因为模具行业的竞争十分激烈，而且增材制造模仁的成本不菲。

GF加工方案分享了一例来自著名模具与注塑生产制造商-东江模具的增材制造成功案例。案例展示了东江模具通过增材与减材相集成的完整工艺高效制作模仁，在降低整体制造成本的同时，还在提高工件质量方面发挥重大作用。

 《金属增材制造嫁接打印应用》

——模具企业怎样降本、提质、增效？

© GF加工方案

技术整合的重要性

 随形冷却的优势

毫无疑问，注塑成形是一种非常常见的成形方法，也是一种十分成功的生产工艺。注塑成形技术适用于生产热塑和热固塑料件，在生产中使用的模具为合金钢材质，通常，在批量生产情况下，注塑生产的周期数高达数百万次。注塑工艺是将熔融态的塑料注入到一个型腔中，型腔的形状近似于最终零件，塑料在注入到型腔后，快速冷却使工件硬化。

但是，冷却的时间必须足以将工件完全固化，确保工件在顶出时，工件的变形量能得到严格控制。因此，在注塑周期中，要使工件达到高质量，同时保持注塑周期的时间效率，冷却是关键。冷却液（通常为水或油）在模具中循环流动，用其冷却模具的表面，从而冷却模仁。

增材制造的冷却流道冷却注塑成形的表面，既随形冷却。实践证明，这是一种很有价值、可优化冷却条件的解决方案。 注塑面形状复杂，因此难以冷却。增材制造工艺可以在工件设计和生产中制造出传统加工技术无法生产的冷却流道。

用增材制造技术可以将冷却流道布置在与工件表面等距离的位置处，达到均匀冷却的效果，两个主要优点是：

•提高散热效率，缩短冷却时间，因此，缩短工件硬化所需的时间。

•均匀冷却工件，避免温度梯度不均导致工件翘曲和变形。

 模具增材制造完整工作流程的重要性

尽管已有大量文献指出增材制造技术具有冷却效率高的优势，但由于用户初期担心粉末性能、成本和在模具制造行业缺乏应用知识，增材制造的应用速度仍较缓慢。

通常，模具制造商的风险意识都较强，此外，也需要在生产注塑模中保持最低成本的优势，其中的压力相当大。如果在模具中使用增材制造的模仁，其优势十分明显，但同时也增加一定的成本。

因此，模具制造商必须向最终客户证明所增加成本的附加值。事实表明，生产模具也生产注塑件的公司采用随形冷却技术的比例较高。这些公司充分理解增材制造的价值，积极地将增材制造技术引入到生产流程中，体现增材制造的投资回报（ROI）价值，并随着增材制造工艺熟练程度的逐渐提高，逐渐加大增材制造技术的使用。

虽然增材制造技术日渐普及，但许多生产企业仍止步不前。使用增材制造技术的重大挑战之一是需要将增材制造工艺集成到已有的生产流程中。特别是在模具制造领域，增材制造的工件和模仁几乎全部都需要进行减材加工，只有这样才能满足对模具表面的极高表面质量要求。

因此，生产企业希望金属增材制造供应商提供完整工作流程的解决方案，包括从设计到成品件的交付，满足模具的高精度要求。只有将软件、增材制造机床、粉末、减材加工技术、自动化和工装夹具解决方案结合在一起，才能提供高效率的生态系统，降低成本和减少复杂性。

东江模具增材制造应用实践

 面向增材制造重新设计模具

总部位于深圳的东江模具公司，有37年模具设计和制造经验。东江模具既生产模具，也生产塑料件，他们快速把握金属增材制造技术的先机，投资增材制造设备，生产随形冷却的模仁。

图1 该案例介绍的最终塑料件的模型：用于在包装中固定智能手表的支架。© GF加工方案

东江模具选用了GF加工方案的减材和增材制造系统，用增材制造的随形冷却模仁优化工作流程。

东江模具案例中所涉及的端到端增材制造解决方案，已在GF 加工方案位于上海的AMotion Center 全面落地。扫描二维码，“码”上参与“Ask AMotion Center”与GF加工方案增材制造专家进行互动，并抢先看东江模具应用案例完整版。

