雷尼绍积极响应英国政府的号召，致力于大幅提高呼吸机产量，用于治疗患有呼吸系统并发症的新型冠状病毒肺炎患者。在短短几周内，英国对呼吸机的需求量飙升至几万台。然而，呼吸机中包含数百个零件，这些零件的供应链复杂、冗长，尽管呼吸机制造商和新加入的工业制造商已投入了生产，但协调整个供应链的紧急交货能力是一个高难度的工程。此时，正是3D打印技术能够发挥优势的时刻。

雷尼绍的响应工作由集团战略发展总监Marc Saunders领导。他表示：“当政府联系我们时，我们积极响应政府的号召，虽然我们明白这项挑战的艰巨性。呼吸机是非常复杂的医疗设备，但是我们相信利用我们的自身优势及现有技术定能帮助扩大呼吸机的生产规模。雷尼绍和许多其他工业企业不谋而合，意识到大家需要同心协力将产能联合在一起，以实现这一巨大目标。”

在短短几天内，雷尼绍与航空航天、汽车、医疗设备和赛车领域的领先企业组成了VentilatorChallengeUK联盟，并由英国制造业研究中心集团高价值制造弹射中心 (High Value Manufacturing Catapult) 首席执行官Dick Elsy领导。雷尼绍将提供在3D打印方面的专业知识。这个多元化联盟正在通过不懈努力提升NHS选出的两款成熟可靠的呼吸机的产量。

这两款呼吸机由Penlon公司和Smiths Medical公司在英国本土制造。Dick Elsy说：“正常情况下，Penlon和Smiths两家公司每周合计产出50至60台呼吸机。现在，依托联盟的规模和资源优势，我们的目标是在数周之内将Penlon和Smiths生产的两种机型的每周产量提高到至少1,500台。呼吸机是高度精密复杂的医疗设备，我们必须在交付速度与绝对遵守监管标准以确保患者安全这两项要求之间取得平衡，这一点至关重要。”

雷尼绍加入该联盟组织的供应商网络，该网络中许多供应商与雷尼绍一样是首次制造呼吸机零部件。每台呼吸机包含数百个各式各样的零部件，而批量生产呼吸机时需要将数百万个零件组装在一起，这是一项庞大的后勤工作。

雷尼绍集团制造服务总监Gareth Hankins说：“为了当前的任务做好准备 — 包括呼吸机项目和服务关键供应链中的全球客户，我们上周暂时关闭了英国本地的生产设施，以采取相关措施保障员工的利益。” 他继续说道：“我们对工厂进行了重组，增加了间距并且划分了区域，限制员工在工厂周围移动。我们还加强了卫生管理，大大减少感染传播的潜在风险。我们的员工正在积极地应对这一挑战，我们很高兴看到工厂恢复运转，为‘呼吸机行动’贡献一份力量。”

Marc Saunders说：“这是非常不寻常的几周，来自不同领域的众多企业迅速有效地团结起来，共同致力于同一个目标。VentilatorChallengeUK联盟正以惊人的决心和资源全力提高急需呼吸机的产量，助力抗击影响人类的病毒。”

他总结说：“该联盟的口号是‘每生产一台呼吸机，多挽救一条生命’，雷尼绍为在这项重要工作中做出贡献而感到自豪。”

文章来源：雷尼绍

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针对无法使用传统制造技术生产的测针，雷尼绍通过采用增材制造 (AM) 技术 — 又称金属3D打印技术，提供一站式测针解决方案。雷尼绍自制的增材制造测针可以测量其他测针无法触及的工件特征，为复杂的检测应用提供了灵活、性能优异的解决方案。

增材制造技术的一个关键优势是可以快速打印出用户定制产品，而不需传统生产工具下制造测针。大多数情况下，采用增材制造方式生产定制测针组件的交货期比采用传统方式的交货期更短。使用金属粉末床熔融技术生产特殊定制测针，为制造出具有复杂形状和结构的测针提供了新的可能性。钛合金增材制造测针重量轻，结构坚固，可安装在各种测量设备上，能够检测先前无法触及的工件特征。

 触测内部特征

增材制造技术具有制造定制化、坚硬、轻重量和复杂结构的能力，因此日益受到人们的青睐。这项技术可以针对不同应用制造各种具有中空网状结构的专用测杆，再无需使用笨重繁琐的转接头和直杆便可得到形状各异的各式测杆。测针的轻巧结构允许在不超过测头承重能力的前提下实现必要的长度和刚性。

钛合金是增材制造测针的优选材料；这种材料具有很高的刚性-重量比、良好的热稳定性，而且能轻松加工成薄壁网状结构。增材制造测针上还能加工出内螺纹 (M2/M3/M4/M5)，因此可直接与雷尼绍现有的各种标准测针组件相连接。

 五轴测量内部特征

 弧形REVO测针，来源：雷尼绍

雷尼绍的REVO®五轴测量系统在触测工件特征方面具备一流的灵活性，配用定制增材制造测针后灵活性还可进一步提高。

以前，如果使用传统测针无法触测某个工件的内部特征，通常会将这个工件分成两部分进行生产以便完成测量，而这大大增加了产品制造成本。

现在，将专为特定应用设计的定制弧形测针安装到REVO-2测座上，测针便能够深入工件内部测量关键特征。有了这种经济高效的解决方案，工厂就无需再拆分生产工件了。

 大型盘形测针

特征较大的工件相应地也需要较大的测针，而大尺寸测针的重量可能会超出测头的承重能力。增材制造测针提供了一套坚硬、轻质的结构解决方案。拿一根直径200 mm的盘形测针来说，相比于传统测针，增材制造测针的质量减轻了80%，这种测针是使用钛合金制成的，具有经过打磨的外表面并且涂有氮化硅涂层以防磨损。

 盘形测针，来源：雷尼绍

在精密测量应用中，除了通过物理触测工件的关键特征来收集精确表面数据外，尚无其他替代方法。针对结构复杂的工件，通常需要定制测针以测量较难触测的特征。增材制造测针可以测量其他测针无法触及的工件特征，为复杂的检测应用提供了灵活机动、性能优异的解决方案。

