根据3D科学谷的市场洞察，金属增材制造（LPBF）正经历从经验参数预设向实时智能决策的范式转移。

ACAM亚琛增材制造中心两大主力机构的德国亚琛两大研究机构:Fraunhofer ILT与亚琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP，正通过对在智能扫描策略（Smart Scanning Strategy）与连续路径（Continuous Pathway）两大前沿方向的进行持续性研究，重塑金属3D打印工艺窗口的边界。

本文基于公开研究资料与灯塔项目进展，解析这一技术跃迁对消费电子、航空航天、医疗植入、精密模具等领域市场的价值。

Smart Scanning Strategy
逐矢量自适应

传统LPBF工艺的核心痛点在于，同一零件的几何突变区域——如悬垂薄壁、实体填充与精细轮廓——被迫共享同一套扫描参数，导致过热、翘曲与后处理成本居高不下。

LPBF激光粉末床熔融增材制造Ti6Al4V钛合金悬垂结构

©Fraunhofer ILT

Fraunhofer ILT在其灯塔项目futureAM中提出的Geometry-adapted process control（几何自适应工艺控制），探索扫描策略从静态预设迈向动态适配的解决方案。

几何自适应工艺控制策略增材制造的Ti6Al4V部件

©Fraunhofer ILT

该系统通过组件分析软件自动识别零件的几何特征分区，并逐条扫描矢量（scan vector-level）分配差异化工艺参数。根据3D科学谷的市场观察，在Ti6Al4V合金的验证实验中，层内尺寸偏差明显收敛，且支撑结构用量减少。这意味着，航空发动机叶片或骨科植入物等复杂构件的增材制造废品更少，这等同于价值创造。

更进一步的智能化体现在欧盟QU4LITY项目中。Fraunhofer ILT研究团队开发了基于强化学习（Reinforcement Learning）的层间优化系统：卷积神经网络（CNN）逐层解析HDR相机采集的表面形貌图像，RL强化学习代理自主为下一层选择激光功率与扫描速度组合，以最小化表面粗糙度与未熔合缺陷。这种制造-检测-决策的闭环逻辑，有潜力将工艺开发周期从数周的实验设计压缩至数小时的算法迭代。在这方面，SynaCore AM-DT数字孪生恰恰可以为这些物理研究与AI开发提供前置虚拟验证、过程数字孪生映射、以及工艺资产化的能力。

通过On the Fly LPBF技术3D打印的大型零件

©FraunhoferILT

而在硬件协同层面，futureAM项目中的On-the-fly（边飞行边加工）平台实现了更极致的精细化控制。在该平台中，工艺参数可为每一条独立熔道（individual melt track）单独设定。项目协调人Christian Tenbrock指出，这种逐熔道能量输入控制（per-track energy input control）是同时突破质量与速度瓶颈的关键路径。

Continuous Pathway
能量输入连续性

如果说Smart Scanning解决的是何时何地以何种参数扫描的自适应决策问题，Continuous Pathway则回应了如何以最小热扰动完成能量递送的物理问题。

根据3D科学谷的市场洞察，当前业界讨论的连续路径实则涵盖三个互补维度：

能量输入连续性：CW vs PW的协同

RWTH DAP与Fraunhofer ILT在2022年于BHM期刊发表的联合研究，系统论证了连续波（CW）体曝光 + 脉冲波（PW）轮廓曝光的组合策略。CW模式以高能量输入保障实体区的高生产率；PW模式则通过离散化能量沉积，使轮廓区熔池在下一脉冲到达前完成凝固，从而抑制薄壁与尖角区域的过热熔池扩大。实验显示，该策略可将轮廓几何精度从传统CW模式的243μm过熔宽度显著收窄，为精密模具与微型涡轮等轮廓敏感零件提供了工艺窗口。

几何轨迹连续性：无跳转的螺旋与空间填充曲线

根据3D科学谷的市场观察,在单条扫描轨迹的几何连续性方面，美国NIST提出的Spiral Scan Strategy（螺旋扫描策略）代表了另一技术路线。通过以连续螺旋线替代传统的”短线段+关光跳转（sky-jump）” raster模式，熔池热历史趋于均匀，二次加热效应显著改善，在17-4 PH不锈钢中实现了等轴晶组织与硬度提升。尽管该方向似乎目前并非Fraunhofer/RWTH的公开主攻领域，但其热均匀性优势与亚琛机构的自适应参数控制存在明确的融合空间。

图：(a) 零件#1至#8的扫描策略及构建时间。构建时间基于振镜总扫描时间计算。(b) 零件#2（左）和#8（右）的扫描路径，分别代表典型的螺旋扫描和光栅扫描。下方为红色方框内区域的放大视图。箭头表示扫描方向。(c) 零件#1至#8的平均熔池面积及±1倍标准差。

来源：H. Yeung, J. Chen, G. Yang et al.
Manufacturing Letters 29 (2021) 1–4

运动学连续性：On-the-fly边飞行边加工

Fraunhofer ILT在futureAM中落地的On-the-fly技术，通过同步振镜偏转与线性轴机械运动，消除了传统扫描中的关光跳转中断。针对1000×800×500mm的大型构建体积，该技术将生产率获得显著提升，同时保持熔池的连续热力学环境。这对于航空结构件、大型模具镶块等需要兼顾尺寸与效率的应用场景具有直接商业价值。

SynaCore的AM-DT数字孪生的零件尺度热-力耦合模拟可以为Continuous Pathway 解决在连续送能之前，如何在虚拟环境中证明这种连续性不会引入新的热缺陷的研究。

逐矢量自适应与能量输入连续性，这两大技术方向的交汇点，正指向SynaCore AM-DT数字孪生平台的闭环能力所提供的支持。

市场展望与战略启示

对于增材制造设备商与终端用户而言，扫描策略的智能化与连续化正在重构竞争壁垒：

设备差异化：下一代LPBF系统的核心竞争力将不再是激光器数量或构建尺寸，而是扫描策略的算法密度——即设备在多大程度上内嵌了几何自适应、层间强化学习与热补偿模型。

后处理成本重构：支撑结构减少30%-50%、轮廓精度提升带来的机加工余量缩减，将直接改写LPBF零件的全生命周期成本（TCO）模型，使其在批量化精密零件领域更具替代切削加工的经济性。

数字孪生资产化：扫描策略作为可复用的数字工艺资产（Digital Process Asset），其价值将随数据积累呈指数级增长，成为连接材料科学、设备控制与质量认证的关键IP。

LPBF技术正迈入精准可控的前沿技术深水区，Fraunhofer ILT与RWTH DAP在亚琛构建的研究生态表明，未来的金属增材制造竞争，将不再是激光与粉末的价格博弈，而是扫描策略的算法精度、热历史的连续控制能力，以及数字孪生闭环的完整性之间的系统性较量。对于提前布局智能工艺平台的产业参与者而言，窗口期正在打开。

参考资料：Fraunhofer ILT futureAM灯塔项目、EU QU4LITY项目、RWTH DAP与Fraunhofer ILT联合发表之研究论文（Laag et al., BHM 2022）、SynaCore【自进化】白皮书及NIST公开研究成果。

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。

网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）在德国Formnext展会期间展示了其多材料偏滤器单块链节的增材制造技术，该技术能够实现钨和铜铬锆（W-Cucrzr）两种材料的增材制造。3D科学谷将基于目前该研究所对外披露的有限信息对该应用技术进行分享。