由于既生产模具，也生产注塑件，因此，东江模具在用随形冷却的模仁生产最终注塑件方面的优势特别突出，包括高生产力和高质量，还能为其客户提供高效率的解决方案。

如果用传统减材法加工模仁且如果无法在合理成本情况下达到要求的产品质量和生产力，东江模具则选用增材制造技术生产这类模仁。

本文介绍的样件是一个用在包装行业十分普通的零件，尤其用在信息通信（ICT）行业的产品包装中。该塑料件用于智能手表包装盒中，用于支撑手表并将手表固定在包装盒内（图1）。

这是一款大批量生产的手表，因此，也需要大批量生产该款手表的包装和支架。为此，生产的挑战是成本和量产能力。此外，最终产品属于高价商品，要求支架达到相当程度的美观性。

这类包装件应用的挑战并非个案，类似的应用不胜枚举。对于这类应用，东江模具的三大生产挑战主要是：

•用传统模仁生产工艺无法满足量产能力和单件成本的目标要求。

•非随形冷却流道不能理想地控制温度。

•为提高冷却效果，用传统加工技术生产的模仁零件在组装中的成本过高。

为改进生产工艺，东江模具工程师重点改进关键模仁：这些模仁对注塑周期时间或塑料件质量的影响最大。在这方面，金属增材制造的投资回报率最高。

 高效率地将增材制造技术集成到模仁生产工艺中

GF加工方案开发了端到端的解决方案，帮助生产企业高效率地生产复杂金属零件。这套解决方案优化工作流程，无缝地将金属增材制造技术集成到现有的生产工艺中。

在东江模具的增材制造应用案例中，包含了GF 加工方案为其量身定制开发工作流程的每一个步骤，包括：设计、仿真与嫁接打印、成形后加工。

本期将分享设计与仿真流程。

l 设计

采用增材制造技术后，模具制造商可全新设计模具。必须保证设计的自由，包括逐层成形法和成形中使用的原材料，也即细金属粉。这两点要求对零件设计的限制非常少，主要限制是在悬垂部位、几何尺寸和粉料回收的便捷性。如果用增材制造方法生产随形冷却流道模具，只要在设计中遵守多年来成熟的设计原则，就能轻松克服这些限制。

首先，内冷道的尺寸和形状有设计限制。对于较大的悬垂部位，需要进行支撑，这些部位在增材制造完成后无法在模具内部去除。

图2 用传统减材技术生产的模仁流道© GF加工方案

因此，要限制内冷道直径的尺寸，要优先设计自支撑结构的内冷道（例如菱形、椭圆形或泪珠形等），要尽可能避免使用传统圆形截面的结构；通常，圆形的内冷道是用传统钻孔加工成形（图2）。

此外，模具制造行业的部分传统模具原则同样适用于增材制造的模具。特别是有关结构阻力的内冷道与工件壁间的最小距离，以及在整个内冷道长度上的压力下降和清洁便捷性（主要受内冷道截面尺寸、分支路径和数量的影响）。

在这些情况下，最小距离应足够大，要足以安全地将模具成形和为成形后加工保留余量。因此，从设计阶段开始，就能大幅降低风险。

按照以上原则生成的随形冷却流道在CAD软件上运行可能相对消耗时间。为此，专用的3DXpert®软件解决方案，特别是“模具设计模块”（Additive Moulding Add-on）是模具设计师和模具制造商的有力工具，用该工具可以显著提高工件质量，降低设计和生产成本。

用该软件模块可以创建随形冷却模仁，可以在需要的部位嫁接传统冷却和随形冷却。原因是该模块提供一套特别的功能，在仿真设计验证和模具设计验证阶段，节省用户的大量设计时间。

图3 3DXpert软件的“模具设计模块”提供的可选内冷道形状。模具制造商用该模块可生产随形冷却的模仁，可根据需要嫁接增材随形冷却部分到传统流道上。

© GF加工方案

•自动和手动生成随形冷却路径，也即在用户输入的一组数据基础上，即可生成冷却流道。轻松、快速创建冷却流道几何形状（图3）。

•分析冷却流道悬伸部位。

•分析和优化冷却流道与工件壁间的距离。

•在彩图中显示冷却流道与有效面间的距离 。

3DXpert提供多种工具，例如“热场图”，设计师用这些工具可快速评估冷却的均匀性和效率。这些工具不能完全取代模流分析，但可以帮助用户在生产初期快速评估设计质量。

