迄今为止，激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术 和后热处理过程中微观结构不均匀性的演变尚未得到系统的量化和研究。 一方面，需要了解激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造技术诱导的液-固以及固-固相变及其对低合金钢微观结构不均匀性形成的影响。 另一方面，L-PBF 固有的独特热分布引入了在竣工状态下获得 L-PBF 特定微观结构的可能性。为了积极利用这种可能性，对潜在相变的深刻理解至关重要。

亚琛工业大学在MatAM 项目（汽车行业增材制造高性能材料设计）的框架内完成的一项研究《Evolution of microstructural heterogeneities in additively manufactured low-alloy steel》探究了 L-PBF 固有特性和后热处理对双相低合金 (DPLA) 钢潜在液-固和固-固相变以及相关微观结构演变的作用。 多尺度微观结构表征与多相场模拟相结合，以获得对相变机制和由此产生的微观结构异质性的基本见解。 此外，还批判性地讨论了 L-PBF 引起的成分和形态异质性对热处理状态微观结构演变和相应拉伸性能的影响。

不锈钢© 3D科学谷白皮书

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004724?ref=cra_js_challenge&fr=RR-1

为了实现汽车轻量化，高强度钢大量应用于汽车车身、底盘、悬架和转向零件上。其中，双相钢是以相变为基础的新型高强度钢，在微观组织上，双相钢是以较软的铁素体加硬相马氏体所构成。在力学性能上，同时具有高的强度和加工硬化指数、低屈强比的特点。双相钢能满足汽车多种结构件的使用，包括用作车身结构件-为结构复杂的冲压件以及非车身结构件-主要包括悬挂件、底盘和车轮等。

《洞悉双相钢3D打印对汽车增材制造的意义》

 微观演变的见解

了解低合金多相钢增材制造 (AM) 过程中复杂的相变是发现形成增材制造特有的异质微观结构的机制的必要任务。在亚琛工业大学的研究中，通过激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术加工DP600双相钢，以获得关于增材制造期间和增材制造后热处理期间低合金钢微观结构演变的见解。

探索增材制造和增材制造后热处理过程中低合金多相钢微观结构不均匀性的影响和演变，研究人员采用激光粉末床熔融 (L-PBF) 技术加工了 DP600 双相 (DP) 钢。采用两种不同的 L-PBF 后热处理，即奥氏体化后等温保持 (AIH) 和临界间退火 (IC)，以诱导铁素体 – 马氏体双相微观结构。

尽管几何方面和部件设计的控制已达到某种成熟度，但明显受益于激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造工艺的局部热加工合金的设计、开发和优化仍然是一项重要任务。在激光粉末床熔融 (L-PBF)金属3D打印过程中，合金经历了熔化-凝固相关的独特热循环，并伴随着非常高的冷却速率和温度梯度。这些条件导致复杂的液-固和固-固相变。因此，热分布的空间变化促进了局部变化的微观结构的形成，激光粉末床熔融 (L-PBF) 增材制造过程中形成的微观结构异质性通常包括具有明显织构的柱状晶粒、异质晶粒尺寸和形态、成分异质性、位错亚结构、微米和纳米沉淀物，具体取决于加工参数和合金成分。据报道，这种分层异质结构可能会促进独特的材料特性，而在某些情况下，这些特性是传统工艺的无法实现的对应结构。为了利用 L-PBF 提供的材料设计可能性，需要对异质微观结构的演变及其相关形成机制有充分的了解。

亚琛工业大学的研究人员采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术加工成分与 DP600 双相钢类似的低合金钢。随后，进行两次L-PBF后热处理以获得铁素体-马氏体DP显微组织。第一次热处理包括奥氏体化，然后在铁素体 (α)/奥氏体 (γ) 区域 (AIH) 进行等温保持，而第二次热处理包括在 α/γ 区域进行临界间退火 (IC)。竣工状态表现出回火马氏体微观结构，具有弱（几乎随机）的晶体结构以及成分和形态的不均匀性。

多相场模拟和多尺度微观结构表征相结合表明，竣工状态下成分和形态异质性的形成是由连续的液-固（δ-铁素体（δ）→γ）和固-固（γ ↔）控制的。马氏体 (α΄)) 相变。对于两种 L-PBF 后热处理，L-PBF 期间形成的 Mn 偏析带导致退火后出现不均匀的 α΄ 分布。电子探针分析（EPMA）测量表明，局部Mn和C分布与α和α΄的空间分布密切相关。

图 1. (a) 后热处理策略和 (b) 根据竣工的 120 W 状态（黑色直线）和 DPLA 粉末（黑色虚线）的标称成分计算出的平衡相图。 红色虚线表示C含量。
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图 2. 使用 FE 模型对竣工 120 W 状态进行单轨模拟，构建和扫描方向分别被描述为BD和SD。(a) 模拟设置显示在选定的 L-PBF 条件下凝固过程中的瞬态温度分布和熔池几何形状，(b) 模拟熔池的相应横截面，(c) 横截面中选定节点的时间温度演变 (b)、(d) TLiquidus 和 TSolidus 之间的凝固冷却速率和凝固时间与熔池深度的函数关系，(e) 800 至 500°C 之间的冷却速率和冷却时间与熔池深度的函数关系 。50 μm 代表熔池的底部边界，而 0 μm 则代表熔池的顶部。以 10μm 增量选择节点。
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图 3. 与构建方向平行获得的竣工 120 W 状态的微观结构特征。(a) 光学显微照片和 (b) 大块样品最上层和中间层蚀刻横截面的 SE 显微照片。压痕表示显微硬度测量的位置。橙色虚线表示从（b）中的中间层拍摄的显微照片中先前的熔池边界。
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图 6. 从平行于构建方向的横截面中部获取的竣工和热处理 120 W 样品的 EPMA 结果。
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 结论

研究发现：

- 竣工状态显示出回火马氏体显微组织，具有弱晶体织构、细晶粒和粗晶粒簇以及成分不均匀性。

- 通过多相场模拟和多尺度微观结构表征，该研究揭示了复杂的液-固和固-固相变在形成成分和形态异质性中的作用，从而导致竣工状态下的增材制造特定的微观结构。

- 经过后续的热处理，研究人员发现相变受到增材制造带来的细尺度成分异质性的严重影响，这种异质性局部控制相变动力学并严重影响铁素体和马氏体的空间分布。

- AIH 热处理消除了形态不均匀性，即粗晶粒和细晶粒团簇，并产生均匀的晶粒形态分布。

- 然而，IC 热处理保留了 L-PBF 过程中形成的粗晶粒和细晶粒簇。因此，IC 热处理导致铁素体和马氏体分布在 L-PBF 后建立的独特晶粒形态分布内，从而获得最佳的机械性能——高拉伸强度 (890.9 MPa) 和相对较高的延展性 (20.5%)。