文章来源：雷尼绍

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雷尼绍此次将以“今天，从“未来工厂”获益！”为主题参展，真诚期待您莅临我们的展台，亲身感受并互动体验工业4.0技术推动的生产革命 — 涉及制程自动化、数据驱动技术、智能化制程控制等方面。在展台的产品展示区，我们将现场演示航空发动机叶片的各个生产阶段 — 从金属增材制造 (AM)（又称“3D打印”），到传统的CNC加工。

首先您将看到我们在雷尼绍RenAM 500Q增材制造系统上制造此航空发动机叶片。该系统搭载雷尼绍增材制造领域的最新技术，配有四个500 W大功率激光器，每束激光均可同时覆盖整个粉末床表面。RenAM 500Q加工高效，在生产效益和制造成本方面实现了双赢。它带有自动化粉末和废料处理系统，有助于实现工艺品质的一致性，减少人机交互时间并确保高标准的系统安全性。

从增材制造展区移步，您将来到雷尼绍机器校准产品展区，我们将隆重介绍雷尼绍全新的XK10激光校准仪。XK10用于机器校准与优化，有助于客户获得数字化、可重复的制程能力。随后，一只机械手将工件放入雷尼绍Equator™比对仪的测量空间内。Equator比对仪通过在车间现场提供高重复性、无温度要求、多用途并且可重新编程的比对测量方案，实现智能化制程控制。借助雷尼绍推出的智能化制程控制软件，用户可以通过任意一台Equator比对仪直接对数控机床执行自动制程控制和刀补修正。

最后，在序后控制产品展区，我们在坐标测量机 (CMM) 上使用雷尼绍REVO®五轴测量系统测量工件。该系统可提供一个多类型传感器平台，能够进行高速接触式扫描和非接触式影像测量。您还将看到雷尼绍的SFP2表面粗糙度检测测头。SFP2能够提高REVO系统的表面粗糙度测量能力。通过将表面粗糙度测量和尺寸检测功能完美整合到单一测量平台上，REVO在测量时间、工件搬运和投资回报方面将具有无可比拟的优势。

雷尼绍中国区总裁Francesco Tivegna先生解释说：“对于想要充分利用工业4.0优势的企业来说，智能化加工过程至关重要。CIMT为雷尼绍提供了一个平台，我们可以借此展示雷尼绍如何帮助全球合作伙伴将高水平的自动化和物联网技术应用到生产制程中，从而使他们快速获得未来智能工厂具有的优势。”

他继续说道：“要永葆竞争力，制造企业必须不断追求降低加工误差、提高加工重复性的目标，要适应客户时刻变化的需求，还要致力提升工厂的自动化水平。雷尼绍应用于整个工厂的全系列智能化制程控制解决方案，以及将这些智能解决方案应用到复杂的实际制程中的丰富经验，正可在这些领域为全球客户带来实实在在的价值。”

在产品展示区内，您将充分领略雷尼绍各项先进技术的精彩魅力 — 包括机内测头测量、对刀和Equator比对测量等等 — 这些技术必将提升工厂的自动化水平，让制造企业当下即可拥有满足“未来工厂”要求的高效精密制造能力。

来源：雷尼绍/Renishaw

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 推动金属3D打印医疗器材的发展

台湾国研院仪科中心从事仪器科技的研究与开发，为支持再生医学科技发展不遗余力，致力于在台湾构建完整的再生医学技术服务平台，为医院端、学术端、产业端等提供所需的服务。国研院仪科中心将雷尼绍增材制造系统结合在其再生医学技术平台上，为产品开发、技术研发、以至医疗产品验证等提供一站式服务平台；他们以提升再生医学产业发展为目标，协助业界及政府创造3D打印医疗器材新景象。

国研院仪科中心与产业端及医院端以金属3D打印研发生产的医疗植入体，图片来源：雷尼绍。

国研院仪科中心再生医学平台与育成组副研究员兼组长游智胜先生认为，雷尼绍3D打印方案在定制及参数调整方面具有优势，可灵活配合仪科中心为不同单位提供特定服务，特别是针对医疗应用少量多样的特性、多孔性及特殊性植入体的制造，更见其优势。

举例来说，仪科中心近期与医疗器材厂商合作设计的股骨柄（如下图），在本体处以多孔性结构为主，孔隙大小介于200~400 μm，利于硬骨组织生长于本体上。股骨柄植入后，本体需与硬骨组织紧密贴覆，使股骨柄能牢牢固定而不易松动。另一案例则为与医院合作的头盖骨骨板（如下图），该骨板以CT影像为依据，符合人体头骨外型，采用增材制造技术开发，其灵活的定制设计优势，不同于市面上的其他量产化规格品植入体。

股骨柄（右）及头盖骨骨板（左）植入体设计,图片来源:雷尼绍。

游智胜先生说道：“仪科中心作为一个服务单位，旨在创建一个供大众使用的技术平台，为达到这一目的，我们需要强调所选用材料与设备是否具备易用性与灵活性。我们最后选定雷尼绍金属增材制造方案的主要原因除了质量稳定外，多样化金属粉末选择与设备的易用性均是考虑重点。”

 传统生产 VS 3D打印

国研院仪科中心再生医学平台与育成组助理研究员张峻铭博士说道：“在未使用3D打印技术前，我们以传统生产方法如锻造、CNC加工等工艺制造规格化医疗植入体。使用雷尼绍AM250后，我们可从医院获得医疗影像，然后直接转换成可实现3D打印的.stl文件，这样能定制出更符合患者患部骨骼特征的植入产品。”雷尼绍的激光熔融技术使用高功率光纤激光，在严格控制的惰性气体环境中熔化金属粉末，粉末床层厚从20至100微米不等，因此成品外形尺寸精准度极高，对未来手术植入流程有着极大的优势。

