HexPEKK™ 材料与3D打印工艺 HexAM™ 制造的零件。来源：Hexcel

 在材料与设计层面迈向轻量化

波音公司纳入到合格供应商名单中的3D打印复合材料是由赫氏（Hexcel）生产的 HexPEKK-100 材料。

这是一款聚醚酮酮和碳纤维复合材料，Hexcel 开发了专有的材料配方，打印工艺为选区激光烧结（SLS），将被用于制造最终使用的飞机零部件，例如优化设计的支架、复杂管道，以及替代部分铸造件。

HexPEKK™材料与3D打印工艺 HexAM™ 制造的零件。来源：Hexcel

HexPEKK 材料比铝轻50％，是一种可替代金属的轻量化工程级材料，该材料具有优异的温度耐受性和耐化学性，并具有良好的机械性能，能够满足飞机内部烟雾和毒性要求（UL VO，OHS）。

与传统的铝加工或复合材料加工相比，Hexcel 将通过3D打印技术与HexPEKK 材料提供高效的连续零件生产，有助于缩短交付周期，降低复杂部件的生产成本。

 3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察，波音早在航天器制造中应用了PEKK 3D打印技术，供应商为牛津性能材料（OPM），OPM 被选定为波音CST-100火箭飞船提供3D打印的结构件。

CST-100 飞船。来源：Boeing

OPM称PEKK材料“是一种具有卓越的强度、耐化学性、耐低温和高温、耐辐射性，以及优异的耐磨损性能的超高性能聚合物”。OPM通过3D打印 PEKK材料制造具有独特几何形状的零部件，为航空航天、能源、医疗及半导体领域提供低重量、高性能的3D打印部件。

OPM 公司的航空航天和国防（A＆D）业务在2017年被Hexcel 收购。在收购之前，OPM 已经开展了与波音的合作，并获得了许多认证，包括AS9100C认证。

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当前关于复合材料的建模方面，麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）于2016年就开发了名为Foundry的面向多材料设计的软件，使得多材料3D打印更容易、更精确的。

而关于如何精确的预测复合纤维的结合度，预测纤维与树脂的结合程度，微观呈现复杂的微结构，以及预测复合材料的缺陷，这些都需要专门的复合材料仿真软件。

图片来源：3ders.org

MultiMechanics总部位于内布拉斯加州奥马哈市，是仿真软件开发商，旨在帮助企业减少物理原型设计和测试。 MultiMech采用基于物理场的方法，命名为TRUE Multiscale技术，这是一种完全耦合的双向多尺度有限元求解器，能够同时准确预测和可视化多个尺度的应力和裂缝传播。 MultiMech最初是MultiMechanics开发的一个独立的工具，现在可以嵌入到众多计算机辅助工程（CAE）软件平台中，软件合作伙伴包括Anysys, 达索，欧特克，Altair等等，因此工程师可以在其首选工作流程中执行并行多尺度分析。

根据中关村在线的报道，最近MultiMechanics与专注于复合材料系统的波士顿增材制造公司Fortify宣布建立战略合作伙伴关系，以提高复合3D打印的可预测性。

作为合作伙伴关系的一部分，Fortify将使用MultiMechanics的旗舰产品MultiMech在打印之前预测打印部件的结构完整性，并通过控制整个结构中的纤维取向来帮助优化设计，由此生产的3D打印复合材料部件充分利用了复合材料的强度和重量优势，达到了之前无法达到的分辨率和复杂程度。

许多涉及复合材料3D打印的公司都在努力确定其3D打印部件的行为方式。借助Fortify打印分析软件和Fluxprint打印功能以及MultiMech将作为一种工具，为具有优化纤维取向的复合材料零件的闭环迭代设计提供所需的反馈。MultiMech与Fortify的合作将使用户能够优化复合材料零件的设计和增材制造，以适应特定的应用。仿真技术将推动复合材料3D打印的发展，促进该技术在工业无人机和塑料零部件制造领域的应用。

MultiMechanics和Fortify计划在Fortify 3D打印机中集成MultiMech API。然后，Fortify的用户可以使用MultiMech的仿真功能，使工程师可以完全控制3D打印过程，从设计和测试到最终生产。Fortify的3D打印硬件和MultiMechanics的虚拟仿真技术相互结合，将减少设计限制，协助用户创造真正优化的复合材料3D打印零部件。