论文 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004724?ref=cra_js_challenge&fr=RR-1

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3D打印绕组
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根据3D科学谷，在电机中，导电材料用于以最小的焦耳热维持电机内的电流。这些损耗主要发生在电机电磁铁循环通电的定子绕组内。与焦耳损耗相关的主要本征材料特性是电导率或其倒数 – 材料电阻率。对用于电机导体制造的 AM 增材制造方法的兴趣是双重的：首先，AM增材制造有助于以具有成本效益的方式制造新型高性能绕组轮廓，其次，它能够将机电组件集成到多材料组件中。

电机组成
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 灵活性与稳定性

鉴于对电力驱动器发夹定子的需求不断增加，需要经济有效的方法和方法，在满足汽车对高过程稳定性的要求的同时考虑灵活可扩展的工艺需求。现有的发夹制造方法通常基于高度受限的产品设计以及冗余且成本密集的生产系统。因此，HaPiPro2的研究目标是设计和测试发夹定子的制造、生产和工艺设计，该设计在灵活性和工艺稳定性方面进行了优化。将通过灵活且工艺稳定的发夹定子示范生产来衡量从线材成型到二次绝缘的所有步骤。从而能够从整体上观察整个制造过程，以确定交叉生产技术对过程控制的依赖性——例如不同线厚对激光接触的影响。

根据3D科学谷的了解，到2024年2月底HaPiPro2项目结束时，研究团队将开发出创新且灵活的发夹产品工艺概念，并在单个工艺和整体工艺水平上进行测试；并将开发的工艺快速集成到工艺链中以实现高速创新；还将通过高度的数字化以识别产品特性和工艺参数之间的相互依赖性，从而提高发夹定子生产的工艺灵活性和工艺稳定性。

通过亚琛工业大学“电动汽车零部件生产工程”（PEM）系与福特在科隆的福特工厂合作的1,000 平方米的电动机研究场地，“HaPiPro2”项目中的众多知名工业合作伙伴一起对电动机的生产进行研究，通过科隆的福特工厂内的一条原型演示线，对电动机组件的不同变体进行性能和效率测试，这些测试数据对于延伸到生产领域的应用至关重要，最终推动福特德国的生产基地发展。

 可扩展的生产工艺

根据3D科学谷《导电材料的增材制造及全篇总结 l 3D打印+拓扑优化=下一代电机》一文，电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。

全球车辆的持续电气化导致电力牵引驱动器（e-drive）在汽车行业中的重要性日益增加。未来，几乎每辆道路车辆都预计将至少配备一台电动机——无论它们是纯电池驱动的汽车、燃料电池汽车、轻度混合动力汽车还是插电式混合动力汽车。

新能源汽车所应用的驱动电机类型以交流异步电机与永磁同步电机为主。其中，日韩车系多采用永磁同步电机，欧美车系则多采用交流异步电机。而永磁同步电机借助其功率密度高、能耗低、体积小、重量轻等优势，已成为中国新能源汽车中最广泛应用的驱动电机。据中国工信部数据显示，截至2019年6月，中国国内驱动电机装机量达到65万台，其中永磁同步电机占据市场份额的99%。

永磁同步电机主要由定子、转子与绕组、端盖等机械结构组成。其中，定子与转子铁芯的质量与性能直接决定了驱动电机的能效及稳定性等关键指标，价值占比分别达到永磁同步电机总价值的19%与11%。

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永磁同步电机驱动创新的一个关键领域是使用发夹设计的定子生产。与传统的绕线技术相比，在发夹技术中，电动机的铜绕组采用插入式线圈设计，由实心电导体构成。为此，铜线首先被三维弯曲成U形，然后通过各种组装、成型操作完成，形成电气闭合的“绕组”。其中， “发夹”这个名称源于铜导体的发夹形几何形状。

根据公开资料，扁线电机是新能源汽车驱动电机下一阶段的大势所趋，其战略意义不言而喻，其中，国内已出现生产扁线电机的风潮，扁线代表企业包括精达股份、长城科技、金杯电工、冠城大通等。预计未来五年中国新能源汽车驱动电机行业市场规模将保持稳定增长态势，到2024年有望突破150.8亿元人民币，年均复合增长率达到6.5%。

 挑战与机遇

让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。根据3D科学谷的了解，目前主要有四种途径加工铜金属，一种是PBF金属3D打印技术类别中的EBM电子束熔化金属3D打印技术；一种是PBF金属3D打印技术类别中的L-PBF激光选区熔化金属3D打印；一种是BJ粘结剂喷射金属3D打印；第四种是FDM挤出式3D打印，不过根据3D科学谷的市场研究，当前FDM挤出式3D打印铜合金的电导率还不足以满足电机的应用。在这方面，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。

根据3D科学谷的市场研究，针对铜对激光的反射特点，克服粉末床激光铜增材制造挑战的思路是调整激光波长。较大的波长会降低激光吸收率，而随着较短的激光波长而增加。波长约为 520 nm 的绿色和蓝色激光将激光吸收率提高到 40%

通过电子束熔化（Cu 吸收大约80% 的能量）或绿色和蓝色激光熔化（Cu吸收高于40%的能量），可以实现更有效的金属粉末熔化。值得注意的是，铜是出色的电导体通常也是出色的热导体，这会带来额外的3D打印挑战。在 PBF 金属粉末熔化3D打印工艺中，这会导致热能从熔池中快速传导出来，从而导致局部热梯度很高，可能导致分层、变形和零件故障。

3D打印的铜金属相对密度和电导率之间大致呈线性关系——范围从~50-60% IACS（相对密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根据3D科学谷的了解，目前通过电子束EBM金属3D打印可获得高达102% IACS的电导率，通过绿色激光的选区金属熔化金属3D打印 L-PBF 技术可获得高达98.6%的电导率。

此外，使用高功率 2000W（1070 nm 激光）L-PBF 3D打印系统打印的 Cu-Cr合金表现出接近等效的 98% IACS 电导率。

3D打印带来的创新潜力在于基于装配的发夹定子设计，通过增材制造可以实现更紧凑、更强大的驱动以及适合大批量生产的更经济的生产工艺。

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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数字化、网络化和可持续发展等主题在亚琛增材制造中心的研发工作中发挥着重要作用。3D打印带来的数字化让人类第一次真正能够产生真正的经济净收益的门槛：通过将客户行为与生产者行为同步。以需求为导向，从生产过剩转向需求驱动的生产。ACAM亚琛增材制造中心看到了3D打印带来的通过个性化、功能为导向的产品、灵活的流程来减少当前人类浪费资源的方式。2023年8月29至31日深圳Formnext+PM South China展会期间的discover3Dprinting 3D打印发现之旅论坛，ACAM将携手ACAM U-LINK在中国的合作伙伴：上海交通大学特种材料研究所，上海科技大学智造系统工程中心，为复杂的增材制造导航!