张峻铭博士在核心实验室分析金属粉末材料并讲解雷尼绍粉材优势，图片来源：雷尼绍。

仪科中心在与各产业端和医院端合作开发3D打印医疗器材时，主要使用雷尼绍钛合金及钴铬合金粉末生产植入体，使用人员对雷尼绍金属粉末材料评价很高。

钴铬合金粉末粒径分布曲线图，图片来源：雷尼绍。

张峻铭博士解释道：“国研院仪科中心有着专业的验证能力，我们会对使用的各种材料和设备先进行测试。测试数据结果显示，雷尼绍金属粉末质量与稳定性优于其他同类产品（如下图钴铬合金粉末粒径分布曲线图所示），无论是在机械性质，还是在精度等方面都拥有稳定的再现性。”

 国际级认证

经过两年多的努力，仪科中心针对金属3D打印医疗器材，成功完成了符合国际医疗器材法规标准规范的“ISO 10993-5细胞毒性试验”、“ISO 10993-10皮内刺激性及敏感性试验”以及“机械性质确效试验”，并与国研院动物中心合作完成了“临床前动物试验”等四项验证项目，此四项验证项目皆已通过UL公司认证。国研院仪科中心于2017年成为全球第一家经UL公司授权的3D打印医疗器材验证机构，这必将有助于3D打印医疗器材产业化的发展，提升整体医疗水平。

雷尼绍AM250金属3D打印系统在医疗领域的应用，图片来源：雷尼绍。

“我们构建的再生医学仪器技术平台以生产符合国际级认证（如FDA认证）的3D打印医疗器材为目标，因此对制造过程要求相当严谨；如果选用的增材制造设备事先已获得国际认证机构的认证，作为先行者的我们，以至于平台使用者都可省却很多不确定的问题并可打消对设备是否合规的顾虑。”游智胜先生解释道。“雷尼绍系统及其金属粉末均已获国际级认证，加上我们成功为3D打印医疗器材验证机构，这将有效打通3D打印医疗器材上市前的验证关卡，加快在台湾地区开发相关产品的速度。”期待着能将金属3D打印技术广泛应用在牙科、骨科、胸腔外科等领域，有效增加手术规划的成功率及缩短手术时间。

 未来发展

现阶段，虽然国研院已聚焦3D打印在医疗领域的应用，但范围仍非常有限，问题则在于台湾地区仍没有正式的3D打印制程医疗法规，目前他们仍是以研究计划的形式协助台湾地区的医疗器材产业端进行研发；然而，国研院已采用雷尼绍AM250以及钛合金粉末，完成多项国际医疗认证，包括ISO 10993医疗器材生物兼容性验证以及机械性质确效验证。

预计在不久的未来，一旦3D打印制程医疗法规获得通过，国研院将能正式应用上述研究成果，辅导台湾地区医疗器材厂商快速进入医疗3D打印行业。

文章来源：雷尼绍

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上海增材制造制造业创新中心是由上海市经济和信息化委员会指导，上海市增材制造领域行业组织、研究机构和优势技术企业共同发起成立。自今年5月28日开始正式建设创新中心以来，历经短短四个月，建成了工程技术分中心、应用展示分中心、检验检测分中心、高技能人才培养及就业培训分中心。

 图1：雷尼绍与上海增材制造制造业创新中心共建“联合创新实验室”

雷尼绍增材制造解决方案中心一直致力于为企业提供经济实惠的获取增材制造机器、设施和专业技术的渠道，从而降低了企业应用增材制造技术的门槛。解决方案中心配备最新的增材制造机器以及有丰富经验的工程师，为企业提供保密的开发环境，不仅方便他们探索增材制造能够为其产品带来的各种优势，还能帮助他们快速增强对增材制造作为一种生产技术的认识和信心。雷尼绍AM 400柔性金属增材制造系统是在AM250平台的基础上最新开发的增材制造系统，具有最新的系统升级特性，配备更大的SafeChange™滤芯、改进的控制软件和经改良的气流和窗口保护系统，并提供激光束直径缩小为70微米的全新400 W光学系统。

图2：上海增材制造制造业创新中心引入雷尼绍高效制造解决方案

尽管增材制造在单个过程步骤中就能够制造出复杂的几何形状，但生产功能性产品一般还需要经过一定程度的后处理，雷尼绍Productive Process Pyramid™（高效制造过程金字塔解决方案）为客户提供了一套完整的包括二次加工在线检测及成品验证的综合制造解决方案，增加自动化操作，降低人为干预。借助专家级过程控制技术，全面优化制造性能。

本次“联合创新实验室”引入的制程控制创新产品，包括：Equator™ 300比对仪、Primo™在线检测及刀补系统，和REVO®多传感器五轴测量系统。3D打印生成的工件经由机床进行二次加工，雷尼绍的机内（在线检测及刀补系统）及机外（比对仪）测量方案更可容易地整合到自动生产线和生产单元中，实现全面的自动化。 通过使用Equator比对仪测量数据直接在机床控制器上更新偏置，同时更新机床的刀补值，实现具有闭环反馈的制程控制。最后成品经由雷尼绍的REVO®五轴测量系统建立快速且可溯源的工件加工合格报告，为客户提供完整的质量保障。此次合作将增材制造和减材制造相结合，过程控制与质量控制相结合，呈现给客户一套完整高效的生产解决方案（见图2）。

10月26日，原国家航空航天工业部部长林宗棠部长一行五人莅临创新中心。作为第五届全国人大代表的林老先生心系3D打印事业，重点实地考察了工程技术分中心及应用展示中心。雷尼绍的工程师陪同讲解，并模拟演示了以增材制造技术为主导的自动化生产单元。

雷尼绍的愿景是让增材制造成为主流制造技术，广泛用于航空航天、医疗、汽车、石油和天然气、模具以及消费品等领域的高性能部件的规模生产。雷尼绍已在国内北上广三家分公司设立了解决方案中心，帮助客户深入了解增材制造技术和制程控制技术为一体的自动化生产模式，以可预测和控制的成本帮助客户优化设计，树立对增材制造工艺的信心，为投资决策提供技术依据。而本次共建“联合创新实验室”项目为实现愿景迈出了关键的一步。

文章来源：雷尼绍

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3D打印行业透视@Formnext的本期被采访对象是Renishaw(雷尼绍)增材制造应用总监Marc Saunders先生。