© Fraunhofer ILT

 面向核聚变的多材料一体化制造

核聚变反应堆中暴露于等离子体的部件（如反应堆壁增强件），必须承受高达约20兆瓦/平方米的循环热负荷及高辐射。

纯钨几乎是唯一适用于这些极端条件的材料，但该材料仅能制成简单几何形状，后续需通过复杂方式进行连接。不同材料的热膨胀差异会导致焊接接头在热循环下失效，从而缩短部件寿命并降低设备可用性。

根据Fraunhofer ILT研究所披露，他们所开展的DURABLE项目正是致力于解决这一核心难题。

© Fraunhofer ILT

增材制造工艺能够制造钨与铜合金的整体式或多材料部件，以连续顺畅的导热路径取代了传统薄弱的分区连接。

整个过程的关键在于精确的工艺控制：该研究所通过创新的PBF-LB/M增材制造技术与工艺参数窗口，成功实现了近乎无裂纹、高致密度的钨结构打印。这使得制造内含随形冷却流道的复杂几何部件成为现实。

 更耐用的偏滤器

根据3D科学谷的市场研究，偏滤器材料的选择并非单一材料，而是一个多层、复合的材料体系，每一层都有其特定的功能。核心思路是：面向等离子体的部分使用耐高温、抗辐照性能好的材料，而将高热负荷通过导热性极好的材料迅速传递到冷却系统中。

根据Fraunhofer ILT相关负责人的揭示，增材制造技术在其中得以应用的优势在于能够显著延长部件寿命、减少返修工作、降低连接点风险，这是延长维护周期、降低每小时运行成本的先决条件。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

增材制造技术与工业机器人的集成成为受到关注的领域。两者的结合带来了一个显著的优势是增强了增材制造系统的自由度和灵活性，系统能够在自由形式空间中工作并创建几何复杂的高质量设计。这为增材制造开辟了新的可能性。

基于DED工艺的WAAM电弧增材制造与工业机器人的集成是其中典型的例子。在电弧增材制造过程中集成机器人技术能够创建大尺寸、复杂的结构，同时减少浪费和最小化后处理需求。这些系统可以精确操纵各种组件，减少人为干预并提高整体效率。

然而，机器人电弧增材制造工艺在效率与打印质量方面仍存在诸多挑战。机器学习技术在这个领域的应用，为突破挑战提供了新方向。根据3D科学谷的市场观察，近日德国弗劳恩霍夫增材制造技术研究所（Fraunhofer IAPT）揭示了一项科研成果，正是机器学习技术在该领域的应用实践。这一成果有望消除低效工艺环节，并提高打印质量。

 机器人电弧增材制造的技术挑战

作为定向能量沉积工艺的重要分支，WAAM技术通过电弧熔融金属丝材逐层构建零部件。相较于其他增材制造工艺，其突出优势在于成型效率高、材料利用率佳，特别在大型结构制造领域具有比粉末床工艺更显著的速度与成本优势，且成型部件具备优异的强度与机械性能。

然而，机器人电弧增材制造工艺极为复杂，需要掌握渊博的工艺知识。机器人3D打印工艺的设置环节直接决定了制造过程与最终构件的质量。例如，金属基板的夹持固定不足可能导致基板变形，进而引发代价高昂的部件返修或直接报废。

 安全高效的机器学习解决方案

德国弗劳恩霍夫增材制造技术研究所（Fraunhofer IAPT）与他们的项目联盟伙伴共同开发了一套集成机器学习（FedML）与头戴式混合现实（XR）显示器的系统架构，并在机器人电弧增材制造（WAAM）工艺中进行了验证。他们成功开发出用于机器人电弧增材制造（WAAM）工艺设置的数字辅助系统。

这个研究项目名为FAMILIAR，目标是通过机器学习技术优化制造企业工作流程、提升生产效率。这一方案通过边缘设备协同学习与分布式数据存储相结合，在确保数据安全的前提下，为敏感行业带来了机器学习与虚拟现实/增强现实（VR/AR）技术的双重优势。项目以汽车工业与增材制造领域的实际场景作为分析与验证基础。

其中，弗劳恩霍夫增材制造技术研究所专注于开发机器人电弧增材制造的设置辅助系统，他们重点承担了三大核心任务：设计3D打印设施系统架构、集成传感器系统、开发数据流与接口协议，并完成最终评估测试。

 数字辅助系统实现工艺快速安全设置

新型辅助系统通过混合现实（XR）眼镜逐步引导操作人员完成机器人3D打印工艺的设置流程。系统采用过程中立体相机采集的传感器数据训练机器学习模型，精准计算机器人电弧增材制造的工艺参数。

由此产生的数字辅助系统成功消除了低效工艺环节，将WAAM生产的准备工作量缩减一半。除了显著节省增材制造的前期准备时间外，该辅助系统更有助于持续提升WAAM构件的质量。

以上研究成果表明，通过机器学习与混合现实技术的结合，能够将抽象的AI算法转化为直观的操作指引，优化机器人电弧增材制造在工艺设置流程。揭示了人机协同的智能辅助系统在提升工艺可靠性、降低技术门槛方面的潜力。随着这类技术的成熟，增材制造有望在更多大型复杂结构零部件制造领域，实现从“可打印”到“高效、高质、易用”的跨越。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

所有零件的性能都依赖3个关键因素：材料、零件几何形状和表面处理。材料的选择至关重要，每种材料诸如聚合物、金属、陶瓷或玻璃等都呈现不同特性。随着应用变得复杂，对材料组合的需求日益增长，由此催生了功能梯度材料（FGMs）的发展，通过成分梯度变化实现多功能集成。

陶瓷材料因其卓越的热学、化学与机械性能，成为众多工业领域不可或缺的关键材料。然而陶瓷工艺链中存在脱脂与烧结等挑战，且烧结后陶瓷因高硬度与脆性导致后续加工困难。

几何功能化通过形状与微观结构改变来提升零件性能，增材制造（AM）等先进制造技术为实现复杂几何形状提供了可能。对于难以机械加工的陶瓷材料而言，增材制造更是颠覆性技术——通过直接成型高度复杂的几何结构，既能充分发挥陶瓷的优异特性，又可显著减少后续加工需求。面对日益复杂的几何形态，算法设计与人工智能的融合对优化制造流程至关重要。数据驱动方法与先进几何描述技术已成为不可或缺的支撑手段。陶瓷增材制造（CerAM）技术的持续进步将推动质量提升、成本优化，并深化我们对陶瓷工艺链中相互作用机制的理解。

本期谷·专栏将分享弗劳恩霍夫(Fraunhofer)陶瓷技术和系统研究所等机构发表于Progress in Additive Manufacturing 期刊中的论文。该文阐述了陶瓷基多材料零件增材制造领域的最新进展，及这一技术为高度功能化构件的实现开辟的道路。

论文链接：
https://doi.org/10.1007/s40964-025-01112-6

 01 简介和动机

当谈论零件的性能时，关注点通常集中在它的强度与刚性，耐腐蚀或耐温性、质量或功能等方面。但这些属性都可以归纳为3个方面：所用材料（针对复合材料而言）、几何形状与表面处理。