2023年8月30日即将开启发现3D打印之旅-Discover 3D Printing之3D打印中的精益研发与制造，您准备好了吗？

论坛日期：8月30日

论坛时间：10:00-12:00 AM

论坛地点：深圳国际会展中心6号馆

会议日程及嘉宾介绍

大会主持

Kitty Wang

ACAM中国代表人

德国亚琛增材制造中心

负责ACAM亚琛增材制造中心中国的发展战略、公司文化以及运营发展。数学专业，曾与中国汽车工程学会合作出版发行了《3D打印与汽车行业技术发展报告》，与工业和信息部工业文化发展中心合作出版了《3D打印与工业制造》。2014年还与合作伙伴创立了3D科学谷，在此之前，曾经在山特维克Sandvik、雪佛龙石油Chevron、德马吉森精机DMG MORI工作。

演讲主题

介绍ACAM和Discover 3D Printing的主旨

ACAM为复杂的增材制造导航

嘉宾介绍

Jan Marvin Schaefer

ACAM亚洲项目主管

德国亚琛增材制造中心

Jan Marvin Schaefer毕业于亚琛工业大学，获得硕士学位，擅长工艺链、增材制造、数字化、自动化、软件开发、人工智能等领域，Jan Marvin Schaefer目前负责ACAM-德国亚琛增材制造中心亚洲业务发展，同时还是亚琛工业大学研究助理和汽车领域的研发顾问。此前曾在Fraunhofer ILT担任助理，曾在宝马集团的增材制造园担任研究工程师，并曾在亚琛工业大学WZL学院担任机床专家。

ACAM增材制造中心以亚琛工业大学所在的亚琛园区为基础，促进行业获得与亚琛工业大学和弗劳恩霍夫 IPT研究所和弗劳恩霍夫ILT研究所相关的领先科研机构的增材制造专业知识。ACAM 涵盖从设计阶段到质量控制的整个流程链，重点关注流程链自动化、定制材料开发、提高生产力和缩短周转时间等面向量产目标的增材制造研发主题。

譬如世界范围内宝马首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中，这其中，ACAM研发联合体成员Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所，亚琛工业大学RWTH DAP数字增材制造学院承担了过程控制、数字孪生和提高质量等任务，还制定行业标准并详细阐述与行业相关的质量特征。

演讲主题

纳米陶瓷铝合金及其增材制造技术

嘉宾介绍

吴一

所长

上海交通大学材料科学与工程学院

特种材料研究所

吴一老师主要从事金属增材制造相关的研究工作，作为项目（课题）第一负责人承担了国家级项目3项，其中科技部国家重点研发计划子课题项目1项，装备部十三五装发预研项目1项，工信部民机预研项目1项，同时作为主要负责人之一承担了科技部国家重点研发计划子课题项目1项；获得省部级技术发明一等奖2次；发表各类学术论文40余篇，作为第一负责人起草国家标准1项，授权发明专利7项。相关研究成果已在航空、航天、国防军工等多项涉及国家战略的重大项目中获得工程试用。

铝合金作为航空航天能高端装备领域用量最大的有色金属，其比强度高，耐蚀性好，结合增材制造技术可满足轻质高强复杂构件的高精度定制化需求。但由于铝合金本身热导率高，激光吸收率低，粉末铺展差，传统牌号铝合金在增材制造过程中易产生裂纹、孔洞等缺陷，成形性较差。目前仅少量体系的铝合金能实现工程化应用。报告人所在团队针对这一问题采用原位自生纳米颗粒实现“材料-增强增韧/工艺-增吸收”的增材制造材料设计新思路，开发了系列增材制造专用用铝合金材料。通过材料和结构综合拓扑优化思路，建立了新型结构设计方法和打印工艺优化策略，突破了铝合金激光增材制造技术及应用瓶颈，相关成果已在我国载人航天器，大飞机、航空发动机叶片等更多个领域通过装机验证。

演讲主题

选区激光熔化增材制造中的介观尺度建模与仿真研究

嘉宾介绍

翟梓融

研究员

上海科技大学

创艺学院智造系统工程中心

翟梓融老师2009年博士毕业于英国约克大学物理专业。加入上海科技大学前，曾就职于ANSYS中国（担任资深工程师）和GE中央研究院（担任高级科学家）。长期致力于金属增材制造工艺开发，工艺仿真，结构优化等领域的研究与开发。

选区激光熔化增材制造是一个复杂的物理冶金过程，期间金属粉末随着激光光束的快速移动经历了快速的熔化和凝固过程，并形成具有超高冷却速率(~106K/s)和温度梯度(~105K/m) 这一独特的温度场。由于传热、传质、流动、相变等复杂的物理化学冶金行为发生在极短时间尺度内（~10us），这就导致必须使用昂贵的原位同步辐射实验手段，才能进行高分辨率的熔池流动行为、传热行为以及微观凝固组织形貌的原位观测。即便如此，仅根据获取到的有限的当前片段信息也难以理解不同工艺组合下诱发熔池动力学特征演变的温度历史演化数据。为了解决这一难题，可通过对选区激光熔化制造中的介观尺度建模与仿真的深入研究，解释整个成形过程中的介观动态物理模型作用下的材料行为，为探究选区激光熔化成形过程的物理机理和构件性能预测提供新的研究思路和手段。

翟梓融老师的演讲中涵盖了上海科技大学创艺学院智造系统工程中心选取镍基沉淀强化型高温合金IN738和近α型钛合金TA15为研究对象，基于Flow3D-FVM的有限体积法，实现了对选区激光熔化增材制造熔池演变的多相流-多场过程的高保真仿真。结合实验结果，探索了不同工艺组合下的单/多层连续扫描单/多道的熔池几何形状、凝固行为、冷却速率和温度梯度，进一步通过Abaqus热固耦合模型，解释了熔池熔化-凝固过程中的热应力演变过程。

扫码报名

时间｜8月30日

地点｜深圳国际会展中心

与ACAM增材制造中心德国专家以及ACAM U-LINK在中国的合作伙伴深入交流，敬请关注2023年8月30日上午10:00-12:00的深圳Formnext+PM South China展会期间的discover3Dprinting 发现3D打印之旅论坛。