左: Marc Saunders，雷尼绍增材制造应用总监；右: Korinna Penndorf, 3D科学谷联合创始人

About Formnext

Q1. 贵公司Formnext展会上有哪些亮点？

A: 雷尼绍本届Formnext 的亮点是将生产效率与质量相结合的金属3D打印技术。生产效率与质量是使用金属3D打印技术制造零件的企业最为重视的，雷尼绍多激光器选区激光熔融设备能够以更快、更低成本实现零部件生产，并且提供具有稳定可重复的质量。

金属3D打印散热器，图片来源：雷尼绍

对于多激光3D打印技术来说，粉末床的每个区域能够产生相同的质量是非常重要的，多激光器3D打印设备应能够使用户通过一致的参数获得质量一致的产品，并且在进行批量生产时仍然能够做到这一点，而这也是雷尼绍在今年展会中的聚焦点。

在今年展会中，我们虽然没有发布新设备，但是我们展示了去年所推出的3D打印设备的性能。对于去年推出的几款设备，我们进行了一年的测试，进行了参数开发工作，并进行了所制造的零件的疲劳性能测试。

Korinna Penndorf提问：在我们与制造业用户开展业务合作的过程中，客户最为关心的问题包括：是否能够通过3D打印制造出他们所需要求的产品质量的同时兼顾成本的考虑？

Marc Saunders回答： 现在，我们已证明雷尼绍的技术可以满足客户的这些需求。

About Business

Q2. 在您的公司，今年的3D打印业务与去年相比的业绩是怎样的？

A: 可以肯定的是，我们看到了强劲的增长，并感觉到制造业用户端对于增材制造技术需求所发生的变化。在用户初次购买金属3D打印设备时，目的是开展增材制造相关的实验，但是如今已经有很多用户完成了这一阶段的工作，开始进入到增材制造生产阶段。那些正在筹备生产的客户，有的会购买一台金属3D打印设备，有的则是购买更多，例如5台甚至10台。这种情况越来越多，这也是支撑我们业务增长的基础。

在早期应用3D打印技术的行业中，其中的大多数企业已经意识到3D打印技术的重要性。这里所指的“早期”行业是航空航天，目前许多将3D打印技术用于零部件生产的公司都在航空航天行业。但我们也看到医疗器械制造商在大量应用3D打印技术。同时，我们还看到石油、能源、汽车制造、消费电子领域对于3D打印技术的重视，特别是汽车与模具制造领域。同时我们还看到有新的用户进入到增材制造领域，开始开展3D打印实验阶段的工作。

金属3D打印散热器，图片来源：雷尼绍

增材制造领域的“新成员”开始意识到3D打印技术在提升产品性能方面存在的价值。这些制造领域的用户正在寻找加快产品设计迭代和产品生命周期的解决方案，这些企业对于3D打印技术的应用发展速度或许会超过航空航天、医疗等监管严格的行业。因此在未来几年，我们或将看到3D打印技术在这些新兴应用领域中得到迅速的发展。

雷尼绍在全球多地区设立了服务中心，为用户提供小批量生产服务，目前这些服务业务发展良好。我们看到一些两年前开始应用3D打印技术的客户已经转向生产应用阶段，这些客户正在建立自己的增材制造设施，从通过雷尼绍获得增材制造服务过渡到建立自己的增材制造能力。

雷尼绍为用户提供的3D打印服务实际上是一个与用户开展联合工程开发的过程，客户在应用3D打印技术的早期，可以借助雷尼绍的设施、技术以及经验，在大量投入增材制造技术之前，首先开发出3D打印成功案例，并学习增材制造技术，培养自己的增材制造人才，在用户决定投入自己的增材制造设施的时候，一切已经准备就绪。我们也发现在共同开发产品的过程中，也是我们相互“取经”共同发展的过程，这是一个充满探索精神的一个过程，与其说是雷尼绍在提供咨询服务，更恰切的说法是雷尼绍与用户共同开发的工程项目。

About Challenges

Q3. 当前贵公司3D打印相关的业务所面临的主要挑战是什么？

A: 降低每个部件的3D打印成本，保证质量稳定性是充满挑战的，这是雷尼绍一直以来的聚焦点以及推进的工作。如果3D打印零件质量参差不齐，那么在后续后处理和认证阶段将会花费更多成本。每个3D打印零件的成本与生产效率和质量一致性相关。目前金属3D打印技术已经在某些细分领域展开了应用，但随着成本控制和质量一致性进一步发展，金属增材制造技术将迎来更多的机会。

About the industry

Q4. 关于3D打印行业的发展，您怎么看待2018年的发展情况，您觉得站在行业发展的角度，今年主要的发展以及障碍有哪些？

A: 我们看到了金属增材制造的增长，我们看到了很多新的进入者，尤其在中国，出现了一些新的3D打印设备企业。这些企业中，有的已经很成熟，而有的还处在发展当中。

同时我们看到，在雷尼绍以及其他老牌企业的长期客户当中部分已经转向增材制造生产，他们已经从初期仅购买一两台3D打印设备, 发展到购买一系列的3D打印设备。这些客户需要我们提供支持的水平与过去不同了，他们对于产品性能、可靠性的要求也提升了，因此我们需要为客户提供更专业的服务。

限制行业发展的主要障碍是传统设计思维方式的制约作用。未来3D打印能够得到多大的发展，与多少用户在应用这个技术相关，与多少用户向以产品功能实现为导向的增材制造思维方式转变有关，与多少用户正在考虑3D打印能为其产品做些什么有关。客户需要思考如何设计出能够充分利用3D打印优势的产品，但是目前还没有足够的公司能够真正把握住这一点。

出于对变化所带来的风险的担心，有的应用领域的制造企业比较偏保守，很难去进行一些风险较高的，具有颠覆性的创新，这并不是制造业中的个别现象，制造企业需要更加全面的认识3D打印的价值，并了解如何降低风险。雷尼绍正在努力通过提供培训与指导，帮助用户降低风险，实现增材制造的产业化应用。