以上内容部分参考自中关村在线

 3D科学谷Review

我们身处在一个充满可能性的世界，或许有一天复合材料将更多程度的替代金属材料，包括我们所熟知的易格斯，这家专注于高性能塑料的公司，就正在通过3D打印来提供链轮以实现电动自行车的静音骑行。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印复合材料，不仅可以为塑料带来最佳的机械性能，还可以带来热传导性能、和导电性能等……

而在传统制造业中，为了生产一个复合功能的部件，先制造不同材料制成的产品，然后通过组装或粘合剂的方法把这些零件结合在一起。这个过程需要多个模具来实现，并且组装的过程也容易出现精度跑偏的问题。

除了正文提到的MultiMechanics对复合材料的建模仿真能力，在复合材料的建模方面，之前，麻省理工还开发了Foundry软件，软件的核心功能是“商图”（Operator graph)，这其中包括了100多种定义方法（或微调的动作）。用户可以细分、映射或者分配不同的材料到零件模型中的各个部分。而软件甚至允许用户定义他们是否希望材料之间可以干净的分离，如果他们想要这些材料之间是渐进的分离关系。其他功能包括实时查看、混合和匹配材料的任意组合，并指定不同的3D打印对象部分的自定义属性。比方说你想让一个立方体一部分具有刚性，另一部分具有弹性，你可以指定一个“刚性算子”做刚性部分的设计，并通过渐进的算法来设计弹性部分。而Foundry软件可以集成物理模拟仿真软件，也就是说像MultiMechanics这样的软件，从而使得设计迭代更加快速。

这一切，都进一步释放了设计的自由度，未来，可能最大的限制是我们的想象力。

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一般来说当前的金属3D打印工艺在进入到规模化量产的应用领域时受到多种因素限制，包括加工尺寸，生产速度以及如何控制产品的内部孔隙率等。如今，一家名为MELD的公司推出了摩擦搅拌（AFS）的增材制造工艺，据称该工艺有望使制造商能够规模化3D打印大型金属部件，使增材制造（AM）在工业领域取得更大的进展。

MELD的B8打印机采用称为摩擦搅拌（AFS）增材制造工艺，通过摩擦产生的热量将金属原料以高沉积速率沉积到基材上，该过程在新沉积的材料和基材之间产生冶金结合，并具有精细的晶粒结构，不需要二次致密化处理。

B8打印机与传统的激光熔融增材制造系统相比，它看起来更像一个多轴数控机床。而加工过程中的搅拌作用将单个材料颗粒分解成更小尺寸的颗粒，从而提供增强的强度和性能特性，包括耐腐蚀性和耐磨性。

通过在较低温度下操作，根据3D科学谷的了解MELD的技术可避免如孔隙和热裂纹的材料缺陷。这使得3D打印机不仅能够生产高密度的高质量部件，而且能够比基于粉末床熔融工艺消耗更少的能量，并且可以在开放的气体氛围下进行加工，这样不仅无需惰性气体的消耗，还更加环保和安全。

此外，MELD的3D打印机支持两种类型的物料输送系统，可以将不同的金属粉末结合。另外，原料通常较便宜，因为它不需要经过磨碎或雾化的额外工艺。操作和存储更安全，而漂到空气中的金属粉末有着发生火灾或爆炸的危险。这对于有粉尘吸入危险的操作人员来说，这也是比较安全的。

迄今为止，MELD一直用于沉积轻金属和高温合金，轻金属包括铝和镁，高温合金包括因科内尔和氧化物弥散强化钢。此外，该技术还可以处理那些不能用于粉末床熔融工艺的不可焊接材料和粉末。

MELD技术也被用于钛等反应性材料，还可以组合不同的材料来创建MMC金属基复合材料，功能梯度材料，多材料零部件。目前，MELD的技术可以用于加工镁，铝，铝碳化硅，铜，铜金属基复合材料，镁，钢，强化钢和超高强度钢。可以3D打印“不可焊接的材料”，例如镁制齿轮箱。

根据3D科学谷的市场研究，虽然文中提到了多处关于摩擦搅拌（AFS）增材制造工艺与粉末床金属熔融技术的比较之处，但是摩擦搅拌（AFS）增材制造工艺并非是替代粉末床金属熔融技术的。那么摩擦搅拌（AFS）增材制造工艺是否会与以粘结剂喷射为代表的间接金属3D打印方式形成竞争局面，3D科学谷将保持持续关注。