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ACAM新闻
© ACAM亚琛增材制造中心

 强大而持久的合作

因此，CASE 成为 U-LINK（大学链接）计划的最新成员，U-LINK旨在在 ACAM 与大学合作伙伴之间建立强大而持久的合作。正如该倡议的名称所暗示的那样，除了 ACAM 与选定大学的合作之外，ACAM U-LINK 还将充当通过此类协议与 ACAM 相连的所有大学合作伙伴之间的交流中心。
（从左至右）翟梓融，上海科技大学CASE研究员;王晓燕，亚琛增材制造中心中国代表；Jan Marvin Schaefer,亚琛增材制造中心业务发展-亚洲；杨锐，上海科技大学CASE主任；武颖娜，上海科技大学CASE副主任；倪娜，上海科技大学CASE副研究员；谢广平，上海科技大学CASE研究员。
© 上海科技大学

ACAM 董事Johannes Henrich Schleifenbaum教授从德国表达了对合作的建立表示由衷祝贺与期待，“上海科技大学向我们展示了年轻、充满活力、勇于创新的中国大学面貌。我们期待共同创造协同效应和创新，并培养下一代创新的科学家、发明家和企业家。”

ACAM U-LINK战略伙伴关系背后的愿景是为双边项目和以应用为导向的成果奠定坚实的基础，这将有助于科学及其工业应用的进步。

上海科技大学智造系统工程中心主任杨锐强调说， “我们很高兴与ACAM（亚琛增材制造中心）建立合作，共同探索增材制造的复杂性。我们的目标是进一步赋能智能制造，同时为中德两国在科学和应用研究领域的友好合作继续做贡献。多年来，亚琛工业大学还为中国培养了许多行业领袖和科学家。ACAM 以亚琛工业大学园区为基础，凭借其世界一流的人才和令人印象深刻的增材制造研究成果，是获得与亚琛工业大学和弗劳恩霍夫IPT 和 ILT 等领先科研机构合作的理想门户。”

上海科技大学创艺学院智造系统工程中心（CASE）
© 上海科技大学

科学研究与企业研发需求之间的联系是中国以及全球许多其他市场的重要话题。成功实现向工业应用平稳过渡的研究是充满挑战的，除了在研究方面不断创新外，在创新实力和转化速度方面必须具有优势。事实上，研发并非是对外隔绝的，企业端对应用研究的深入联合参与，会对创新能力和速度做出重大贡献。

ACAM由亚琛工业大学的科研人员组成，打造增材制造相关研究与工业应用需求之间的桥梁。从这个角度看，这样的生态圈和合作精神在中国的环境中得到发展，并产生所期待的结果，这将是特别值得期待的。

关于合作伙伴：

上海科技大学创艺学院智造系统工程中心（CASE）是上海科技大学研究中心的一部分。CASE开展材料、物理、自动化控制、计算机科学、电子工程、机械工程等跨学科基础研究。CASE专注于自适应3D打印材料、结构设计和过程集成、表面工程、自适应修复、精密检测与自动化、数字化装配等领域。 通过渐进式和变革性的研究和集成应用，CASE旨在构建基于数据、物联网和制造全过程闭环反馈的自适应制造系统，形成高端智能制造技术平台，致力于高端设计制造领域的终端制造突破和创新。

ACAM 增材制造中心以亚琛工业大学所在的亚琛园区为基础，汇集资源并促进行业获得与亚琛工业大学和弗劳恩霍夫 IPT研究所和弗劳恩霍夫ILT研究所相关的领先科研机构的增材制造专业知识。ACAM 涵盖从设计阶段到质量控制的整个流程链，重点关注流程链自动化、定制材料开发、提高生产力和缩短周转时间等面向量产目标的增材制造研发主题。ACAM提供联合研发、双边研发的合作、完善的培训和教育计划，以及使行业成员能够建立业务联系和交流实践的在线平台。

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带点阵晶格结构的颚骨植入物
© 亚琛数字增材制造学院

 促进愈合过程

3D科学谷表示，根据沃尔夫定律，骨骼会重建和自组织其拓扑结构以适应施加在其上的外部负载， 在应力屏蔽的情况下，大部分自然载荷从皮质骨中移除，导致驱动骨形成的机械刺激丧失，导致骨质随时间流失。这因此削弱了种植体支撑并增加了种植体和骨骼界面处微动升高的风险，从而导致种植体无菌松动。植入物松动会导致大腿疼痛，增加假体周围的风险。

根据3D科学谷的市场了解，作为 BioStruct 项目的一部分，位于亚琛的医疗技术创新生态系统正在研究针对患者的植入物的进一步开发。BioStruct项目由联邦教育和研究部（BMBF）资助（资助代码 13GW0404D），目标是开发一种新型 ZnMg 合金用于增材制造具有集成算法的晶格结构的生物可吸收植入物。3D打印的植入物可以被身体吸收并适应患者的个性化需求，从而促进优化的愈合过程。

为此，ACAM亚琛增材制造中心的研发成员DAP RWTH亚琛工业大学数字增材制造学院开发了一种增材制造工艺，用于结合只能使用激光粉末床熔融 (LPBF) 3D打印技术生产的创新点阵晶格结构，生产新型锌镁合金成分的骨科植入物。该项目的成果将被转移到 reACT 联盟，该联盟已经在 2022 年下半年开始了对未来植入物的跨学科研究。

点阵晶格结构
© 亚琛数字增材制造学院

reACT 联盟（“来自亚琛技术区的可吸收医疗解决方案”，资助代码：03RU1U173C）是资助计划“RUBIN – 区域创新创业联盟”的一部分，由德国联邦教育及科技部（BMBF）资助。reACT 联盟包括Meotec，Fibrothelium，3D Systems，亚琛工业大学数字增材生产学院 DAP – RWTH Aachen。

时至今日，所谓的临界尺寸骨缺损构成了一个复杂的医学问题：由于大量缺失的骨量和任何游离骨端之间的距离，这些缺损中的骨骼无法自行愈合。考虑到这一点，BioStruct 联盟的合作伙伴正在开发一种生物可吸收植入物概念，其材料特性和几何设计满足患者友好型骨愈合的复杂要求。

 锌、镁，还是两者兼而有之？

特别是，锌镁合金在可吸收骨植入物领域显示出令人鼓舞的成果。在生物可吸收金属合金的开发背景下，纯锌 (Zn) 的特点是在人体中具有良好的降解性能。然而，其机械强度不足以用作植入物。另一方面，镁 (Mg) 因其类似骨骼的机械性能，已被用作制造植入物的材料，例如在足部手术中。然而，它在特殊应用中在体内降解太快，并且在组织的潮湿环境中会发生气体形成。出于这个原因，研究人员正在研究这些纯金属的不同合金成分，以有效地将两者的特性结合起来用于人体以及 通过LPBF选区激光熔融金属3D打印的可加工性。