About the future of AM

Q5. 您个人或者您公司对与未来5年增材制造行业的发展看法如何？

A: 我认为我们身处在令人激动的时间节点上，3D打印技术正在从原型为主流的应用进入到增材制造生产型的应用，我们迎来了发展的契机。

5年后，我们将看到增材制造技术更多的扩展，不仅是在航空航天领域，还包括汽车等民用制造领域。我们将会看到3D打印零部件被安装在车辆中。在消费类电子产品、家用电器制造等对于产品迭代要求高的行业，或将成为应用3D打印技术的先锋和推动者。

希望未来5年，我们能够看到更多公司通过3D打印技术开发创新型的产品，不是仅仅将3D打印技术作为一种研发试制阶段代替开模具过程的一个捷径技术，而是将3D打印技术用于批量生产，用3D打印技术制造一些过去无法通过传统制造方式实现的产品，这些产品具有出色的性能，并最终推动整个行业的发展。

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图片来源：Uniform Wares

 复杂设计使表链保持足够柔韧性

与传统的网状带不同，金属3D打印表链中每个链节是不对称的，表链的每一侧都具有不同的弯曲半径，佩戴起来更加轻松，同时表链能够能够保持足够的柔韧性。

表链还采用了一种新型的方向扣设计，其微型“牙齿”被整合到表扣内部，与表链本身的编织相互联系。3D科学谷了解到这种设计方式只能通过金属3D打印技术才能够实现，传统方法在制造此类结构时需要用到焊接。

图片来源：Uniform Wares

表链是由Uniform Wares 和增材制造设计企业Betatype 合作进行的，制造设备为雷尼绍AM250 粉末床激光熔融设备。

Betatype 在设计和制造时采用的思路是使用尽可能少的材料实现表链的功能，经过手工整理后，最后的表带非常坚固，但是重量比传统制造的米兰网眼表链轻得多，重量只有10.5克（0.37盎司）。

 3D科学谷Review

粉末床熔融3D打印技术为设计提供了自由度， 有了这种自由，产品性能的潜力就超出了我们之前所知的水平。不过，通过3D打印技术去进行产品设计创新并非易事，这需要企业培养增材制造设计思维，培养基于3D打印技术的创造能力。

虽然相比已经得到大规模应用的传统制造技术来说3D打印并不成熟，但是这一技术已具备生产零部件的能力。应用3D打印技术进行生产，很重要的第一步是理解3D打印是不是适合目标产品和要求的技术，通过3D打印制造的产品是否在其整个生命周期内具有附加值。

根据3D科学谷的市场观察，Betatype 此前与航空航天、汽车等多个制造领域的企业用户共同开发了一些工业应用案例，他们利用粉末床激光熔融设备制造功能集成、点阵轻量化等尤其适合通过3D打印技术进行制造的结构。

图片来源：Betatype

比如说在航空航天领域，赛峰曾开发了3D打印电机外壳，电机外壳的设计得到优化，具有更高的强度和更高的刚度。赛峰这款3D打印发电机外壳，从过去由几个复杂加工零件组成的部件转变为一个功能集成的部件，因此整体零件数量和制造时间得以减少。3D打印电机外壳设计时应用了Betatype的Engine-Platform软件，将激光扫描路径和曝光设置控制到夹层结构设计的每个元素。

汽车零部件制造企业与Betatype 探索通过粉末床熔融技术进行汽车LED 大灯散热器量产的可行性。这款3D打印散热器的采用了功能集成化设计，并设计了内置支撑功能，完成后的打印件通过手工的方式即可从基板中分离。Betatype 通过智能化的设计技术减少热应力，将热变形最小化，在一次打印中同时生产的多个散热器以堆叠的方式进行摆放，从而实现生产量的最大化。

图片来源：Betatype

Betatype 还针对粉末床激光熔融技术开发了激光路径生成技术，以降低模型的复杂性并简化设计过程。以薄壁结构这种复杂的设计特征为例， Betatype利用其技术可以更经济快速的制造复杂薄壁结构。上图为Betatype在雷尼绍 AM250设备中制造的复合气体歧管，该零件具有250um 的壁厚，打印材料为5级钛合金。

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许多现有的地下矿井已接近极限开采深度，因此目前的钻探方法很难再保证各项成本的可控性。新的矿床埋藏更深，产量也较低。种种因素叠加在一起，要求采矿企业必须实现矿产资源的合理规划和规模开采，因此采用更加高效、精准的钻探方法成为了必然的选择。

 背景
Wassara是来自瑞典的一家矿业设备公司，拥有许多创新产品，这些产品能够在开采矿石的同时最大限度地减少对环境的负面影响。Wassara的核心技术是使用高压水射流驱动的潜孔 (DTH) 锤。Wassara的液动潜孔锤是目前最环保的冲击钻探方法。潜孔锤由高压水射流驱动，不使用油脂进行润滑，因此不会污染空气或地下水，此外，高压水还可有效抑制粉尘。水的不可压缩性是Wassara潜孔锤高效工作的关键因素。与相对传统的气动潜孔锤技术相比，Wassara的技术可节省大量的能源成本，因为驱动液动潜孔锤所需的能量更少。

由于高压水能够驱动冲锤产生高频、高能量冲击运动，因此被Wassara选作传动媒介。此外，当水流离开锤体时，其速度足以将钻探出的岩心和碎屑带回地面，并清洁钻孔。此项技术具有许多绝佳优点，例如钻进效率高、钻孔质量佳，并且对钻探岩层的护壁能力强。液驱潜孔锤技术的加入，使得矿山企业在选择最适合矿体特性的开采方式时有了更多选择，它被视为是向科学开采迈进的一大步。

 挑战

每部潜孔锤都由众多复杂的部件组成。潜孔锤的核心部件是为活塞组件提供双向高压水导流的滑动外壳，该外壳内部要求具有多条高压水流动孔道；由于设计的复杂性，必须将多个加工好的零件接合在一起，才可制作出完整的外壳。复杂的设计也使得该部件的造价较为昂贵。此外，接合工艺过程中频繁产生的不合格产品，以及使用阶段由于部件磨损或斑蚀而导致的设备故障（这将增加维修成本），这些都使得潜孔锤的整体拥有成本进一步上升。