图4 该模仁的随形冷却部分© GF加工方案

l 仿真

在增材制造机床上开始打印模仁前，通常需要进行模流分析，以发现可能的潜在问题。也用于判断优化的冷却流道的有效性，特别是是否需要提高温度均匀性，减少局部热点。

图5 传统冷却模仁与随形冷却模仁的温度分布图。在设计的初期阶段，设计师用3DXpert中的温度分布图工具快速评估冷却的均匀性和冷却效率。

© GF加工方案

在图6的左图中，我们可见模仁流道的外的温度分布。模仁中的流道用于输送冷却液，但由于分布不均匀，导致模仁的冷却效果不好。

在图5的右图中，我们分析了传统流道的热点区域，设计了新的随形冷却流道。从新的设计中，我们可以看到热点部位的温度有所降低，从96°C降低到86°C。更重要的是温度梯度更均匀，这是影响工件翘曲和变形的决定性因素。使用这个设计，在提高量产能力的同时，也会提高产品的质量。

如今，由于模流分析的不断完善，仿真的可靠性越来越高。以前，这类数据难以仿真，因此，用户很难在实际上机测试前，了解到设计的好坏。

设计师用仿真工具可以更好地预测实际冷却效果，提高设计可靠性，在模仁内设计随形冷却流道。在理论上，仿真工具可以验证随形冷道对注塑成形和最终塑料件的积极影响。东江模具在实际生产模具前，用这些工具向客户（内部客户或外部客户）展示随形冷却的好处。

在本案例的下篇中，3D科学谷将分享东江模具如何通过GF加工方案解决方案，实现智能手表包装盒零件注塑模仁的嫁接打印，怎样降低成本和提高效率，达到经济性，东江模具增材制造模仁达到了怎样的交付质量。敬请期待。

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图片：卡特彼勒通过金属粉末床熔化技术3D打印的燃油混合器

3D打印成为新常态

根据卡特彼勒增材制造产品经理Stacey Delvecchio，“卡特彼勒现在已经通过3D打印技术生产零部件。” 3D科学谷了解到目前卡特彼勒通过3D打印的零件接近100个SKU（Stock Keeping Unit – 库存量单位），虽然这个数字不大。但事实上，实际上卡特彼勒在通过3D打印用于生产用途，这是一个很大的成就。

目前卡特彼勒生产的3D打印零件主要用于售后市场，包括提供给经销商用于设备的维修和零件更换。举例来说，用于安装在自动平地机上的垫圈，这些垫圈由3D打印弹性塑料制造出来。由于这些垫圈在售后市场上消耗量很小，通过3D打印技术从而节省了库存所占用的资源。尤其是对于那些消耗量很小的备品备件，如果要重新开模来生产，成本会十分昂贵，卡特彼勒发现3D打印在重新制造这些高度专业化的组件方面具备明显的优势，那就是小批量的经济性和灵活性。

目前，不仅仅是塑料的3D打印，卡特彼勒还在积极的应用金属3D打印。其中一个经典的例子是，由卡特彼勒的太阳能涡轮机公司生产的燃气轮机需要采用传统方法难以铸造的带复杂翅片设计的燃油混合器，卡特彼勒的团队发现金属粉末床熔化技术可以更轻松地获得这些零件。通过3D打印所获得的燃料混合器具有所要求的所有复杂内部通道，并且不需要额外的组装和焊接工作。

卡特彼勒已经将3D打印技术用于生产零件变成一种常态，并不觉得是一种很特别的事情。在3D科学谷看来，对待3D打印技术的确需要一种“新常态”的理性态度。过冷或过热的非理性态度容易发生对3D打印技术的不合理期待，而制造商将3D打印技术常态化能够更理性地挖掘和利用这种技术的价值。