1.1 特殊材料零件的属性

零件的物理和化学属性取决于使用的材料。使用单一材料的零件往往属性一致，选择一组不同类别的材料如聚合物、金属、陶瓷或玻璃，工艺设计很关键。聚合物轻便容易生产，陶瓷生产更复杂但相较于金属具有更好的耐化学性、耐温性和机械应力。随着应用需求变得更加复杂，单一材料已不能满足对多种材料特性组合的要求。
下面是一些有趣的属性组合：

• 高硬度+ 高延展性
• 导电性+ 绝缘性
• 导热性+ 隔热性
• 高密度+ 多孔结构
• 磁性+ 非磁性
• 多色彩呈现
• 多种特性组合的复合体系

当单一材料不能提供期望的性能时，混合不同材料则很有必要。传统复合材料属于均匀混合物，这往往会削弱各部分的原有性能。功能梯度材料（FGMs）通常能提供更先进的解决方案，这类材料的成分呈空间梯度变化，从而形成性能的递变特性。通过策略性的结构设计，功能梯度材料能够实现多功能集成，满足特定性能需求。根据梯度变化特征，功能梯度材料可分为以下几种类型：

1.1.1非连续梯度
零件的不同区域具有不同属性，各区域分别由材料A或材料B构成。

1.1.2梯度界面层
内部的过渡层由材料A和B混合而成，在两个不同属性区域之间实现性能的平滑渐变。

1.1.3渐进式梯度
构件由分层排列的梯度层构成，每层内部保持恒定的材料A与B配比。通过增加梯度层数量，可有效减小各层间的性能跳跃。

1.1.4连续梯度
零件在整个截面上呈现连续的性能渐变，其材料B与材料A的配比沿梯度方向持续递增。
在某些情况下，单一材料可通过不同状态实现梯度性能，例如部分区域致密而其他区域多孔。目前已有多种制造策略可实现该特性，例如通过原位调控工艺参数达成性能渐变。

1.2 特殊几何形状零件属性
几何功能化指通过改变构件的宏观形状、表面结构或微观组织，以获得特定的机械、光学或电学性能。例如，利用微纳结构增强表面粘附性，或通过改变孔隙结构来优化吸收与过滤性能。

其应用领域广泛涵盖轻量化结构（如通过集成加强筋提升强度）、过滤技术、生物技术（调控表面润湿性）、工模具制造（内置冷却通道）以及齿轮技术（优化齿形设计）等。

核心挑战始终在于：如何选定适宜的制造工艺以实现所需的几何结构，并综合考虑成本。
增材制造（AM）技术显著拓展了几何功能化的实现维度，能够高效制造传统方法难以加工或成本高昂的复杂几何结构。该技术具备无需模具的生产特性，支持多种几何构型的快速迭代优化。

 02 陶瓷增材制造

2.1 高性能陶瓷
陶瓷材料常在其它材料无法胜任的工况下展现卓越价值，其以优异的热稳定性、化学惰性和机械强度著称。现代生活离不开陶瓷材料——无论是钢铁冶炼、玻璃制造、垃圾焚烧还是水泥生产，都依赖这些高温稳定材料的存在。此外，陶瓷凭借低密度和高刚性展现出显著的轻量化潜力，兼具优良的电绝缘性能，使其成为高压应用的理想选择。

陶瓷材料与活细胞相互作用时表现出的优异特性，更为医疗领域开启了广阔的应用前景。陶瓷材料在牙科种植及膝关节、髋关节置换领域成为当代典型标准，绝非偶然。

陶瓷工艺链中的挑战主要来自生坯成型后的最后两个热处理阶段。在脱脂过程中，必须去除生坯中的非陶瓷部分，以便在后续烧结阶段实现完全致密化并获得理想的陶瓷性能。此过程伴随的体积收缩通常可达45%-60%，这会放大生坯中所有关键不均匀性，最终以缺陷或变形的形式显现。

若需对烧结成型的陶瓷部件进行再加工，其机械性能会带来另一重挑战。该材料兼具极高硬度（莫氏硬度≥9）和脆性特征，导致后续加工难度极大且成本高昂。通常必须采用金刚石刀具进行加工，且材料去除率较低。正因如此，以经济可行的方式制造几何结构高度复杂的陶瓷部件仍面临重大技术挑战。

2.2 陶瓷增材制造
陶瓷增材制造（CerAMfacturing）与聚合物和金属增材制造显著不同。陶瓷部件的增材制造始终涉及通过该技术成型生坯，随后必须经过脱脂和烧结工序，才获得典型的陶瓷属性。

这意味着需要使用专用成型材料（即陶瓷颗粒与聚合物添加剂的混合物）进行增材制造来生产生坯（亦即聚合物基体与嵌入陶瓷颗粒的复合材料），因此所有适用于聚合物增材制造的技术均可用于陶瓷部件的成型。研究表明，目前商业化最成熟的是VPP（还原光聚合）类技术，它能实现最佳表面性能和最精细分辨率，但其他增材制造类别也可获得相应材料体系，例如作为MEX（材料挤出）代表的FFF（熔丝制造）技术可使用陶瓷填充丝材。为避免混淆，本文仍在技术缩写前冠以”CerAM”标识，例如采用VPP或FFF技术制造陶瓷部件时记作CerAM VPP或CerAM FFF。

凭借其几何自由度优势，陶瓷增材制造技术已成为行业”颠覆性力量”——不仅能显著减少后处理工序，更可将几何功能化设计与高性能陶瓷的卓越特性相结合。

2.3 功能梯度材料零件的增材制造
功能梯度材料（FGM）的陶瓷增材制造挑战主要体现在两方面：一方面在于成型环节需并行处理多种材料，另一方面则在于热加工阶段。

在烧结过程中，超过1500°C的极限温度及约50%的体积收缩率通常存在，这使得多材料构件的烧结主要面临两大挑战：其一，只有热膨胀系数相近的材料才能共同加工，因为热应力会导致变形与缺陷——该问题源于烧结后冷却过程中的失配现象，也可能引发运行故障；其二，组合材料必须呈现相似的收缩行为，否则在烧结过程中就会产生缺陷。

早在陶瓷增材技术问世之前，传统制造的功能梯度陶瓷材料就已采用共烧结工艺，因此目前已积累数十年的经验并形成多种成熟的材料组合。

在成型方面，材料施加方式对制造多材料构件至关重要。Zocca等人提出将增材制造技术划分为直接成型与间接成型两大类。

间接增材制造是先在整个成型空间内铺设基础材料，随后在指定区域进行选区固化。典型技术包括粘结剂喷射成型（BJT）、粉末床熔融（PBF）及光固化成型（VPP）。

直接增材制造是材料仅在当前层所需位置进行沉积与固化，因此无需在添加新材料前清除未固化材料。典型代表是材料挤出（MEX）与材料喷射（MJT），这两种技术可通过多通道给料系统实现不同材料的并行沉积。

2.4 多材料喷射（Mult-material jetting）
多材料喷射成型（MMJ）在增材制造领域脱颖而出，因其能有效实现多材料增材制造（MMAM）。该技术定位于熔丝制造（FFF）与基于立体光刻的还原光聚合（VPP）之间，成功将优异的成型材料特性与创新成型技术相融合。

多材料喷射成型（MMJ）技术于2014年在德累斯顿弗劳恩霍夫IKTS研究所研发成功，迄今已为其多材料增材制造设备完成超过15种材料及组合的资质认证。该设备已为多家工业客户成功制造出原型件。为推进MMJ技术的商业化进程，弗劳恩霍夫IKTS在德国联邦经济事务和气候保护部的支持下，于2023年2月创立AMAREA Technology GmbH公司，旨在将MMJ技术转化为工业化生产体系。