 解决方案
为了降低成本并提高滑动外壳部件的可靠性，Wassara找到了雷尼绍，希望了解增材制造 (AM) 技术是否能够成为一种合适的替代制造方案。金属增材制造的显著优点之一，便是能够将原本分散的零件组合成一个复杂的3D几何结构，而且还可简化加工步骤，例如，在加工一端需要盲塞或焊接的跨孔时，增材制造便可发挥优势。当增材方式制造的部件与传统方式制造的部件在设计上没有过大差异时，便可在相同的应用环境中对二者进行测试，其结果可作为验证金属增材组件可用性的理想依据。在标准测试条件下对两类部件的性能进行详细对比，如果结果中出现任何显著差异，即可直接归因于制造技术的变化。Wassara滑动外壳的几何结构经过了重新设计，集成了增材制造在设计自由度方面的优势。

采用金属增材制造方案需要克服的下一个难题是针对特定应用采用合适的金属合金。在本案例中，该部件原来使用的是标准合金钢527M20，这是一种合金结构钢，由于碳含量中等，通常不会用于金属增材制造。更适合增材制造的合金钢为316L不锈钢，然而，虽然这种合金钢的耐腐蚀性能较好，但预计在使用期间仍无法保证足够的耐磨蚀和耐侵蚀性能。

雷尼绍提出的另一种备选方案是使用马氏体时效合金钢生产测试部件。马氏体时效钢是一种时效硬化工具钢，用途极为广泛；可对其进行热处理，通过调节工艺温度可获得适合特定应用要求的材料特性。

这是该类型钢在矿山开采领域的第一次测试和应用，因此在滑动外壳加工完成后对其进行了热处理，以确保达到最大硬度。

 结果
为了测试增材滑动外壳的性能，Wassara将其组装到完整的潜孔锤上，在标准采掘条件下测试使用，即在选定岩面上钻凿典型的长通道孔。随后对潜孔锤进行常规目视检查和维护，与传统外壳相比，增材制造的滑动外壳并未出现任何斑蚀迹象，并且磨损程度很小。接着又重新组装潜孔锤，并继续进行更多的钻凿作业。

完成上述作业后，Wassara对增材制造的滑动外壳进行了第二次检查，发现确实出现了一些磨损迹象，但除此之外，部件表面并没有出现斑蚀（这是导致设备故障的第二大常见原因）。随后Wassara又进行了第三次钻凿测试，这次的持续时间远远超出正常的潜孔锤工作周期，以期尽可能确定是否会出现斑蚀迹象，但实际上仍未出现任何斑蚀情况。由此得出的初步结论是，与采用标准合金钢制造的传统滑动外壳相比，采用马氏体时效钢制造的增材部件具有卓越的潜在耐斑蚀性能。

文章来源：雷尼绍

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但是多激光器在同时工作时会不会互相影响呢？激光之间的相互作用又对金属3D打印零件的质量产生什么影响呢？雷尼绍公司通过其四激光器金属3D打印设备 RenAM 500Q 对多激光器之间的相互作用，以及如何合理规划多激光器设备的激光策略进行了研究，从中可以得到一些启示。

在9月28日，3D科学谷已分享了该研究的上半部分内容。本期，3D科学谷将分享该研究的下半部分内容。 

 熔池分析

研究人员也可以观察到不一致熔化行为的证据。 在可见和红外波长下的实时熔池监测表明，在处于不利的下风向位置的激光熔融过程中，熔池活力和一致性会发生可测量的变化。 较短的可见波长表明强度的变化增加 ，而较长波长的红外数据表明下风向熔池发出的热量较少。

图片来源：Renishaw

 上图为通过Renishaw 过程中质量控制软件InfiniAM监控的熔池数据，显示了在两个不同光谱带中的下风向样品和上风向样件的光谱熔池数据。

 上风向激光器数量的影响

研究表明，上风向激光器的数量是决定下风向激光熔化质量损失的关键因素。研究人员将两个激光器的3D打印样件拉伸试验结果与四个激光器的结果进行了对比，发现上风向单个激光器的过程排放量减少，因此预计对下风向激光器的影响会有所减少。

图片来源：Renishaw

该试验中下风向激光器打印的样件的表面比先前测试的样件更为光滑，并且表现出更接近基线条件的拉伸性质。 处于下风向的样件延展性仍受影响，但这些不足以将强度显著降低。

图片来源：Renishaw

在两个激光器的3D打印试验中，研究人员仍然观察到下风向样件断裂表面存在一些缺陷，但是相比四个激光器试验中的下风向样件，其缺陷数量要少得多，在同样的直径范围内，该试验结果是10个缺陷，而之前的试验中观察到的缺陷数量为100个。与四激光器试验样件相比，缺陷的尺寸也小得多，在本试验中缺陷尺寸小于等于150微米，之前试验中尺寸近500微米。

图片来源：Renishaw

 由于两个激光器的3D打印的试验中，下风向激光器仍会受到影响，因此仍应避免两个熔池之间距离过大，但是在两个激光器的情况下，熔池距离增加到100毫米。

  打印层厚的影响

通常如果每个打印层的厚度较大，就需要使用较高功率的激光，进行更高的能量输入，这将导致较大的熔池，也可能产生更多的飞溅。此外，较高的激光功率会产生更强烈的激光光斑，从而产生更强烈的蒸汽羽流和更多的冷凝物。如果从这一点上来推测，层厚较大时下风向打印样件将受到更严重的影响。

然而，研究人员通过测试发现，厚度差别所产生的影响很小。在测试时，研究人员分别采用了30微米和60微米两种层厚来打印 Inconel-718 样件，但是两种不同层后的经过热处理的Inconel-718样件得到的测试结果非常相似（如下图所示）。

图片来源：Renishaw

 可以看出，两种不同层厚样件的机械性能退化与熔池距离之间的关系非常接近。虽然其中每个数据点存在一些细节差异，一旦考虑了交互过程的随机性质，这些结果基本相同。

 哪种因素影响最大？

在上述研究中，研究人员探讨了影响下风向熔化质量的三个因素，即：去聚焦、遮蔽和飞溅掺入。 前两个因素通过空气传播的颗粒干扰下风向激光束，而第三个因素发生在粉末床表面。 那么，在这三个因素中，哪一个对下风向熔化质量的影响最大呢？