 3D科学谷REVIEW

目前，将3D打印技术积极引入售后零部件制造体系的还有德国的DB铁路公司，德国铁路公司在每个维修工作站中确定了至少一名或两名3D打印专家，并确定哪些零部件可以通过3D打印技术受益。事实证明，有很多火车零件适用于3D打印，包括咖啡机的备件、外挂钩、方向盘盖、头枕框架、盲人旅行者的盲文路标等等。

德国铁路并不局限于使用一种3D打印技术，因为他们已经发现了塑料和金属增材制造的不同优势。当前德国铁路公司用于塑料打印的材料主要是PA-12尼龙材料。用于金属3D打印的材料主要是铝合金材料，最近德国铁路还开始通过3D打印来制造钛合金零件。

通过与专门从事3D打印的公司合作，德国铁路已经能够利用最先进的增材制造技术，而不是投资设备本身。事实上，为了促进物流部门增材制造解决方案，德国铁路甚至于2016年9月成立了“移动增材制造”网络。德国铁路的移动增材制造网络已有50名公司，其中包括西门子、Concept Laser、Materialize、EOS、Stratasys、Autodesk等公司。

像航空航天工业那样，德国铁路在采用3D打印零件方面面临的主要挑战之一就是符合严格的安全要求。 某些方面，火车的安全要求甚至比飞机要严格得多，主要因为乘客需要乘坐长时间，而这对零件的抗磨损性和稳定性提出了很高的要求，并且列车的零件需要满足阻燃的性能要求。

3D科学谷认为，无论是卡特彼勒还是德国铁路公司，他们的特点都是公司的市场占有率高、产品线足够独特、备品备件需求量种类庞大，通过3D打印技术不仅仅满足了“随时随地”获得备品备件的灵活性，还节约了这些公司保有大量备品备件的成本，简化库存管理和减少异地运输的需求。

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3D科学谷发现，当我们欣喜与3D打印工艺的关键专利到期释放了3D打印技术活力的时候，另一大阵营的3D打印工艺专利却在紧锣密鼓的布局中。仅仅拿航空航天领域来说，从1975年最早的美国空军申请的火箭喷嘴复合结构件专利以来，到了2011年，3D打印应用端对专利的申请明显进入了井喷阶段，仅2014年一年，航空航天领域的国际企业就申请了198个3D打印方面的相关专利。

竞争的硝烟已不仅仅限于3D打印设备与材料领域，而是弥漫到应用领域。

本期，让我们通过主流企业的专利特点，来“窥一斑而见豹”，领略这些百花齐放的应用端专利特点。

 GE涡轮叶片上打印高温陶瓷传感器的专利

2017年1月17日GE获得批准的专利中，公开了用于制造涡轮机部件上的应变传感器的方法。该方法包括涡轮部件的外部表面规划，和如何将陶瓷材料沉积到外部表面指定的位置上。专利还公开了一种监测涡轮部件的方法，该方法包括形成至少两个参考点的应变传感器。

应变传感器的陶瓷粉体通过自动化的3D打印增材制造工艺沉积到叶片表面上，陶瓷材料可以包括热障涂层如氧化钇及稳定的氧化锆。而一些特殊的涡轮部件位置上则不需要热障涂层。

而完成应变传感器的制造则需要不同设备之间的配合，包括气溶胶喷射机（例如，Optomec气溶胶和透镜系统）、微喷机（如Ohcraft或nScrypt公司的微笔或3Dn），以及 MesoScribe Technologies技术公司的等离子喷涂设备MesoPlasma。

 空客申请3D打印大型飞机零部件专利技术

2016年，空客公司申请了一个新型3D打印技术的专利。据空客公司表示使用该技术有望彻底改变大规模制造的模式，甚至有望具有3D打印整架飞机的能力。专利中涉及的新技术更多依赖大量材料技术，并充分利用了3D打印的对象对其冷却过程中出现的内部应力做出的反应。

根据空客公司的专利申请材料，该技术主要使用一种类似于选择性激光烧结（SLS）的技术， 以及钛、铝等金属粉末，将多种材料融合在一起。在打印过程中，首先会生成一个壳体结构，将金属粉末沉积在上面，并通过激光对壳状结构和金属粉末进行加热，使它们共同融化、粘结成一个整体部件。当该部件冷却时，新形成的多材料金属层的内部应力将导致整个部件朝着预定的方向或曲线弯曲。产生这种结果的原因是由于壳体结构和金属在冷却时具有不同的收缩速率。