多材料喷射成型（MMJ）使用含粉末材料的低粘度热塑性悬浮体，可实现多种陶瓷粉末乃至金属和玻璃材料的高固化载荷水平（40-50%体积）。基于材料特性，几乎任何粉末都可以使用，实现功能梯度材料（FGM）的增材制造。

MMJ独特的成型逻辑是使用压电微滴喷射系统选择性沉积微小液滴。这些液滴在X-Y轴融合形成丝状结构，并在Z轴堆叠从而创建复杂的3D物体。微米级液滴确保高成型精度，沉积速率最高可达每秒800滴。

多通道给料系统可搭载不同成型材料，实现单次成型作业中制造多功能构件。通过添加支撑材料可防止悬垂结构塌陷，从而真正实现功能梯度增材制造。

 03 MMJ技术陶瓷增材制造可加热的陶瓷零件

温度控制在很多工艺中都非常重要。例如流体的温度通常决定了其黏度，化学反应的温度通常决定了其反应率，固体材料的温度通常决定了其成型性能。因此，在陶瓷刀具或混合器中集成加热元件，是显著提升这些工艺效率的极具前景的解决方案。

现已确定的具有这种组合特性的材料组合由两种混合物组成，每种都含有氮化硅（Si₃N₄）和二硅化钼（MoSi₂）其他陶瓷添加剂。这两种材料的主要区别在于MoSi2的配比。具有更高二硅化钼含量的混合物在烧结后呈现导电特性，而另一种混合物则具有电绝缘性能。

3.1 多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造陶瓷模具
一种应用于成型解决方案的”可调节”模具被提出。在很多实际成型过程中，加热或冷却对工艺控制至关重要。该模具需满足以下技术要求：其结构设计采用带纹理的上模作为成型模具，该模具定位在轴体顶端并延伸至坯料区域，轴体末端设有连接空间操纵器的扩展法兰。基体材料需具备高强度、高硬度及化学惰性，并呈现极低的热膨胀系数，以确保尺寸稳定性和耐用性。此外，加热与冷却功能需要集成于零件内部，以实现有效的温度控制。

图1：多材料陶瓷成型工模具的设计：黄色：冷却通道支撑材料；红色：加热器导电通路；灰/黑色：电绝缘材料

图2：陶瓷成型模具生坯

该部件的多材料（MM）设计（包括形状与材料）如图1所示。图2展示了采用陶瓷材料多材料喷射技术（CerAM MMJ）制造的生坯部件，图3为共烧结后的成型部件，图4则展示了加热功能演示过程中的零件状态。在不超过48V的电压下，仅需数秒即可产生远超600°C的高温。

该零件有效满足以下要求：

• 单一耐用部件：将冲头、轴身与法兰整合为坚固的整体式结构，精准呈现冲头纹理与法兰轮廓等精细细节。
• 集成加热功能：在冲头附近嵌入固态加热线圈，法兰上设有便于连接的接点，通过贯穿轴体的绝缘导电通路实现电气连接。

图3：共烧结陶瓷成型模具

图4：加热状态下的陶瓷成型模具（温度约600℃）

3.2 多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造陶瓷反应器
在化学反应器中，反应器温度和温度的分部是工艺控制的关键因素，这些因素直接决定了反应物和产物的黏度和反应行为。目前，催化剂支撑结构常采用填充床或蜂窝载体，但是二者内部的热传导效率很低，对于需从外部供热的内吸热反应，或需从内部排热的外放热反应而言，当前反应器设计方案因传热效率不足而存在明显局限。
这正是增材制造（AM）多材料反应器的优势所在——它为实现定制化反应器几何结构、集成冷却通道与加热器开辟了新途径。

图5展示了3D-cat公司模块化反应器概念的CAD数据，该设计甚至可实现不同区域的独立温控。图6所示为一个处于加热状态的加热器模块，其整个横截面呈现出卓越的温度均匀性。

该模块集成了所有必要功能，并依托陶瓷材料赋予了零件所需的化学耐腐蚀性与长期稳定性。

图5：3D-cat公司模块化反应器设计概念CAD数据；左：模块；右：整个结构

图6：电热陶瓷反应器模块功能测试期间红外相机的图像

 04 多材料喷射成型技术（MMJ）陶瓷增材制造致密-多孔零件

在化工过程中，需要采用兼具致密与多孔区域的零件，这种结构组合极具应用价值。例如，蜂窝状作为催化剂的载体结构时，其表面会施加催化活性材料，期间通常还会使用一种被称为”涂层”的中间层。该涂层通过为化学反应提供更大表面积并促进活性材料分布，可有效提升催化剂材料的活性和效率。多孔涂层在确保最大化表面积和活性材料牢固附着的同时，其下方的蜂窝结构则提供了机械强度与一定的热传导能力——至少优于多孔涂层的导热性能。

虽然蜂窝结构相较于填充床设计具有显著更低的压降，但其缺点在于壁面流入性能较差，导致活性材料区域的反应物注入量不足，因此在相同体积下整体化学转化率明显低于填充床反应器。

增材制造技术能够针对特定应用需求定制反应器设计，并在转化率与压降方面实现优化。然而，这也带来了在复杂几何结构上实现涂层均匀覆着的技术挑战。

在这种情况下，功能梯度材料（FGM）的增材制造技术能将致密和多孔结构集成于单一零件之中。图7展示了采用多材料喷射成型陶瓷增材制造技术制造的氧化铝零件界面结构，该零件融合了致密的内部结构与多孔的表面，实现该结构采用了两种不同的氧化铝原料：一种未添加造孔剂（PFA），另一种则添加了约10%体积的造孔剂。

图7：致密-多孔铝零件的横截面，使用多材料喷射成型技术（MMJ）陶瓷增材制造

图8：采用陶瓷增材制造多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造的致密-多孔氧化锆零件；
左：CAD数据；右：烧结成品零件

为直观展示这种特性，研究团队采用氧化锆制备了一个零件——基于多孔区与致密区对光线的不同散射作用，该零件可呈现差异化的透光效果。此演示件采用两种不同氧化锆原料：一种完全不添加造孔剂（PFA），另一种则添加约10%体积的造孔剂。图8展示了该零件的CAD数据（左图）与烧结成品（右图），图9则显示了光源前置条件下烧结零件的透光状态。

图9：采用陶瓷增材制造多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造的致密-多孔氧化锆零件在光线下；
左：前方视图；右：顶部视图

 05 算法设计，数据驱动算法及AI

随着零件几何结构的日益复杂，对零件设计与仿真以及制造过程监控提出了更高要求——尤其当多种材料需在几何结构高度复杂的零件中实现组合时。

实现复杂几何结构的功能化亟需新型设计方法，因为传统CAD方法已逐渐力不从心。这些新方法运用算法，基于众多边界条件（如载荷、重量等）生成多种满足特定目标的优化几何结构。统计方法可识别关键输入参数以实现定向优化，而模拟自然生长过程的仿生算法同样具有重要价值。基于晶胞的网格等重复性结构也属于该设计方法论的组成部分。