 患者特异性植入物的算法设计

LPBF 为植入物的设计提供了全新的设计可能性，以进一步满足患者的特定要求，例如满足应用部位的机械应力和腐蚀行为。ACAM亚琛增材制造中心的研发成员DAP RWTH亚琛工业大学数字增材制造学院开发了创新方法用于点阵晶格结构设计：根据定义的要求，以参数化方式生成各个支柱或点阵晶格单元的几何形状和排列，生成的点阵晶格结构适应骨缺损部位，并为使用 LPBF 选区激光熔融金属3D打印技术进行生产做好准备。在这种情况下，支柱直径是一个重要参数。对晶格结构设计的调整允许植入物被身体吸收时代谢掉降解产物，促进组织向内生长。

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根据3D科学谷，泡沫点阵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，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力学性能的完美平衡。点阵结构比强度和比刚度高，在低密度结构中有较大的力学性能优势。与传统的固体材料相比，金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。与金属泡沫材料相比，金属点阵结构性能上可控制，强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高。

 第一个锌镁合金植入物成功

在研究中，科学家们能够通过在锌中添加少量镁来实现晶粒细化和有针对性的微观结构调整。在从纯锌到 Zn8Mg 合金的不同成分的广泛合金筛选中，镁含量≤ 1 wt-% 的 ZnMg 合金显示出用作骨替代产品的最佳性能。带点阵晶格结构的颚骨植入物的点阵晶格结构的支柱直径为 200 μm。通过 LPBF 制造了额外的结构，用于研究 ZnMg 的生物相容性。未来，这些结构旨在为胶原蛋白或丝心蛋白等材料的渗透形成稳定的框架，从而促使骨骼生长。

通过系统地研究设计、材料和工艺优化，开发的植入物解决方案具有可扩展的产业化基础。下一步，设计过程将得到优化和自动化：为了将与患者和生产相关的要求自动纳入设计过程，DAP RWTH亚琛工业大学数字增材制造学院的科研人员正在开发一个特定于材料和后处理的数据库，以及一个特定于应用程序的数据库。前者包括机械性能、LPBF 设计限制和 LPBF 工艺参数等输入变量。后者包括一个数据库，包含患者的年龄、性别、缺陷大小和骨科几何形状等信息。

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WECODUR®通过将其超高速激光熔覆涂层技术和质量保证集成到领先机床供应商构建的系统中，并支持生产规模化。
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 减轻排放

欧盟委员会现在正在通过欧 7 草案采取合乎逻辑的步骤，以控制除废气之外的另一个更普遍的车辆排放源：轮胎和刹车的微塑料和颗粒物排放。根据3D科学谷《应对即将出台的“欧 7”排放规则，通过3D打印-激光熔覆为制动盘提供硬涂层大幅减少有毒颗粒》一文，停车时固有的摩擦力会导致极小的颗粒从刹车片上脱落。这些颗粒很小，分为 PM10（粗尘）和 PM2.5（细尘），能够深入肺部。

根据欧盟委员会关于运输外部成本的一项研究，通过刹车磨损脱落的重金属也可能最终进入环境，对土壤和水产生负面影响。

根据德国ACAM亚琛增材制造中心Johannes Henrich Schleifenbaum 教授，目前每天都在讨论二氧化碳排放及其对气候变化的影响。确实如此，CO2 对大气具有全球影响——无论它排放到哪里。这意味着需要通过全球响应来应对碳排放。当涉及到颗粒物时，情况就不同了。颗粒物主要具有局部效应，这意味着它对排放源附近的人和环境造成的伤害最大，即十字路口、繁忙的道路或地铁站。这是特别容易吸入颗粒物的地方。

研究表明，摄入这些颗粒会导致呼吸问题、某些形式的癌症的发展，并增加患阿尔茨海默病的风险。

颗粒物是一个严重的问题，欧盟在其解释性声明中写道，欧洲约有 30 万人因颗粒物污染而过早死亡。美国的一项研究显示，2019 年全球有 180 万人因空气污染过早死亡。研究指出，颗粒物含量高的地区冠状病毒死亡率上升。

改用电动汽车将消除尾气排放并减少制动颗粒的脱落，然而，电动汽车不会完全消除非排气颗粒物排放，其中包括来自刹车、轮胎和道路摩擦的颗粒。根据经合组织的一项研究，重量较重的电动汽车（例如电动 SUV）的 PM2.5 排放量可能比内燃机汽车多 3-8%。

研究表明，刹车和轮胎排放的颗粒物将继续对健康构成威胁，甚至在电动汽车革命后可能会增加。而欧盟通过其“欧洲地平线”研发计划为开发减少车辆颗粒物的技术提供了数百万欧元的资助。

 了解制动系统

那么颗粒物在多大程度上是一个问题？是什么让它危害健康并对环境有害？

截至今天，根据车辆的不同，标准化 WLTP 驾驶循环中的乘用车每公里排放 5 至 40 毫克的颗粒物，在此驾驶循环中测量小于 10 μm 的颗粒，称为 PM10。在欧 7 草案中，无论车辆大小，上限都降低到每公里 7 毫克 PM10。不管是小型车还是重型车，颗粒物超标都是不允许的。

颗粒物的来源之一：刹车，如何减少车辆制动系统的排放？

根据德国ACAM亚琛增材制造中心Johannes Henrich Schleifenbaum 教授，刹车是这样工作的：制动动作会在制动盘和制动衬块之间产生磨损，由此产生的磨损是颗粒物。

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当然，车辆不能在没有制动器的情况下四处行驶，因此 70 年来刹车系统一直依赖今天所知道的制动盘。制动盘、制动钳和制动衬块的机械结构看似简单，但实际上，该系统的细节非常复杂。作为对于安全至关重要的组件，它需要经过精确的设计、测试和批准程序。因此，对该系统的进一步开发总是很复杂。

关于刹车盘的讨论

重要的是要了解制动系统，考虑如何创新涉及产生摩擦的两个部分：制动盘和制动片。这两个零件的相互作用和相关的磨损使车辆以惊人的速度减速——正如大多数人已经经历过的那样，制动这个过程同时会产生刹车粉尘。

根据Schleifenbaum 教授，传统的制动盘只是简单地在摩擦表面上附加了一层腐蚀和磨损保护层——例如，由不锈钢和硬质颗粒制成。尽管带涂层的制动盘原理已经上市多年，但由其昂贵且对质量极其敏感的生产工艺，仅用于高端跑车的小众市场。