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一般复合材料中分散相是均匀分布的，整体材料的性能是同一的，但是在有些情况下，希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能，又希望不同性能的两侧结合得完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。以航天飞机推进系统中最有代表性的超音速燃烧冲压式发动机为例，燃烧气体的温度通常要超过2000℃，对燃烧室壁会产生强烈的热冲击;燃烧室壁的另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，通常温度为-200℃左右。这样，燃烧室壁接触燃烧气体的一侧要承受极高的温度，接触液氢的一侧又要承受极低的温度，一般材料显然满足不了这一要求。于是，科学家想到将金属和陶瓷联合起来使用，用陶瓷去应对高温，用金属来应对低温。但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。例如，对上述的燃烧室壁，在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具备了耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。

HAGE通过SDS(Shaping-Debinding-Sintering)工艺实现这种梯度材料的制备，这种工艺的基本流程和优势如下

1)3D打印原型(ShapingwithF3technology)

2)去除树脂(Debinding)

3)烧结(Sintering)

4)最终零件

首先，SDS工艺能轻松获得梯度材料。SDS工艺是3D打印与烧结结合的一种新工艺，能制成粉后期可烧结成型的材料，都可以通过SDS工艺实现，而陶瓷、金属完全符合这样的工艺特点。

其次，打印完成面质量高。零件最终是通过类似MIM的烧结方式获得的，其表面质量比传统的金属打印相比要好很多。

第三，性能各向同性。受传统3D打印原理的限制，Z方向性能弱于XY平面的性能。而采用SDS工艺制造出来零部件，性能各向同性。客户在使用和设计时也不必再考虑各向异性的问题，大大提高了3D打印金属零件的应用工况。

最后，SDS工艺能打印难熔金属。对于铜等特殊金属，此工艺都可以打印。

来源：华融普瑞

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比利时的Aerosint公司发明了一种独特的粉末分配技术，使多粉末SLS 选区激光烧结3D打印更具成本效益，并可以打印多材料零部件。对于更高端、更昂贵的塑料3D打印具备明显的优点，可能带来极高的成本效率。

该项目由2015年的MAKEIT创业工作室发起。最初的想法需要多次迭代和深入的技术验证，历时21个月。由于对这种创新技术的可行性充满信心，Aerosint成立并且提交了第一个专利。

2017年，该小组设法从瓦隆政府（DGO6）以及私人投资者Meusinvest和创新基金获得资金。这笔资金用于专利转化为商业化的工业级塑料3D打印系统。

Aerosint对多材料粉末沉积采取了根本不同的方法。比利时研究小组并没有采用复杂的驱动喷嘴阵列，而是开发了一种专利技术，通过一个旋转的滚筒选择性地沉积粉末材料，并通过加工区域。

通常一个滚筒只能沉积一种材料，所以至少使用两个滚筒来实现多粉末沉积。Aerosint通过选择性地将细粉末以体素的分辨方式进行逐行沉积。分配器可以区分物体和支撑粉末，仅熔融聚合物区域，并使用廉价的二氧化硅或氧化铝非熔融性支撑材料，让支撑结构更轻、更易移除。只在需要的地方施放粉末，从而无需回收材料，可以避免粉末浪费。

与传统的激光烧结相比，所有这些材料都可以在下一次打印工作中重复使用，从而将粉末消耗成本至少降低了30％，甚至可以高达85％。这对于像PEEK这样的高温聚合物来说特别重要，因为这种聚合物非常昂贵。粉末降解妨碍了这种高性能聚合物在工业应用中的广泛应用。

该技术本质上是逐行的，并且可以以高达200mm / s的速率进行图案化方式的加工。此外，Aerosint的工艺被设计成比基于移液管的技术对粉末特性更不敏感，移液管的技术粉末质量流量必须根据每种材料的经验确定。Aerosint的目标是尽可能使材料不受材料特征限制，因此可以轻松使用各种塑料、陶瓷和金属粉末。

根据Aerosint的说法，多粉末沉积技术的成熟，无论是基于移液器，基于转鼓还是以其他方式，都将为制造商带来巨大的机遇。除了粉末废料减少，材料成本节省和后处理时间缩短之外，Aerosint还在工业化的规模生产方面带来了新的应用机会：