未来，来自制造过程、产品及环境传感器（如载荷工况、温度曲线）的数据，将转化为创新设计的”大数据”数字化输入（数据驱动设计）。此外，几何描述方法也需调整——传统CAD系统中的B-rep几何模型已无法高效表征复杂结构，必须同步采用离散化与隐式表达（如三角网格、体素场）等描述方式。

对于高性能陶瓷而言，经济化生产至关重要，提升产线良品率是实现规模化量产的必要条件。设计方案需深度融合生产导向视角，通过数据驱动方法与人工智能来解析陶瓷全工艺链中的流程交互关系。

陶瓷工艺链中数据驱动方法的应用现状表明，相关技术的数字化及其与数据管理系统的集成是必要前提。可基于基础度量（如边界框、体积）创建几何模型，以兼顾曲率、材料厚度等局部属性。现代生产设备通常配备数据导出接口，支持制造过程的记录与评估。基于多任务学习或回归链的”关联算法”能有效整合这些数据。

此外，虽然分析材料-工艺-结构-性能关系的算法在材料工程中已有广泛应用，但必须针对陶瓷工艺链进行专门开发。

为展示这些创新设计方法的潜力，我们开发了用于混合两种流体的演示零件：该零件不仅具有复杂路径布局，更在轮廓近端集成了电热导体。图10与11分别展示了零件的几何结构示意图与集成加热导体设计，图12则呈现了成型生坯（左图）及热成像仪下最终测试时的烧结零件状态（右图）。

图10：可加热混合器概念设计研究（2D），具备几何结构复杂的流体控制功能；红色：集成加热器几何结构和连接点。

图11：可加热混合器概念设计研究，具备几何结构复杂的流体控制功能（3D）；红色：集成加热器几何结构和连接点

图12：可加热混合器概念设计研究，采用陶瓷增材制造的多材料喷射成型技术（MMJ）与氮化硅-二硅化钼（Si3N4–MoSi2）混合材料制造；
左图：生坯状态；右图：烧结成型后可加热混合器在功能测试中的红外热成像图

 06 总结和展望

这些优势为各领域的创新应用创造了显著潜力，使得能够开发新颖复杂功能，并易于进行概念验证演示。研究团队成功通过三种不同应用场景验证了可制造功能显著增强的陶瓷零件。文献中还可查阅更多演示案例。当前陶瓷增材制造（CerAM）技术正在不断提升零件质量与可重复性，同时进一步降低废品率和生产成本。目前最大的挑战在于多材料零件中不同材料的必要共烧结工艺。本研究重点探讨了温控制度、炉内气氛及零件几何结构对零件（电学）性能的影响机理。理解陶瓷工艺链中所有工序与零件最终性能之间的相互作用至关重要，而数据驱动方法在解析参数—性能关联性中正发挥关键作用。
为充分发挥增材制造的技术潜力，近年来组件的设计与构造可能性已显著扩展。然而该领域仍需进一步发展，以全自动化工作流程取代当前需要大量人工投入的组件设计工作。

此外，需要精准识别那些通过组件功能化能产生高附加值的应用领域，使较高的生产成本得以快速抵消。这需要设计人员具备超越传统路径的想象力与创造力，并勇于探索新理念、开辟新道路。

访问以下链接可查看该许可协议全文：http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
作者：
Uwe Scheithauer1；
uwe.scheithauer@ikts.fraunhofer.de；
Robert Johne2；
robert.johne@amarea.de；
Lisa Gottlieb1；
lias.gottlieb@ikts.fraunhofer.de；
Steven Weingarten2；
steven.weingarten@amarea.de；
Hajo Wiemer3；
hajo.wiemer@tu-dresden.de；
Stefan Holtzhausen3；
stefan.holtzhausen@tu-dresden.de；
1.弗劳恩霍夫(Fraunhofer)陶瓷技术和系统研究所，德累斯顿，德国
2.AMAREA Technology GmbH, 德累斯顿，德国
3.TU Dresden,德累斯顿，德国

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

图：基于SLS 技术的金属增材制造工艺链

 — 金属SLS工艺链 —

金属SLS，是将聚合物部件的选区激光烧结（SLS）3D打印技术与传统粉末冶金的工艺技术相结合的技术，也称为冷金属熔合（Cold Metal Fusion），Fraunhofer IAPT 的研究人员通过与 L-PBF 工艺的全面对比，评估了金属SLS工艺链的工业潜力。结果表明：利用成熟的SLS增材制造-3D打印设备也可实现成本效益高且可扩展的生产，使金属SLS 适用于中小批量生产。

研究人员在标准SLS 3D打印设备中，使用了一种专门开发的复合粉末，与聚合物粉末类似，逐层铺粉并选择性熔融。该复合材料由包裹在热塑性粘结剂中的金属颗粒组成。在局部激光照射下，粘结剂熔化并形成致密、尺寸稳定的3D打印生坯。生坯随后经历与金属注射成形（MIM）类似的工艺链：经过可选的生坯状态后处理后，进行溶剂脱脂和热脱脂，随后通过烧结获得所需的金属性能。

 — 综合对比 —

这项研究中的经济评估是基于1,000个自行车碟刹支架的增材制造而开展的，这是中小批量生产的典型部件。

图：增材制造的自行车碟刹支架

生坯加工展现出了显著的经济潜力，尤其是对于工具钢和硬质合金材料而言：由于此时材料处于较软状态，后处理速度更快，刀具磨损显著降低。如果尺寸或表面要求未达到标准，可对烧结后的零件进行额外后处理。

与粉末床选区激光熔融（L-PBF）这样的直接金属增材制造工艺不同，金属SLS在3D打印阶段不涉及金属颗粒的熔化。因此，即使是难焊金属，也能在烧结过程中加工成几何形状复杂的部件。该方法既利用了基于激光的聚合物SLS 3D打印的精度，又结合了烧结步骤的优势，如低残余应力。

研究人员从两个方面进行了对比，包括经济性和质量。在经济性方面，详细分析了交付时间和成本结构，并考虑了烧结工艺链中不同熔炉尺寸的影响。质量方面，考察了尺寸精度、密度、硬度、拉伸性能和表面粗糙度等方面的差异。

在 L-PBF 和金属SLS 的对比中，均使用了单激光系统。由于SLS工艺的高成形速率，工艺链中的主要时间瓶颈不在于3D打印本身，而在于后续的脱脂和烧结步骤。

图：SLS工艺链与单激光L-PBF设备零件生产时长对比。

 — 烧结与成本分析 —

研究人员考察了两种烧结炉，炉膛容积分别为11升（ISO 240）和28升（ISO 320）。这两种烧结炉的购置成本差异不大，但运行成本不同。必须通过优化炉子的利用率来降低电力和燃气消耗。后处理未计入生产周期的计算，因为它取决于具体的零件要求。

研究人员谈到，金属SLS技术具有高成形速率和无支撑3D打印的优势，从而省去了支撑去除这一需要大量额外工作的环节。虽然这些结果在不同部件和工艺链设计中的适用程度不尽相同，但它们确实展现了使用金属SLS进行系列生产的经济潜力。