空客公司表示，使用这种技术3D打印的飞机部件，如机身、机翼或门等，能够承受住飞机在运行当中的剧烈条件而不丧失任何气动特性。这些3D打印零部件将使用更少的材料，变得更加轻量化，而且结构性更好。3D科学谷了解到通过该技术获得零件更大的稳定性。如果使用该技术3D打印飞机货舱的地板，将使其变得更加稳定，并承受更多的重量。

 西门子3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利

2017年，西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利获批，通过激光金属3D打印帮助涡轮部件提高耐温和耐磨性能。

图片：西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利

燃气涡轮发动机工业中，一个显著的趋势是追求更高的生产效率。为了实现更高的效率，燃气涡轮机运行在越来越高的工作温度环境下。理想情况下，旋转的涡轮叶片和涡轮部件之间的间隙要足够小，为了应对燃气轮机非常高的通流温度，许多涡轮组件内的流体流动路径需要热障涂层（TBCs）以保护底层组件在流体流动路径中恶劣环境下的正常运行。

图片：西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利

涂层通常是陶瓷结构，可以承受极端的温度并且磨损或耐擦伤。通过水射流加工方法，产生理想的耐磨表面轮廓。然而，这种方法的生产成本是昂贵的。西门子发现直接通过3D打印技术创建所需的表面轮廓的涡轮机组件更具成本效益。

通过激光一层一层融化金属粉末或陶瓷增强金属粉末，西门子制造出耐磨的网状结构的涡轮组件。这种网状结构包括多个网络，每组网络有一组的高度相对于涡轮部件的表面一致，多个交错绞线中的至少两组不同的高度。

图片：西门子通过3D打印涡轮耐磨损的环节面网状结构的专利

 波音关于通过3D打印用于飞机零件生产与维护的专利

2015年，波音提交了一份专利申请，主要涉及到更换飞机零部件的3D打印应用。这份专利申请可能对波音公司未来的经营产生重大影响。该专利的描述摘要：

“一种装置，包括：一个被配置为存储多个部件定义文件的零件库、一个存储了使用多个部件定义文件打印出来零部件识别条目的数据库，以及一个零部件管理系统，该系统能够接收针对上述部件定义文件库里的一个零部件的定义文件请求、识别该定义文件、接收根据该定义文件打印一个零部件的指令，并且把3D打印的该部件条目存入数据库。”

根据这个专利描述，波音公司可以不用设立多个库存中心存放零件备件，然后再运输到需要的位置，这很容易导致时间的延误；该公司只需搭建其一个拥有零备件CAD设计文件的在线模型库，任何地方只需一台3D打印机就可以在几分钟或几小时内制造出他们想要的备件。

波音的专利申请已经揭示了他们如何将3D打印用于生产和维护系统。当飞机零部件需要更换时，这300种3D打印的零部件可以随时找到，他们只需要简单地将更换件打印出来就可以了。而且未来波音公司3D打印的零部件将不限于塑料材质的，因为该专利介绍了几个其它的材料，包括金属、金属合金和石膏。

随着3D打印技术与应用端的深度结合，3D科学谷认为应用端将申请更多的专利以巩固其技术领先地位。或许，再过10年，当我们回顾这些企业的专利布局的时候，我们会发现今天的“井喷”仅仅是“小菏才露尖尖角”。

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NIF发明了一种使用大面积的光刻方法进行3D金属打印的方法，使用光寻址光阀（OALV-optically-addressable light valve）作为光掩模，一次性打印整层金属粉末。使用多路复用器，激光二极管和 Q开关激光脉冲来选择性地熔化每层金属粉末。近红外光的图案化是通过将光成像到光寻址光阀-OALV上实现的。

在基于二极管的增材制造工艺中，激光由一组四个二极管激光器阵列和脉冲激光器组成。 它通过可寻址光阀，对所需制造的3D模型的二维“切片”图像进行图案化。 激光随后闪烁一次打印整层金属粉末，而不是像传统的选择性激光熔融系统一样通过激光扫描策略来完成逐点的金属粉末熔化。