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 从源头减少微颗粒产生

但现在已经不是这样了，近年来，已经能够将亚琛工业大学和弗劳恩霍夫研究所的创新高速激光熔覆工艺带来的涂层效果应用于制动盘。并从科学实验室走向产业化道路，使其适合大规模生产。亚琛增材制造中心-ACAM所孵化的技术WECODUR®，通过3D打印实现低排放制动器，提高了耐腐蚀性并减轻了重量，由于高速激光熔覆工艺的进一步发展和工业化，制动盘现在可以使用 WECODUR® 技术进行可重复的涂层，这使得在汽车的大规模生产中具有经济可扩展性。

WECODUR®通过将其超高速激光熔覆涂层技术和质量保证集成到领先机床供应商构建的系统中，并支持生产规模化。
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目前正在对 WECODUR® 结果进行测试。根据涂层系统、刹车片和运动质量，可以减少高达 97% 的刹车粉尘。因此，汽车制造商仅通过使用WECODUR®的硬涂层制动盘和合适的制动片就可以满足特定的排放法规。车辆不需要以任何其他方式进行改装。同时，刹车圆盘可以是一种轻型结构，每 100 公里可减少 100 克以上的二氧化碳排放。根据Schleifenbaum 教授，这从根本上解决了问题并从源头上减少了微颗粒排放。

就汽车开发周期而言，欧 7 标准是后天出台的，但是汽车制造商现在必须同时做两件事：一方面，涂层制动盘和制动衬块作为摩擦学系统进行测试和认证，即在不同车辆的基础上相互协调。然而，考虑到批量生产的采购和启动时间，还需要毫不拖延地规划、采购和设置生产技术。因为生产工艺太新，所以必须特别强调保证质量。

与传统的制动盘不同，新的涂层技术不是CNC机械加工过程，而是增材制造过程。这意味着涂层系统的性能不仅取决于所使用的材料，而且在很大程度上取决于这种增材制造工艺。

WECODUR®通过将其超高速激光熔覆涂层技术和质量保证集成到领先机床供应商构建的系统中，并支持生产规模化。根据Schleifenbaum 教授，一方面，生产技术对材料性能的影响已经是一个挑战。这是一个很高的进入壁垒，即使对于成熟的机器供应商也是如此。另一方面，WECODUR® 技术具有高度可重复性，多年来WECODUR®一直致力于此并进行大规模测试。这意味着当涂层系统经过测试和认可后，可以在大规模生产中稳定生产。

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创纪录的金属3D打印：为 EHLA 工艺改装的 CNC设备可以在横向方向上以快速、高度动态和精确的方式移动加工。 带有旋转和倾斜工作台，不仅适用于增材制造，还适用于自由曲面涂层。
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

 亚琛-金属3D打印的摇篮

几十年来，两种激光工艺一直主导着金属部件的打印和涂层。直接工业金属 3D 打印的主导技术是 Fraunhofer ILT 获得专利的基于激光的粉末床熔融 (L-PBF) 工艺。L-PBF工艺通过选区激光熔化材料，将粉末转化为以冶金方式凝固在基础材料上的固体层。通过这种方式，3D打印的零件从粉末床上逐层“生长”出来。

激光材料沉积 (LMD) 也被证明是一种特殊的高效3D打印技术，在 LMD 加工过程中，零部件表面形成局部熔池，通过将金属线材或金属粉末连续引入熔池中，从而在该层和组件基板之间形成冶金结合。

LMD 和 L-PBF 已成为金属增材制造不可或缺的一部分，因为它们具有特定工艺的优势：LMD 因其高生产率而具有吸引力，而 L-PBF 可用于极其精细和复杂组件的 3D 打印。

2012 年，Fraunhofer ILT 弗劳恩霍夫激光技术研究所和 RWTH Aachen 亚琛工业大学DAP 数字增材生产学院凭借超高速激光材料沉积 EHLA 的开发开辟了全新的天地。在获得专利的过程中， 得益于这项创新，工艺速度提高到高达 200 m/min，涂层厚度可以从 500 µm 减少到高达 10 µm。现在每小时最多可以喷涂五平方米。此外，涂层变得更光滑，粗糙度降低到 LMD 激光熔覆金属3D打印典型值的十分之一。在快速可靠地对制动盘、活塞、汽缸和轴承进行涂层方面取得了进一步的成功。

原则上，EHLA 适用于所有旋转对称且可在快速旋转运动系统上加工的物体，但如果可以实现极高的速度同时又保证高精度，则可以适用于更广泛的应用领域。

通过继续改进经过特殊改装的五轴 CNC 系统的工艺工程，在EHLA基础上开发的EHLA 3D系统将最高精度与高进给率结合在一起，用于增材制造全新零件、自由曲面涂层和组件修复，结合了 LMD 激光熔覆金属3D打印的生产效率以及 L-PBF 的结构精度目标。

高动态：EHLA 3D技术的生产效率变化
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

 接近最终轮廓

由于这些特性，难以焊接的材料和多材料组合也可以通过EHLA 3D进行增材制造。该工艺在真正的 3D 打印中显示了其优势。3D科学谷了解到使用 EHLA 3D，可以高效地制造非常接近最终轮廓的零部件。除了所谓的近净成型的优势外，该工艺还可以快速、精确地构建，以及在自由曲面上应用涂层。

快速而精确：EHLA 3D 增材制造的零件为例，实验证明与 LMD 和 L-PBF 相比，可以显着缩短3D打印时间。
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

不仅仅实现自由曲面加工，EHLA 3D 同时实现了几个独特的、与工艺相关的优势：高构建率、极大的灵活性和材料多样性，以及高精度。该技术使业界能够轻松且经济高效地大规模生产复杂的结构，个性化的组件也是可以想象的。

在创纪录的时间内完成复杂形状，目前EHLA 3D技术在 50 m/s² 的加速度和 50 m/min 的进给速度下，距离为 100 mm，效率 M-PDE（与机器相关的粉末沉积效率）约为 80%。在 10 m/s² 的加速度下，M-PDE 约为40%。

 可使用旧粉末

该工艺还具有高效率的特点：例如通过EHLA 3D以超过 2 kg/h 的沉积速率和超过 99.5% 的密度实现3D打印航空航天材料 Inconel 718部件。亚琛研究人员还研究了当他们使用回收金属粉末而不是新金属粉末时，特征值如何变化。在这两种情况下，抗拉强度 Rm 都在 1300 MPa 左右。也就是说在这两种情况下，抗拉强度都与铸造一样好。

其他研究包括通EHLA 3D 工艺开发316L 不锈钢和铝硅合金组件，获得的机械性能也与文献中报道的常规生产样品一致。使用 EHLA 3D 生产的薄壁铝部件目前达到的结构分辨率约为 500 µm。