这种基于SLS 技术的金属增材制造工艺链，与粘结剂喷射等间接金属3D打印技术类似，最终需要走向脱脂和烧结来完成从“生胚”到“金属”的蜕变。3D科学谷认为值得思考的是，尽管通过以上验证评估展现出了金属SLS工艺链在工业应用中的潜力，但在实际应用中仍需考虑一些因素。例如，开发配套的专用复合粉末材料及配套的工艺参数包；在设计阶段对于收缩率进行精准补偿，确保脱脂、烧结工艺的稳定性以保障批量生产的零件一致性。此外，该工艺链的经济性模型是双重驱动的：一方面源于SLS 3D打印生坯阶段的高成形速率和无支撑制造优势，显著减少后处理工时；另一方面则通过优化烧结炉的装载量（‘一次烧结出炉很多’），摊薄后处理阶段的单位成本，从而适合中小批量的规模化生产。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

“德国亚琛团队攻克“光速级”协同控制难题
全球首套3.2 MHz级联扫描系统诞生，激光加工进入微秒时代”

德国亚琛——由德国联邦教研部（BMBF）“数字光子生产”研究园区资助、RWTH Aachen亚琛工业大学与Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所联合攻关的“超快级联扫描控制架构”发布。

该成果发表于最新一期《Optics & Laser Technology》，首次实现声光偏转器（AODs）+振镜（Galvo）+直线平台的三级全同步，刷新率达到创纪录的3.2 MHz，为激光增材制造、微钻孔等高精尖场景打开“微秒级”加工窗口。

从“单兵作战”到“三级火箭”

传统激光扫描系统长期面临“速度—幅面—精度”不可兼得困局：

• AODs可兆赫兹偏转，但扫描范围不足1 mm²；
• Galvo扫描范围大，却只有千赫兹级响应；
• 直线平台幅面最大，动态误差在毫秒量级。

根据3D科学谷的了解，研究团队以FPGA-MPSoC混合硬件为中枢，将三大执行器锁相至统一的250 MHz时钟，并嵌入4 µs超前轨迹预测算法，使不同响应速度的设备“像一支乐队”在同一节拍内演奏。通过中继光学系统消除光束畸变后，激光光斑每312.5 ns即可重新定位一次，相当于在一根头发丝宽度内完成320万次“落笔”。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

两大工业场景验证：更快、更稳、更准

1. 激光粉末床熔融（LPBF）

• 熔池扩展：AOD在Galvo主轨迹上叠加10 kHz正弦振荡，形成可旋转的非对称强度分布，匙孔波动下降42 %，层间结合强度提升。
• 并行处理：系统同时驱动3个独立熔池，层打印时间从22 s缩短至4.6 s，产能提升近5倍。

2. 微钻孔与微铣削

在10 mm × 10 mm区域钻削50 µm微孔阵列，全程0.8 s，孔径一致性±1.2 µm；

AOD实时补偿XY平台运动误差，定位精度达亚微米级，为晶圆级封装、OLED微结构加工提供新工具。

商业化路线图

• 2026年Q2：Scanlab GmbH将基于该架构推出工业级控制板卡，兼容现有激光器与运动平台；
• 下一代：团队已启动四级级联（双AOD+双Galvo+旋转台）预研，目标刷新率突破10 MHz，面向大面积柔性电子剥离与晶圆级TSV钻孔。

专家评述

▲自2025年2月17日，Jochen Stollenwerk博士一直担任 Fraunhofer ILT的执行总裁

RWTH Aachen教授Jochen Stollenwerk表示：“3.2 MHz不仅是数字的刷新，更是激光加工范式的刷新。过去需要分时完成的复杂扫描策略，现在可以在微秒内并行实现，这为材料科学和高端制造打开了全新的实验空间。”

关于“数字光子生产”研究园区

由德国联邦教研部（BMBF）资助的公私合营平台，汇聚Fraunhofer、RWTH Aachen及20余家激光产业链企业，致力于下一代激光制造技术的产学研转化。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

▲3D打印火箭零件
© Faunhofer ILT

3D科学谷洞察

火箭发动机的关键部件（如燃烧室、喷注器、涡轮泵等）通常需要复杂的内部流道、冷却通道和异形结构，传统制造需通过多零件焊接或机加工完成，而增材制造能实现一体化成型，例如：燃烧室内部的再生冷却通道可通过3D打印直接集成，避免传统工艺中的焊接缺陷，提升散热效率。3D打印还可以精细化喷注器，优化雾化效果，提高燃烧效率。通过拓扑优化设计，在保证强度的前提下减少材料冗余，降低发动机重量，提升推重比。”

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 精度和效率的平衡

在218小时的连续制造过程中，弗劳恩霍夫激光研究所-Fraunhofer ILT利用其五激光PBF-LB增材制造设备，成功制造了一个尺寸为Ø720 x 100 mm³的Ni718火箭发动机歧管。该PBF-LB基于粉末床的金属3D打印设备拥有1.0 x 0.8 x 0.4 m³的构建体积，能够高效地完成大型复杂部件的生产。这一成果不仅体现了增材制造技术在精度和效率上的优势，还为航空航天领域的复杂部件制造提供了新的解决方案。

该歧管的制造是欧洲委员会资助的ENLIGHTEN项目的一部分，该项目旨在开发低成本、创新且环保的空间运输系统（STS）技术，以提升欧洲在全球航空航天市场的竞争力。ENLIGHTEN项目的成功实施，不仅将推动航空航天技术的进步，还将为相关产业带来深远的影响。

根据3D科学谷的了解，ENLIGHTEN项目致力于开发可由生物甲烷和绿色氢气驱动的经济实惠且环保的火箭发动机，这将推动欧洲航天工业向可持续和低碳方向发展ENLIGHTEN项目中，增材制造技术如激光材料沉积（LMD）和激光粉末床熔融（LPBF）技术被广泛应用于火箭发动机部件的制造。这些技术能够制造出复杂的薄壁冷却通道等传统制造方法难以实现的结构，显著提高了火箭发动机的性能和可靠性。

▲3D打印火箭零件
© Faunhofer ILT

在成功完成歧管的PBF-LB增材制造后，弗劳恩霍夫激光研究所-Fraunhofer ILT进一步利用定向能量沉积（DED）技术对喷嘴延伸部分进行了制造，展示了混合增材制造方法的强大潜力。这种混合制造方法结合了PBF-LB和DED技术的优势，能够制造出更加复杂和高性能的部件。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

弗劳恩霍夫 Fraunhofer ILT的LPBF技术与系统小组经理Niklas Prätzsch表示，这标志着ENLIGHTEN项目中高通量PBF-LB/M的成功演示，但还有更多创新突破即将到来。他强调，增材制造技术在航空航天领域的应用前景广阔，未来还将有更多的创新成果。

根据3D科学谷的市场观察，Fraunhofer ILT不仅推动了火箭制造技术的发展，还为欧洲航天工业的可持续发展和全球竞争力提供了有力支持。Fraunhofer ILT开发的激光材料沉积（LMD）技术能够制造复杂的薄壁冷却通道，这些通道在传统制造方法中难以实现，LMD技术显著提高了火箭喷嘴的制造速度和成本效益。LMD技术允许在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有内部冷却通道，无需进行封闭操作，从而减少了零件数量和焊接操作。

Fraunhofer ILT还开发了适用于LPBF的金属粉末材料，专为氢动力火箭发动机设计，这些材料有助于实现轻量化并减少排放。Fraunhofer ILT的技术进步支持了欧洲航天工业向可持续和低碳方向发展，符合欧盟的环保法规。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