根据Lawrence Livermore国家实验室的研究人员的一项新研究，NIF的高功率激光束技术可以比以往任何时候更快地3D打印金属零件。这或许将颠覆粉末床选区激光融化技术。

DiAM技术的主要研究人员-LLNL科学家Ibo Matthews表示：“通过缩短打印时间并提高零件质量控制能力，这一过程可能会改变金属增材制造的现状。” 根据Ibo Matthews，“理论上，制造一个一立方米体积大小的零件大概需要DMLS选择性激光融化技术漫长的时间，而通过DiAM只需要几个小时就可以制造完成。此外，DiAM技术不仅仅快，灰度图像还可以允许减少残余应力，操作者可以在空间和时间上定制热应力。”

根据NIF，DiAM过程的“魔法”是一种定制的激光调制器，称为光寻址光阀（OALV），它包含一个串联的液晶单元和光电导晶体。研究人员解释说，这非常像液晶投影仪，OALV是用来根据预编程的逐层图像动态雕刻大功率激光。但是与传统的液晶投影仪不同，OALV是非像素化的，可以处理高激光功率。

图片：NIF的激光系统，来源NIF论文文档

该技术最初是在NIF设计和安装的，作为LEOPARD（激光能量优化精密调整辐射分配）系统的一部分，该系统于2010年部署，并在2012年获得了R&D100研发奖项。在NIF，使用OALV以优化激光束的轮廓并局部阴影保护经受较高强度和能量密度的光学元件。

NIF团队逐渐发现了这种技术可以用于金属3D打印，最初由LLNL前研究员James DeMuth领导，领导开发OALV的LLNL科学家John Heebner将其在金属3D打印中的应用描述为“自然协同作用”。

NIF认为DiAM项目结合了NIF实验室在大功率激光二极管阵列和OALV方面所开创的两项技术。 在引入到金属3D打印过程中，NIF将串行过程更改为并行过程，确保随着部件的复杂性或尺寸增加，图案化处理速度可以提高以追赶上制造的需要。

图片：NIF通过OALV来调整光波长度，通过控制灰度来控制打印质量，来源NIF论文文档

根据NIF,除了可能生产较大零件的能力外，DiAM技术可以产生与现在的金属3D打印机相当的打印质量，并且可能超越今天的金属3D打印质量，通过在投影图像中微调灰度梯度的能力意味着更好地控制残余应力和材料微观结构。

根据3D科学谷的市场研究，国际上，根据谢菲尔德大学的研究人员，他们研究出新的3D打印/增材制造工艺，通过使用节能二极管激光器阵列，不用振镜，达到更快、更经济的零件加工结果，谢菲尔德大学认为他们将改变零件的生产方式。谢菲尔德大学的技术与NIF的DiAM技术有哪些相似和不同之处？欢迎加入3D科学谷QQ群529965687下载相关文件。

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非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀 等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、 能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。近日，美国加州理工大学通过增材制造技术来获得非晶态金属的专利获批，据3D科学谷的市场研究，该技术已与国际上著名的几家大型企业开始展开商业合作对话。

专利名称：systems and methods for fabricating objects including amorphous metal using techniques akin to additive manufacturing

非晶态金属的特点是其无序的原子结构，被实现为高效的工程材料，不仅比传统金属硬得多，一般比陶瓷材料更硬。也相对耐腐蚀，并且具有良好的导电性。

然而，非晶态金属的制造是充满挑战的过程，特别是通常需要高于其熔化温度，并迅速冷却，使其避免结晶，从而形成的非晶态金属玻璃。制造过程需要非凡的冷却速度，并限制了它们可以形成的厚度，因为较厚的部分很难被迅速冷却。

加州理工大学制造非晶态金属的方法为：将第一层金属合金表面高温熔融；迅速冷却这层熔融金属合金，凝固形成非晶态金属的第一层；然后在此基础上进行下一层的加工。在这个过程中使用的是“喷涂技术”应用至每一层，包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。“喷涂技术”可以使用的原材料包括：金属丝和金属粉末。根据3D科学谷的市场研究，该“喷涂技术”为DED直接能量沉积3D打印技术。