Fraunhofer ILT及RWTH DAP属于ACAM亚琛增材制造中心研发成员，ACAM 涵盖从设计阶段到质量控制的整个流程链，重点关注流程链自动化、定制材料开发、提高生产力和缩短周转时间等面向量产目标的增材制造研发主题。作为欧洲制造研发高点的亚琛，已经将可持续性发展作为研发目的之一，通过科技让人类世界更美好。

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HylnnoBurn项目
© ACAM亚琛增材制造中心

 目的

虽然许多行业已经通过可再生能源发电实现脱碳，但钢铁生产或蒸汽发电等能源密集型行业对高温热的需求仍然很高。

用可再生生产的氢气部分或完全替代传统化石燃料（例如天然气）是这些行业中避免二氧化碳排放的一项关键技术。氢能燃烧器面临的最大挑战是遵守氮氧化物的排放限制并确保稳定的燃烧控制。3D打印-增材制造可以支持必要的复杂冷却元件设计的实现。

© 3D科学谷白皮书

HyInnoBurn项目展示了减少工业燃气燃烧器二氧化碳排放的技术可行性和潜力，为氢气兼容燃烧器的可用性以及在实现碳中和过程提供了可行性。

 研究方法

HyInnoBurn项目研究成员结合了发电厂技术、蒸汽和燃气轮机研究所的过程分析，专注于开发通用工业燃烧器，以便使用由天然气 (EG) 和氢气组成的混合燃料灵活运行。

© Kueppers Solutions (左) and SMS-group (右)

对当前使用的燃烧器配置的初步调查构成了为 H2 燃烧器系统开发提供合适的数值和几何模型的基础，这些模型代表了不同气体成分的燃烧和排放物形成的现象学。通过燃烧器的模拟和实验分析，实现了燃料气体中灵活的含量氢优化。其中，通过3D打印-增材制造工艺生产燃烧器实现大量优化选项至关重要。

最后，在实际操作条件下的污染物排放、温度和过程稳定性方面展示HyInnoBurn项目的可扩展性和工业适用性。这为开发新型燃烧器系统的工业应用以HyInnoBurn项目的方法和能力应用到其他领域（例如固定式燃气轮机和飞机燃气轮机的燃烧器）奠定了基础。

 资金来源

该项目得到了德国联邦教育和研究部 (BMBF) 为期 3 年的财政支持。联盟成员包括：

RWTH Aachen University Institute for Combustion Technology ITV

RWTH Aachen University Institute of Power Plant Technology, Steam and Gas Turbines IKDG

Kueppers Solutions GmbH

SMS group GmbH

ANSYS Germany GmbH – Berlin

Bayer AG

thyssenkrupp Industrial Solutions

RWTH Aachen University Chair Digital Additive Production DAP

 最新进展

根据3D科学谷的了解，HyInnoBurn项目的最新进展包括现场测试了最近3D 打印的 450 kW 铜燃烧器，该燃烧器灵活地使用天然气和氢气。纯铜作为一种材料确保了高导热性，这有助于燃烧器保持凉爽，同时产生足够的热量。据称，通过该燃烧器，可以很好地看到和听到氢气和天然气火焰的差异。

© ACAM亚琛增材制造中心 / RWTH DAP
© ACAM亚琛增材制造中心 / RWTH DAP

根据3D科学谷，《逐步实现碳中和，洞悉3D打印的再生燃烧器iRecu的设计奥秘》，HyInnoBurn 项目成员之一Kueppers 此前还开发了新型蓄热式燃烧器 iRecu ® 使用数学上复杂的结构作为热交换器：三重周期最小曲面（简称 TPMS），TPMS结构是一种的典型的为增材制造而设计的结构，它们既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比，多被集成在需要进行热交换的3D打印部件中，例如热交换器、散热器。

© 3D科学谷白皮书

由此可以看到，3D打印技术开辟了新的可能性：增材制造的系列部件将为热加工技术的能源转型做出重大贡献。在这方面，借助 3D 打印，可以生产出表面积更大的复杂结构，从而提高整个系统的效率。全新开发的 IntrinSiC© 换热式燃烧器或 IRecu，用于间接加热热处理炉。该产品利用了 3D 打印的所有灵活性。凭借 3D 打印的陀螺结构，它将能源效率最大化到前所未有的水平。

正如欧盟提出的工业5.0将可持续发展作为核心要素，欧盟出台了更严格的法规，最早将于2030年生效，以使工业行业更加环保，并实现最迟到2050年实现碳中和的气候目标。尽管在降低能源消耗方面取得了很大进展，但在可持续性发展上仍有许多工作要做。

而作为欧洲制造研发高点的亚琛，已经将可持续性发展作为研发目的之一，正如3D科学谷《促进循环经济，ACAM亚琛增材制造中心从三个角度看3D打印如何赋能工业生产实现可持续发展》一文所提到的，AM-增材制造工艺不仅有助于降排放，还可以提升燃料经济性，进一步的创造清洁的蓝天。

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Dyndrite支持OVF
© Dyndrite

 自动化进程又进一步

根据ACAM亚琛增材制造中心，通过 OVF 链接数字和物理流程链，由于信息丰富的精简的数据格式，可实现稳健且高效的制造流程。借助这种标准化格式，可以显着减少将数据传输到工厂的手动工作，从而实现增材制造自动化。

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根据3D科学谷《推动3D打印规模化，亚琛工大通过开放虚拟化格式（OVF）为数据“瘦身”》一文，当前金属增材制造下游加工步骤尚未实现自动化，部分原因是要制造的零件的几何形状不同，对自动化带来了极大的挑战, 推动3D打印规模化，亚琛工业大学DAP数字增材制造学院最新的研究结果之一是通过开放虚拟化格式（OVF）解决增材制造过程数据过大的痛点。

为了解决增材制造自动化的挑战，还需要高度尊重增材制造的天然基因：数字化特征，根据3D科学谷的了解，没有数字制造数据，就没有增材制造 (AM) – 因此，高效可靠的数据生成和处理是3D打印生产制造过程的基本先决条件。在激光粉末床熔化 (LPBF) 方面，3D打印制造的零件通过计算机辅助设计 (CAD) 软件设计为 3D 模型，接下来，该模型被转换为组件的二维层数据集合——所谓的切片——作为工厂侧的输入，用于在粉末床中一层一层熔化的层。当前很多企业受到庞大的数据量的挑战。这就是亚琛工业大学DAP数字化增材制造学院开放矢量格式 (OVF) 发挥作用的地方。