- 用于医疗、航空航天和汽车应用的高性能和特殊聚合物材料（如PEEK）零件的生产

- 多聚合物部件的分级机械性能

- 在聚合物部件内直接3D打印导电金属路径，用于柔性电子产品，如“智能”鞋底，健身追踪器等。

- 多金属3D打印：将稀有、柔软的金属与廉价、坚硬的金属相结合

- 陶瓷3D打印，将陶瓷材料的耐热性、硬度与金属的弹性和强度相结合。

–—- 3D科学谷Review

基于粉末床的3D打印技术正在迎来一场自身的升级，围绕着与工业制造需求之间的“隔阂”不断的逐一击破，粉末床金属3D打印技术越来越具有制造“基因”了。3D科学谷认为这种升级的趋势有两个明确的方向。

一粉末床选区激光熔融技术

Fraunhofer在开发第二代粉末床金属熔融3D打印技术，可扩展性、适合于大批量生产的特点成为基于粉末床的金属3D打印技术正在发生的升级趋势。科学家正在测试带有光纤激光器的系统以及具有成本效益的二极管激光器。除了使用带有当前普遍采用的振镜的扫描仪系统之外，他们还正在研究具有高动态线性轴和多个可单独控制的二极管激光器的移动加工头。这种多点处理的优点是能够通过增加激光束源的数量来显著并且成本有效地增加系统的构建速率。这种新的系统设计理念，允许通过延长轴系的行程长度来增加构建体积，而不改变光学系统。

而目前，不仅仅是GE这样的公司，包括德国Additive Industries所体现的集成式的增材制造系统已经体现了模块化设计理念：自动化的热处理模块、交换模块、存储模块，这些都体现了触手可及的产业化进行式和粉末床技术的升级趋势。

二粉末床选区激光烧结技术

就选区激光烧结3D打印技术来说，其加工速度一再的被HSS高速烧结以及惠普的多射流熔融技术所超越，其打印精度也一再的被Carbon这些新兴的CLIP连续液面固化技术所超越。那么选区激光烧结3D打印技术要占住市场的一席之地，所剩的筹码似乎只有多材料、复合材料3D打印了。

虽然多种材料的3D打印还处在起步阶段，但这个领域充满了可能性。因为多材料的应用可以使工程师有更多的自由度实现设计要求，在空军研究实验室里，研究人员就在专注于多材料3D打印的研究，这种一次性完成的零件突破了传统的加工方式的束缚，传统加工方式需要将一个一个不同材料的零件制造出来，然后再通过焊接或组装的方式结合在一起。

而Aerosint正在开启多材料3D打印新的可能性。当然，仅仅有多材料3D打印的技术，没有软件的配合也很难开启这项应用的潜力。在这方面，哈佛大学也在软件领域为多材料的3D打印提供了可行性，哈佛大学的研究人员能够量化材料弯曲的各种不同的方式，并计算这样的运动会如何影响像刚度这样的特性。他们现在可以使用他们的数字框架快速循环几百万种不同的图案，让电脑通过理想的属性设置给定一个恰当的设计。一旦一个给定的设计被选中，科学家们能够使用多材料3D打印机来创造超材料。

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大自然“生产”的木头、骨头、牙齿和贝壳等精致复合材料，是轻质和密度与所需的机械性能完美结合。然而，再现自然界中发现的特殊机械性能和复杂微结构，则颇具挑战。而哈佛大学团队研发的“旋转3D打印”技术，对聚合物基质中嵌入的短纤维排列具有超强控制能力。研究人员使用这种增材制造技术在特定位置对环氧树脂复合材料内的纤维排列进行编程，创建出对强度、刚度和损伤容限进行优化的结构材料。

该研究的资深作者Jennifer A Lewis，以及哈佛海洋生物启发工程学院Hansjorg Wyss教授说：“能够在工程复合材料中局部控制纤维取向是一个巨大的挑战。现在我们可以用分层的方式对材料进行图案化，就像自然构建的方式一样。”

这一方法的关键在于精确编排3D打印机喷嘴的速度和旋转，以便对聚合物基体中的嵌入式纤维的排列进行编程。这一技术通过为旋转打印头系统配备步进电机来实现，其可引导旋转喷嘴在墨水被挤出时的角速度。由于其墨水设计具模块化特性，可实现使用多种不同填料和基体的组合来定制打印对象的电学、光学或热性能，因而应用范围较广。据项目负责人介绍，实现在工程复合材料中对纤维排列进行局部控制，是一个巨大挑战。该团队目前能够用分层的方式来构造材料，接近自然构造方式。