为此，研究人员使用新的激光扫描策略进行了测试。在新测试中，激光器进行列阵列扫描，首先熔化最上风向的样件，然后熔化处于下风向的样件。这意味着下风向样件不再受到前两个因素的影响，但是仍然会受到第三个因素的影响。

 图片来源：Renishaw

在上图中，最上方两条曲线下风向打印样件分别在3个上风向激光器和1个上风向激光器空气传播因素影响下的测试结果，最下方曲线为下风向打印样件仅在表面飞溅因素（upwind then dowwind）影响下的测试结果。

在该试验中，下风向样件显示出拉伸性能的降低非常小，并且它们的表面粗糙度也几乎不受影响。上风向产生的碎片对熔化性能的影响很小。研究人员认为，这些结果也表明多激光之间相互发生作用的主要因素是去聚焦、遮蔽这样的空气传播因素。

研究人员提示，该试验是基于雷尼绍的多激光器3D打印设备RenAM 500Q 中进行的，不同的多激光器3D打印设备所发生的激光相互作用结果也将有所差异。

 多激光器3D打印策略

通过上述研究，研究人员已经找到了多激光器3D打印设备中影响打印样件质量的因素，那么，应该如何将这些知识应用于多激光器设备的3D打印中呢？

-用多激光器设备批量生产多个零件

当零件阵列尺寸等于或大于激光器数量时，可以选择为每个零件分配一个激光，并以“列”的方式进行打印，激光器向上风向移动。

-用多激光器设备生产单个大型零件

可以尝试为每个激光器分配部件的水平区域来完全避免下风向处理，但这种方式的不足之处是，将在零件表面上有见证标记，并在区域边界处零件经过重新熔化。此外，采用这种激光策略时不太可能平等地使用所有的激光器，除非打印部件具有非常规则的形状。

更好的策略是使用符合熔池距离规则的策略，在整个部件中使用所有四个激光器。这种方法确保所有四个激光器保持工作的时间大约相同，从而最小化每个层的加工时间。使用单个激光来处理每个边界扫描是有意义的，这样将避免表面不连续。激光器保持彼此靠近，与下风向熔池之间的距离保持最小。

 总结

多激光器3D打印技术具有更高的生产效率，然而多个激光器之间会产生相互作用，这种相互作用与它们之间的距离相关，并且在某些情况下，这种相互作用会对3D打印的部件质量产生不利影响。了解发生相互作用的机制则有助于合理规划多激光器3D打印设备的激光策略，以高效灵活的方式构建3D打印零件。

文章内容来源：雷尼绍全球方案中心总监 Marc Saunders

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但是多激光器在同时工作时会不会互相影响呢？激光之间的相互作用又对金属3D打印零件的质量产生什么影响呢？雷尼绍公司通过其四激光器金属3D打印设备 RenAM 500Q 对多激光器之间的相互作用，以及如何合理规划多激光器设备的激光策略进行了研究，从中可以得到一些启示。本期，3D科学谷将分享该研究的上半部分内容。

 多激光器配置

在研究中，研究人员考虑了激光器和惰性气体流之间的关系，以及一种激光器在特定情况下如何影响另一种激光器，继而可能导致材料性能下降的问题。

不同金属粉末材料所产生的飞溅会因尺寸、形状和数量的不同而存在显著差异，当然，多激光器设备在加工时会产生更多的飞溅，这使得有效的激光管理变得更加重要。

在多激光器3D打印设备种，当多个激光器在比较近的距离内工作时，一个激光器发射激光将影响到另一个激光器，这取决于它们在惰性气体流中所处的相对位置。当一个激光器处于另一个激光器的下风向时，其激光束会受到上风向激光熔融的影响。

多激光分区和气流配置举例，图片来源：Renishaw

 Renishaw 曾对第一代多激光器设备如何通过分区并结合线性或发散惰性气流来避免产生以上现象。然而这种方法存在几个缺点：

-非对称构建导致生产率降低，这是因为在这种模式下，每个激光器具有不同的工作量，因此其中一部分激光器需要闲置等待其他激光器完成任务。

-独立的光学系统可能难以对准，并且可能遭受相对于彼此的热漂移，当在较大的部件上工作时，会导致重叠区域中的不连续性。

-不同的气流导致整个构建板上的熔化条件发生变化，特别是在中心区域。

而新一代多激光器3D打印设备（如雷尼绍的4激光器打印设备RenAM 500Q）具有完全激光重叠，因此每个激光器都可以处理整个构建板。这样就可以在每个打印层中高效利用到4个激光器，最大限度的缩短构建时间，这种设备还可以通过单个激光器对大型零件进行边界扫描，从而消除表面的不连续性。单个温度控制的振镜可防止激光器相对位置的热漂移。均匀的气体流动状态确保了构建板所有区域中的恒定条件。

 多激光器相互作用研究

虽然这种采用激光完全重叠机制的多激光器设备有一定的优势，但这类技术仍存在着激光器之间互“不接受”的风险。激光在惰性气体气流中的相对位置是非常重要的，但是在打印构建准备期间将任务分配给激光器时，可以对此进行控制。

图片来源：Renishaw

研究人员通过创建一系列3D打印圆柱体以及垂直拉伸试验对多激光器之间的相互作用进行了研究。在研究过程中，研究人员同时使用了4个激光器，并选择了一个4 x 4 阵列来探索各种激光器分配选项，样件采用的打印材料为 Inconel-625。

 激光分配选择的影响

在单激光机器3D打印设备中，通常是在惰性气体流的下风向开始进行粉末材料的熔化，然后逐渐向上风向移动，这样做是为了最大限度地减少在同一打印层中遇到由激光器产生的飞溅的机会。在使用多个激光器3D打印设备时，仍可以使用这种策略。在试验中所使用的RenAM 500Q 3D打印设备中，这意味着激光从左到右进行处理。