根据RWTH Aachen 亚琛工业大学数字增材生产学院数字生产组负责人Moritz Kolter，亚琛工业大学之所以开发 OVF，是因为没有令人满意的 2.5 维数据格式，OVF这种格式既可开放读取，又包含除实际加工路径之外的其他信息。OVF 能够以高性能、可读的方式在切片后处理数据，并且还能够链接其他信息，例如 3D 零件数据。这对于拥有将推动 AM-增采摘奥产业化的完全链接的端到端数据链尤为重要。

通常来说，3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻（STL）格式的网格表示，然后将网格切成一系列平面轮廓，最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是，当切片的三角形数量过多时，三角形的数量会变得非常庞大，处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间，导致无法在计算机上正常运行。当要打印的零件具有高度复杂的内部结构（例如，三重周期性最小表面（TPMS））时，情况就更糟了。由于这些原因，需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。

OVF 在数字和物理过程之间提供了一个简化但信息丰富的数据链接，实现了强大而高效的制造过程，并提供了许多优于现有格式（如 CLI 和 3MF）的优势。

简化数据量，同时增加激光粉末床熔化 (LPBF) 3D打印工艺的制造数据的数据大小：这是亚琛工业大学激光技术和数字增材生产 DAP 学院的科学家们与弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT共同努力的结果。OVF被称为开放矢量格式，除了显着减少数据量外，还实现了零件设计的数据到生产工厂的高效传输。

 什么是开放矢量格式 (OVF)？

OVF 的技术基础是广泛使用的序列化技术 Protocol Buffers（“Protobuf”），处理从复杂结构化数据对象到字节流的信息传输。例如，将信息存储在文件中或通过网络发送数据。使用 Protobuf 代码生成器基础架构可以为数十种编程语言和平台提供广泛的兼容性和支持。

同时，Protobuf 的高性能、所有数据的紧凑二进制存储以及灵活的前向和后向兼容性等优势都得到了充分发挥。此外，可以沿工艺链高效地传输与激光粉末床熔化 LPBF 3D打印工艺相关的元数据，例如制造参数、激光功率和扫描速度。

技术特定数据结构的定义是通过 OVF Github 存储库的开源发布以低门槛的方式完成的。Github 可以极大地促进了工业和研究的访问。Github 存储库针对广泛的兼容性进行了优化，同时可灵活扩展，以便能够映射增材制造的最新数字化发展。广泛的工具组合，例如用于传统格式的转换器，例如将 CLI 转换为 OVF 文件；或完整性检查例程，例如检查轮廓是否闭合；参数是否分配以及图层是否没有间隙，也可以在 Github 上找到。

根据亚琛工业大学，OVF 可用于满足在激光粉末床熔融(LPBF) 3D打印工艺过程中处理 2D 层输出数据的理想格式的多功能要求。此外，该格式还可用于其他基于扫描仪的激光加工应用，例如激光微结构化和抛光应用。

OVF 提供所有数据的紧凑二进制存储，以及灵活的向前和向后兼容性，沿着工艺链有效地传输 LPBF 选区激光熔融3D打印工艺相关的元数据，例如制造参数、激光功率和扫描速度。

OVF 结构非常灵活，可以扩展以支持最新的数字开发，支持 广泛的工具组合，例如将 CLI 转换为 OVF 文件，或完整性检查例程，例如 OVF Github 上提供了检查轮廓是否闭合、参数分配以及图层是否无间隙的检查。

 宝马全自动生产线中的OVF

OVF已经在现实中的3D打印制造环境中获得了应用，譬如世界范围内宝马首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中的IDAM项目。这其中，Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所，亚琛工业大学RWTH DAP数字增材制造学院承担了过程控制、数字孪生和提高质量等任务，还制定行业标准并详细阐述与行业相关的质量特征。

在短短三年内，宝马IDAM项目合作伙伴共同开发了一条能够在计算机控制下自行执行所有工作步骤的生产线。通过这种方式，组件可以自主设计、生产和返工。甚至使用的金属粉末也会自动回收。无人驾驶运输系统在生产线的各个模块之间移动原材料和最终产品，这些机器由一个中央控制单元协调，来自各个生产线模块的所有生产数据都在其中汇集。

OVF开放矢量格式为这一成功的数字化做出了重要贡献，这种新的数据格式用于可靠地生成和处理 LPBF 工艺的生产数据。在 IDAM 中用于组合来自不同制造商的流程链中不同程序或自动化子步骤的输出，并合并相应的数据。这为项目中开发的可扩展、模块化和自动链接的LPBF工艺链奠定了基础。

为了能够以最佳方式使用全自动生产线，RWTH亚琛工业大学数字化生产制造学院DAP开发了用于自动优化组件方向的软件模块。对要打印的组件的制造效率、持续时间和质量控制起着重要作用。此外，通过开发基于人工智能的算法，现场过程监控和数据评估得到了改进。在这里，OVF 也能够通过集成元数据来提供支持。

 开启3D打印工艺链的蓬勃发展

根据Dyndrite 首席执行官 Harshil Goel，Dyndrite 的核心愿景是改变几何图形在计算机上的创建、转换和传输方式。OVF 格式是改进复杂结构化加工路径数据以高性能和紧凑方式传输的非常合乎逻辑的一步，只有通过像 OVF 这样的开源进步格式，增材制造才能提高其采用，实现工业化规模化应用。

根据3D科学谷的市场判断，GPU与CPT的应用结合将渗透到从建模仿真到数字孪生体技术，工艺开发，再到过程控制等3D打印工艺链的方方面面，而由GPU这种算力所支撑的人工智能算法将统治3D打印的方方面面。

如果将GPU这种算力比喻成强健的动力配置，那么OVF开放矢量格式在这种强健基础上打造了流畅的交互传输能力，在3D科学谷看来，强健的“体力”与“脑力”搭载上流畅的“内循环”，正是3D打印工艺链开启蓬勃发展的基础。

l 关于亚琛工业大学增材制造数字学院

RWTH DAP (The Chair Digital Additive Production)于 2016 年 8 月在亚琛工业大学成立，由Johannes Henrich Schleifenbaum 教授领导。

约 120 名积极进取且才华横溢的科学家们在增材制造技术、增材思维为导向的产品开发以及增材制造生产数字化领域开发技术卓越的解决方案。在其基础应用研究中，RWTH DAP特别关注其研究工作对经济可持续性和生态影响及其合作伙伴的潜在利益。可持续地加强和推进开发增材制造在生产中的应用。从生产数字化、网络化到材料开发、增材制造过程，再到后处理和质量保证，RWTH DAP的研究活动旨在保护价值创造和工业生产作为人类繁荣的重要组成部分，将其置于 AM-增材制造发展的轨道上，从而促进更好的人类未来。

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