旋转3D打印可以用于在3D打印部件的每个位置实现最佳或接近最佳的光纤布置，从而以更少的材料获得更高的强度和刚度。 与之前市场上出现的使用磁场或电场来定向纤维不同，哈佛大学的这个发明是通过控制粘性油墨本身的流动来赋予所需的纤维取向。

图片：哈佛大学Jennifer A Lewis教授

据称，“旋转3D打印”的喷嘴概念可用于任何材料挤压3D打印方法，从熔融丝制造，直接墨水书写，到大规模热塑性增材制造等不同的3D打印技术。并且适合任何填充材料，从碳、玻璃纤维到金属或陶瓷晶须甚至是血小板。

这种技术适合于工程材料的3D打印，可以通过空间编程以达到特定的机械性能指标;可以对纤维的定向进行局部优化，以提高在加载过程中预期承受最高应力的位置处的损伤容限。

这提供了一个新的途径来生产复杂的微观结构，并可控制地改变不同位置的微观结构。 对结构的更多控制意味着对结果属性的更多控制，这大大扩展了设计空间，可以进一步优化可编程材料的属性。

这项研究发表在“美国国家科学院院刊”上，这项工作是在哈佛的刘易斯实验室进行的。合作者包括前博士后研究员Brett Compton，现任诺克斯维尔田纳西大学机械工程系助理教授，宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学助理教授Jordan Raney;以及苏黎世联邦理工学院访问博士生Jochen Mueller。

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Markforged的市场定位受到了投资机构的认可，如今，由西门子Next 47创业基金牵头筹集了3000万美元。跟投企业包括微软风险投资基金和保时捷等。

Markforged 3D打印机的价格从3,499美元到99,500美元不等，这取决于所选的型号和材料。

图片：Markforged产品系列

微软的合伙人Matthew Goldstein在一份声明中说：“随着云服务缩短软件工程师的开发周期，3D打印也加速了制造业的创新。”

3D打印确实是一个热门行业，因为3D打印的无模化可以实现更便宜和更快速的制造。无论是运动鞋还是牙科，几个行业都在嗅探机会。惠普和德勤也宣布，他们正在3D打印和数字制造服务方面进行合作。

到目前为止，Markforged已经共筹集了5,700万美元，并将用新的资金开发新的3D打印技术。而Markforged的业绩也开始明显提升，自今年第二季度以来一直盈利。

Markforged是一家不断创新的企业，2016年，Markforged 公司推出了Mark Two的下一代产品-Mark X 3D打印机，该设备同样集成了Markforged 专有的连续纤维丝（CFF）3D打印技术，可打印的材料包括Markforged公司的Nylon和Onyx等塑料材料，以及纤维增强材料——碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。该设备可应用在汽车、机器人、假肢和运动器材等行业。

与Mark Two相比，Mark X 在三个方面实现了功能升级，包括：更大的构建体积（达330×250×200毫米），在过程中可进行激光检验，以及打印对象精度的提升。

图片：MarkX

为了进入到制造领域，Markforged还推出了自己的过程中监测系统。该系统的作用是使用激光传感器不断测试尺寸精度，确保打印出来的部件与对应的数字模型完全一致，连接在打印头上的激光器可以扫描打印部件的任何打印层，以检查其是否满足预期的要求和公差，用户可以通过Markforged的Eiger软件来控制该激光器。

根据3D科学谷的市场研究，在碳纤维复合材料领域的3D打印设备玩家包括桌面级的Markforged，Orbital Composites，工业级的Stratasys、Arevo Labs、Impossible Objects、EnvisionTec等

而同样来自麻省理工创业团队的Impossible Objects在2017年10月完成了A轮640万美金的融资。其设备是于5月份推出的复合材料打印设备：Model One。Impossible Objects的CEO Larry Kaplan声称Model One速度比FDM技术快10倍，屈服强度比市场上的其他塑料3D打印产品大10倍。Model One的首批用户包括全球著名的电子合约制造商美国捷普公司(Jabil) 。

或许是投资机构对复合材料的3D打印技术情有独钟，不仅仅是来自美国东海岸的Markforged和Impossible Objects, 来自美国加州西海岸的Arevo Labs也于2016年就完成了700万美金的A轮融资。Arevo Labs不仅提供碳纤维工业级3D打印机，还提供3D打印的新型碳纤维和碳纳米管（CNT）增强型高性能材料，而且使用其专有的3D打印技术和专用软件算法可以使用市场上现有的长丝融熔3D打印机制造产品级的超强聚合物零部件。

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