图片来源：Renishaw

在进行圆柱体样件3D打印时，其中一种激光扫描策略是，4个激光器同时对左边第1列（如上图：1，5，9，13）中的中的4个样品起作用，然后移动到下一个色谱柱，直到每个层完成。这种激光分配选择意味着每个激光器都在“清洁空气”中处理，没有受到其他激光的影响。

图片来源：Renishaw

相反，如果在加工圆柱体样件时采用行阵列的策略，如上图所示，激光器1 始终处于其他激光的下风向，激光器4始终处于其他3个激光的上风向，激光器2和3则既处于上风向也处于下风向。

还有一种激光扫描策略是，同时使用4个激光器构建每个圆柱体样件。如果使用条纹影线策略，可以将所有四个激光器组合在一起构建每个部件。

研究人员总结了以上三种激光扫描策略制造出的样件的拉伸试验结果，分析了每种策略下得到的16个样件的应力-应变曲线，还包括平均断裂伸长率（在拉伸试验机上的载荷下测量）以及方差系数（CoV），标准偏差的比率。

这些数据表明使用同样一台设备，在特定情况下可能制造出质量差的零件。处在其他三个激光器下风向的加工会导致零件延展性损失，这在某些情况下足以降低材料的极限拉伸强度。我们也许会直观的认为几个激光器之间距离小是一件不好的事情，而使熔池之间保持更远距离将产生较好的结果。然而事实并非如此，研究人员认为使熔池紧密结合是更好的加工策略，如果每个激光器可以处理整个构建板，那么这将为人们提供灵活应用多激光器的机会。

 熔池之间的距离

为了研究激光熔融金属的质量与熔池距离之间的关系，研究人员进行一种下风向激光与上风向激光具有不距离的打印构建试验。他们将三列样件放置在粉末床的上风向（右侧），并将第四列样件放置下风向（左侧）。

图片来源：Renishaw

从上图中可以看出，处于最左边的一列样件，每一行与上风向样件之间的距离都不同。研究人员以行阵列的方式构建这些样件。当然，这个激光策略并非是构建高质量零件的方式，采用此策略的目的仅是用于研究测试。

在此情况下，研究人员使用热处理的Inconel-718 材料来说明这些效果，并补充其他几种材料的信息。

 延展性

与之前试验中看的结果相似，处于下风向的样件延展性降低，而且它们的断裂伸长率变化更大。而处于右侧的样件，拉伸性能得到改善，并变得越来越一致：

图片来源：Renishaw

通过对处于不同列中的样件进行比对，可以看到与熔池距离之间的关系。下图显示出断裂伸长率的减少，这是因为研究人员在一系列材料中增加了下风向样件与上风向样件之间的距离。

 图片来源：Renishaw

注意，所有这些值都是在负载下评估的，在拉伸试验机上测量。

同样，当进一步向下风向移动时，研究人员发现大多数材料的极限抗拉强度（UTS）下降，唯一的例外是Ti6Al4V。

图片来源：Renishaw

 机械性能和下风向距离之间的关系在不同材料之间略有不同，这是由于它们的飞溅产生和拉伸行为是不同的。但是可以看到，越往下风向，对材料特性的影响就越大。在上述试验中，如果熔池距离保持在60毫米左右，则影响很小，但是在较大激光分离的情况下，退化明显增加。由此可以看到，最好是使熔池距离近一些。

 熔化行为的变化，激光互动机制

那么，导致下风向样件机械性能和熔化质量下降的根本原因是什么？ 下风向激光如何受到上风向相邻激光的影响？

有三种可能的互动机制：

-通过空气中的冷凝物削弱聚焦 – 导致激光点强度降低

图片来源：Renishaw

 -空气飞溅和冷凝物的阻塞 – 阻碍全部激光能量到达粉末床

 图片来源：Renishaw

 -组件中加入了飞溅物 – 粉末床中存在的大颗粒使粉末免受激光能量的影响

图片来源：Renishaw

这些三种互动机制是相互影响的，激光能量强度的损失导致熔化过程的激烈程度下降，进而使飞溅以较低的速度出现，从而落在更接近熔池的地方，增加飞溅物随后掺入组件中的可能性。

 表面粗糙度和熔化缺陷

下风向样件的较弱机械性能是由熔化行为变化引起的。研究人员在预加工样件的表面粗糙度中看到了有关证据，这与拉伸强度的损失（如下图所示）和延展性密切相关。在表面可以看出材料质量的降低，这是下方向激光器出现散焦的证明。表面粗糙度可以作为不利激光相互作用的指标。

图片来源：Renishaw

上图是28个经过热处理的Inconel-718拉伸试样的表面粗糙度和极限抗拉强度图。 表面粗糙度是机械性能的良好指标。

当观察拉伸断裂表面时，可以看到固化材料在其最薄弱点处的质量。 对于处在最下风向的样件，研究人员在断裂表面观察到许多缺陷，表面光滑证明层间缺乏熔合。 由于在这些熔体缺陷处裂缝表面的加速聚结，因此发生过早失效，在周围材料上施加更多应力并降低试样的强度。

图片来源：Renishaw

上图为热处理 下风向Inconel-718样件拉伸样品的断裂表面SEM图像。平滑缺陷区域与构成大部分断裂表面的粗糙延性断裂区域形成对比。下层的熔体轨迹的上表面清晰可见，表明在这些缺陷区域中没有熔合。

图片来源：Renishaw

在这个极端的例子中，在6毫米规格直径上分布有大约100个缺乏熔合缺陷。同时，上风向样件没有明显的缺乏熔合缺陷，并呈现出典型的“杯形和锥形”延性断裂面（如上图所示）。

以上为多激光器3D打印研究的上半部分内容，关于熔池分析、上风向激光器数量、打印层厚等因素对打印质量产生的影响，以及如何规划多激光器设备的激光策略等内容，3D科学谷将在“如何通过多激光器3D打印技术构建高完整性的金属零件（下）？” 一文中进行分享。

文章内容来源：雷尼绍全球方案中心总监 Marc Saunders

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