响。（I）机制图展示了植入物表面P-SPD通过促进细胞迁移和分化来调节细胞行为。

 研究工作的创新性

这项研究的特别之处，在于它没有把表面功能完全交给后处理涂层，而是把功能设计提前到了材料制造阶段。已有的金属植入物常常是先把结构做出来，再想办法改表面。而这里，研究人员通过L-PBF 3D打印过程中的原位成分调控，让材料内部形成可设计的钛合金大马士革图案，再通过简单氧化把这种成分差异转化为表面电位差。

这个设计的创新性在于:

• 把“不完全混合”从制造缺陷变成了功能来源。
• 让材料在保持低模量和高强度的同时，获得了内禀生物活性。
• 不依赖外接电源，也不需要复杂涂层。
• 与金属3D打印天然兼容，适合进一步用于个性化复杂植入物设计。

从材料科学角度看，这是结构、成分、电学和生物功能之间的一次整合。从骨科植入物角度看，它提供了一种让金属材料从被动支撑走向主动参与修复的可能路径。

未来，理想的骨植入物也许不只是填补缺损、承担载荷。该研究的材料设计并不局限于钛合金材料，可以通过采用其他金属的成份设计获得全新的功能，例如在修复的过程中同步降解，按计划分步降解等等。

论文引用

Hanyang Yu, Nan Hou, Subrahmanyam Pattamatta, Sien Lin, Shi-ting Chen, Weixi Wu, Fenghui Duan, Youneng Xie, Xuliang Chen, Yunchen Long, Gan Li, Yuhan Chen, Siyao Chen, Yicheng Han, Xiaojiao You, Zhuoyuan Li, Yu Chai, Gang Li, Jian Lu,

In-situ Damascus-patterning enables tunable surface electric fields for bioactive titanium implants,

Bioactive Materials,Volume 64,2026,Pages 900-914,ISSN 2452-199X,

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.05.023.

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最引人注意的一点是Monolith的底盘是用3D打印高强铝合金做的。

Monolith所说的底盘（chassis）与传统意义上的表壳（case）不太一样。它是3D打印一体成型的结构骨架，整合了隔热、减重和承力功能，表圈和底盖等部件在此基础上安装。

这两年金属3D打印表壳之所以热起来，很大程度上是因为苹果在某款Apple Watch 里批量应用了钛合金3D打印。现在钛合金3D打印的供应链已经逐步成熟，那Barrelhand为什么偏要选铝合金？

其实答案就在它的产品定义里。

Monolith 的起点不是手腕，而是太空。它是为舱外活动设计的，那是一个质量、集成度、可维护性都极其苛刻的环境。

于是他们采用了激光粉末床熔融3D打印，一次成型底盘，做到了几件事：

减重超过 40%；

热绝缘性能比钢制壳体提升了10倍以上；

实现了传统机加工做不出来的镂空结构、内部流道和晶格，同时还能保持结构强度。

这里必须提一下材料本身。Monolith 用的是高强铝合金Scalmalloy®，一种铝镁钪高强铝合金，本来就是为增材制造和航空航天准备的。它的强度密度比好，耐腐蚀性也很突出。

实际效果也很直接：底盘重量做到了6.5克，同时还支持II型阳极氧化，耐磨性更好。

当然，Monolith只是一个起点。如果我们把目光放回更广阔的腕表市场，3D打印铝合金或许还有其他可能。

高强铝合金3D打印应用中，品牌方走的是极致性能与航天叙事的路线。但在消费级应用场景中，高强铝不是唯一选项。

比如说，3D打印6系铝合金就已经得到了工程化应用的验证。例如：众远ZY6061铝合金材料被用于3D打印仿生设计的复杂结构散热器。

如果一家消费级手表品牌，想要通过3D打印实现特殊的结构功能一体化设计，或者说表达传统工艺无法实现的独特设计语言，同时表壳还需要通过阳极氧化获得丰富的配色，那么6系铝合金材料可能更实际。

当然，挑战还在。比如说，其后处理工艺的成熟度和良率,以及相对于传统工艺更高的成本。

但不管怎样，苹果已经用钛合金3D打印教育了市场，并且今年早些时候有供应链方面的消息透露出，苹果在探索iphone手机3D打印铝制机壳的应用。这为应用端探索铝合金3D打印表壳制造带来想象空间。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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