▲ EHLA极高速激光熔覆技术
© Fraunhofer

 HoTKaST
     重新设计填充室
     以实现资源节约型冷室压铸

由德国亚琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP领导的项目联盟正在通过 HoTKaST项目的研发成果在冷室压铸方面开辟新天地。其目的是通过重新设计填充室和耐磨表面，大幅减少压铸过程中的资源消耗和相关的二氧化碳排放。该项目由德国联邦教育与研究部 （BMBF） 资助，两年内提供超过 750,000 欧元的资金。

在卧式压铸中，熔融金属被引入填充室，然后在高压（高达 600 bar）下由活塞压入模腔。当腔室充满熔融金属（30-60% 填充水平）时，腔室的下部加热到高达 600°C 的温度。 相比之下，腔室的上部加热得更慢，加热程度也要小得多，导致温度分布不均匀。

这会导致直径变形：对于活塞直径为 120 mm 的腔室，直径变化可达 0.4 mm，长度变化约为 2-4 mm。此外，这种摩擦会在模具填充过程中导致熔融金属湍流，从而显着增加废品率。目前使用大量的活塞润滑剂来缓解这个问题。然而，这些润滑剂对环境有重大影响，也会对铸件的质量产生不利影响。

冷室压铸广泛用于各个行业，例如汽车行业，以生产轻质铝制部件。然而，在卧式压铸中，由于与工艺相关的变形和磨损，型腔和活塞的寿命会显着缩短。停机时间、高资源消耗和废品率增加给传统制造工艺和行业发展前景带来了重大挑战。

HoTKaST 项目通过实现冷室压铸中填充室的均匀温度控制以提高资源效率 ，该项目旨在通过使用激光金属沉积 （DED-LB/M）增材制造技术来应对这些挑战。通过重新设计模腔和应用耐磨内部涂层来提升资源效率，团队开发了一种新的填充室设计，以确保均匀的温度分布并最大限度地减少变形，使用激光沉积焊接 (DED-LB/M) 可形成耐磨的内表面，从而延长部件的使用寿命。

此外，正在开发的涂层系统不仅有助于填充室的固定温度控制，而且显着提高内表面的耐磨性。磨损保护层必须结合高硬度和韧性，以承受高活塞压力和同时发生的热机械应力。根据3D科学谷的市场洞察，为了实现这一目标，通过激光金属沉积应用各种材料组合，这是传统涂层方法不可能或非常难以实现的。

 技术突破的核心价值

在典型的传统冷室压铸工艺中，填充室需要反复加热至400-500℃的工作温度，每次压铸后却因接触常温金属液骤降至200℃以下。这种”热震荡”现象导致惊人的能源浪费。

HoTKaST 项目实现的均匀温度分布和耐磨的内表面相结合，有望显著延长生产部件的使用寿命，并大幅降低废品率。填充室尺寸稳定性的提高还应该确保活塞和腔室之间的紧密配合，从而使使用化石基润滑剂几乎过时。例如，对于一家拥有 8 台铸造机的压铸公司（项目合作伙伴 AMZ）目前每年使用约 1,700 升润滑剂，这种节约是显著的。

根据德国能源与环境署有限公司的数据，仅2019 年德国压铸用铝的年需求量超过 600,000 吨。假设废品率降低 8%，这将可能节省约 50,000 吨原材料和超过 480,000 吨二氧化碳。根据每年 3,300 kWh 的平均家庭用电量，这一 CO₂ 减排量相当于约 160,000 个德国家庭的年用电量。

更值得关注的是，根据3D科学谷的市场洞察，这项技术为镁合金等活性金属压铸开辟了新可能，有望解决新能源汽车轻量化材料应用的瓶颈问题。

 绿色制造的范式转移

3D科学谷认为HoTKaST项目的研发成果的真正价值，在于重构了现代制造的经济方程式。将传统认知中环保与效益的对立关系，转化为互相促进的飞轮效应。使得生产线在获得碳减排的同时，单件成本反而下降。这种”绿色溢价”的去除，标志着制造业正式进入可持续发展与经济效益正向循环的新纪元。

当全球产业界仍在ESG框架下艰难寻找平衡点时，HoTKaST项目的研发成果已勾勒出清晰的转型路径。这项源自德国亚琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP的创新，将开启智能制造与绿色经济深度融合的新篇章。

琛工业大学数字增材制造研究所RWTH DAP：

RWTH DAP是增材制造（3D打印）领域的全球顶尖科研机构之一。其研究覆盖金属、聚合物、陶瓷等材料的增材制造技术，并致力于推动工艺创新、材料开发、智能化生产及工业应用。

RWTH DAP是ACAM的核心成员，ACAM德国亚琛增材制造中心以亚琛工业大学所在的亚琛园区为基础，汇集亚琛顶级的研发资源并促进行业获得与亚琛工业大学和弗劳恩霍夫Fraunhofer IPT研究所和弗劳恩霍夫Fraunhofer ILT研究所相关的领先科研机构的增材制造专业知识。

ACAM为社区合作企业提供一站式服务，包括从设计到质量控制的整个工艺链，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。在国内，2024年，上海电气正式加入德国亚琛增材制造中心（ACAM）社区，成为这一联合研发体的中国首家企业合作成员，未来上海电气将与更多国际前沿科研机构携手，不断推动科技创新与开放合作，为发展新质生产力贡献更多的智慧和力量。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

▲ 激光材料沉积 (LMD) 的增材制造技术
© 德国亚琛Fraunhofer ILT

定向能量沉积增材制造技术，允许整个推力室总成（TCA）在火箭推力室喷管的制造过程中一次性形成所有的内部冷却通道，从而无需进行封闭操作，这样的好处是明显的，不仅可以显着减少零件和焊接操作，并使得整个推力室总成（TCA）更加可多次利用。

3D科学谷

 非常精细的薄壁冷却通道

除了其大型的构建外壳外，正在研究的设计还具有非常精细的薄壁冷却通道，这种结构通过传统加工制造技术往往非常复杂。该喷管旨在用作阿丽亚娜太空计划下一代火箭的组件，增强欧洲航天工业的技术主权和竞争力。

▲ 阿丽亚娜5号成功发射
© 欧空局/法国国家空间研究中心/阿丽亚娜航天公司

在ENLIGHTEN（欧洲低成本、创新和绿色高推力发动机倡议）项目中，Fraunhofer ILT 的团队将目光投向了欧洲航天工业的成功未来，科学家们正在研究新技术，以降低太空旅行的成本并增强欧洲在该领域的竞争能力。该项目共有18个合作伙伴参与，得到了欧盟委员会的积极支持，旨在维护欧洲在航天领域的技术主权，并能够在日益激烈的全球竞争中保持创新力。

 突破可能性的极限

突破成本太高，速度太慢的瓶颈：作为该项目的一部分，弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT 的专家们实际上正在为欧洲太空旅行带来新的推动力。3D科学谷了解到他们的计划是使用激光材料沉积 (LMD) 的增材制造技术生产火箭发动机的喷管，并按比例建造一个演示器。

特别之处在于 LMD 激光材料沉积增材制造技术提供的广泛可能性可以极大地提高新一代火箭喷嘴的制造速度和成本效益。除了其大型构建外壳外，正在研究的设计还具有非常精细的薄壁冷却通道。

© 3D科学谷白皮书

灵活、高效、准确——因而具有开创性

其他方法，例如线材电弧增材制造 (WAAM) 和激光粉末床熔融 (LPBF)，要么无法生产相对复杂的结构，要么生产效率明显低于 LMD激光材料沉积增材制造技术。最重要的是，LPBF激光粉末床熔融增材制造技术存在很大的尺寸限制。

▲ 航空航天增材制造应用发展方向
© 3D科学谷白皮书

火箭推进器喷管的薄壁结构需要具有特定光束质量的激光源，以产生直径极小的光束。Fraunhofer ILT激光研究所在这一领域特别强大，因为研究所内部拥有各种激光源和光学配置，可以根据具体应用进行调整。

让火箭制造加速发展

弗劳恩霍夫 ILT 正在开发的喷嘴旨在用作Ariane阿丽亚娜计划下一代火箭的组件。Ariane集团是负责ENLIGHTEN 项目的总体协调者。事实上，火箭喷管已经可以使用传统方法生产。但传统制造工艺目前涉及许多单独的工艺组合，这带来了时间和成本的挑战。由于没有制造商可以在单个生产地点执行所有步骤，组件必须移动到多个地点完成不同的工艺步骤， 这创建了一个显着延长生产和交货时间的流程链。

3D打印可以消除许多单独步骤的工艺技术，从而显着降低成本，但这还不是全部。与此同时，3D打印将大大缩短生产火箭喷管所需的时间。之前，这个过程需要几个月的时间，跨越一个季度以上。

强强联手，实现梦想的星辰大海

除了生产技术和实现演示器之外，Fraunhofer ILT 的专家还专注于过程监控和质量保证。该团队的目标是优化 Fraunhofer ILT 开发的技术的可靠性和稳健性，以便研究人员可以将其转移到工业界以供未来大规模生产。因此，同时使用过程监控系统，目的是利用传感器数据来定位和消除潜在的过程异常，从而全面确保组件质量。

一旦弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT 成功开发出工艺和演示器，这将是一个突破。3D科学谷了解到凭借弗劳恩霍夫激光研究所Fraunhofer ILT 的成果，可以让工业界在自己的设施中使用 LMD 激光材料沉积增材制造技术生产出同样其他大型、复杂和精密的结构，以供应航空航天业。

正如ENLIGHTEN项目合作伙伴的倡议表明，如果欧洲各国联手，可以继续在全球太空旅行和探索中发挥重要作用。在该项目的引导下，欧洲正在实现一系列可靠且有竞争力的欧洲太空运输系统项目的最新研究成果。由此看来，欧洲太空运输系统的未来一片光明。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

▲ 3D打印义眼
© Fraunhofer

 缩短80%生产时间

据 Moorfields Eye Charity 称，全球有超过800万人至少佩戴一只假眼，由于磨损，人工眼睛通常需要每五到十年更换一次，而当前的手工生产过程在可重复性和准确性方面面临挑战。因此，研究人员希望3D打印工艺能够满足假眼的高市场需求。

弗劳恩霍夫计算机图形研究所Fraunhofer IGD的人工智能 (AI) 驱动的自动化3D打印方法，与传统制造方法相比，3D打印义眼的生产时间缩短了 80%。更重要的是，新的3D打印和人工智能结合大大降低了眼科医师的劳动量，大约减少五倍，并且可以产生针对患者的真实且定制的质量可重复的以眼。
研究人员在对10名临床患者进行的初步试验中证明了新工艺的有效性，每位患者都接受了3D打印的眼假体。自这项试验完成以来，Moorfields 眼科医院已有200多名成年人接受了3D打印的假眼。

弗劳恩霍夫团队计划进一步完善其方法，以大幅降低生产逼真眼假体的成本要求，使更多人能够使用它们。

完整的研究题为“定制眼假体的自动数据驱动设计和3D打印”，并已发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员的新流程利用原型Casia2光学相干断层扫描 (OCT) 扫描仪来扫描患者的眼窝。这些3D扫描结果可以产生精确的数据，为人造眼睛提供紧密且舒适的配合。据报道，每个患者的完整数据采集过程花费了不到 30分钟。

然后，患者的眼睛数据被输入到人工智能模型中，该模型生成精确的 3D 打印设计，完美贴合患者的眼窝。在研究中，团队将设计上传到 GrabCAD 软件，并使用 VeroVivid 材料在 Stratasys J750 Polyjet 多材料3D打印机上3D打印假眼。

眼睛采用全彩3D打印，准确复制了患者健康眼睛的外观、大小和结构。据报道，Stratasys 3D 打印机的运行分辨率为每立方厘米180亿个液滴，可打印出高度精确且细节逼真的眼睛植入物。

这种新方法可在短短 90 分钟内设计和 3D 打印出完整的义眼，而使用传统方法则需要 8 个小时。Reinhard 表示，同时 3D 打印 100 个义眼需要 10 个小时。

3D打印完成后，合格的眼科医生只需15至30分钟即可安装好义眼。

科学家们表示，在普遍推广这一过程之前，必须克服一些限制。例如，OCT 3D扫描设备目前无法捕获非常复杂的眼窝。此外，3D扫描过程并不适合患有某些眼部疾病（例如眼球震颤或斜视）的患者。

 可扩展的应用

展望未来，研究人员相信他们的发现将推动数据驱动设计工具用于其他非眼睛假体的多材料 3D 打印的进一步研究和开发。这可能包括 3D 打印的牙齿修复体或面部假体。

© 3D科学谷白皮书

甚至可以将这一开发与更传统的假肢结合起来，例如生产与患者外观精确匹配的假肢套。

© 3D科学谷白皮书

3D打印在医疗领域发挥着越来越大的作用。在 3D 打印行业对近期 3D 打印趋势的调查中，3D打印专家强调医院越来越多地采用 3D 打印机来生产个性化医疗设备，例如眼假体。

Fraunhofer 的研究人员并不是第一个认识到 3D 打印在生产义眼方面的潜力的机构。早在 2021 年，一名伦敦男子成为世界上第一个安装 3D 打印义眼的人。此外，3D 打印不仅仅用于生产人眼假肢。2020 年，韩国忠北国立大学的研究人员开发了一种为因不治之症而失去眼睛的犬类 3D打印低成本义眼的工艺。

而根据3D科学谷的市场观察，基于AI重建人体假体，Fraunhofer目前在多个领域获得了显著进展，包括关节植入物，和眼眶植入物。

例如基于 AI 重建患者特定的陶瓷指关节植入物，在合作项目“FingerKIt”中，Fraunhofer IAPT、Fraunhofer MEVIS、Fraunhofer IKTS、Fraunhofer ITEM 和 Fraunhofer IWM 开发了一个连续的自动化3D打印-增材制造工艺链，以实现手指关节的重新活动。

而另外一个项目，基于人工智能的全自动3D打印眼眶植入物，Fraunhofer IAPT 研究所与位于德国汉堡的另外两家高校合作，在 DigiMed 项目中开发了一种基于人工智能的全自动工艺，用于生产个性化眼眶植入物。通过3D打印以超薄钛板形式存在的植入物，在临床实践中用于治疗眼眶损伤。人工智能算法不仅会显着加快3D打印眼眶植入物的生产，还会显着优化成本和质量。

Fraunhofer通过训练AI算法，根据可用的模拟数据自动生成单个植入物设计。作为项目成果，创建一个基于人工智能开发个性化植入物认证合规评估中心，这在全球范围内是独一无二的。

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。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文