图片：冷却速率与非晶态金属特征关系

随着加州理工大学的此项专利获批，该技术正式进入商业化阶段。无独有偶，非晶态金属进入商业化成为2017年金属增材制造界的热门话题。此前，EOS还投资非晶态金属3D打印初创企业Exmet，Exmet是从2016年起与德国材料巨头Heraeus集团合作研发非晶态金属3D打印技术，与加州理工大学所使用的DED技术不同的是，Exmet在工厂中配备了一台EOS M 290 金属3D打印机，用于制造高性能的非晶态金属零部件。

在国内，大连交通大学研究非晶态金属的制造已久，还通过采用熔体喷铸的方法制备了板状非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。大连理工大学通过真空操作环境中主要利用将工作台外侧设置冷却液工作池，保证所制备的金属构件始终处于较低温度，提高金属构件熔池附近的温度梯度，从而快速高效地扩散掉金属构件熔池附近热量，进而避免晶化的发生。

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我们所熟知的激光熔化粉末材料的加工方式正越来越多地被应用于航空航天和汽车等高附加值领域，将粉末材料通过激光熔化的方式制造金属和塑料零件。为了融化粉末，必须有充足的激光能量被转移到材料中，以熔化中心区的粉末，从而创建完全致密的部分，但同时热量的传导超出了激光光斑周长，影响到周围的粉末。所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光点的烧结量取决于粉末的热导率和激光的能量。

所扩散的激光能量和熔池的激光扫描速度都是经过精心调整和控制的，这样才能达到一致的金属合金的特性和层厚度。据3D科学谷的了解，激光束的聚焦是熔化过程中影响合金性能的关键，要达到一致的过程就依赖于控制激光点大小，就需要使得激光能量密度和转移到邻近粉末的能量是一致的。

目前粉末床激光融化加工工艺中，通过振镜来获得清晰聚焦的光束，因为任何聚焦的不集中都会导致能量传达到熔化区以外的材料带来不充分的粉末熔化，并可能导致的成品尺寸误差和表面光洁度差。如果聚焦光斑尺寸大幅度增加，那么可能导致成品组件含大量不完全熔化粉末和难以控制的材料性能。

所以说长久以来占据业界大脑的一个共识是振镜是实现精密加工的一个关键零件。而与市场上通用的加工技术不同的是，谢菲尔德大学尝试弃用振镜。他们将这一过程称为二极管面积熔化（Diode Area Melting），通过并行使用单个激光二极管阵列，这些激光束可以被打开或关闭，根据谢菲尔德大学这种方法更快、更节能。

来自电子与电气工程系的Kristian Groom博士说：“我们的研究挑战了业界长期以来的信念：低功率二极管由于功率低和光束质量差，无法实现充分的粉末材料熔化。Diode Area Melting技术的关键过程是移动短波长激光阵列（808nm），增加吸收的准直效应，并在几毫秒内聚焦光束达到1400℃的熔点，产生致密的零件，这种方法可用于17-4不锈钢零件的加工。”

Groom博士和机械工程系的Kamran Mumtaz博士计划将这种技术延伸到塑料产品的加工领域。研究小组认为设备将来有可能扩展成为多材料加工系统。这项研究获得了工程和物理科学研究委员会（EPSRC）的支持。

谢菲尔德大学的这项研究的商业价值如何？3D科学谷还需要后续跟踪观察，就弃用振镜的这项尝试来说，据3D科学谷的了解，此前德国Fraunhofer研究所发布的仅售3万欧元针对中小企业的入门级SLM 3D打印机也是没有振镜。

Fraunhofer的设备配备了140 W的激光二极管，焦点直径为250微米，并使用一个直角坐标系。该设备能够生产的金属部件高90毫米，最大直径80毫米。设备外观十分紧凑，仅占空间1.3×0.8×1.4米。通过调整打印速度和质量，研究所还尝试打印了一个中等大小的不锈钢组件，密度超过99.5%，并且可以在12小时内打印完成。

不过，Fraunhofer的这台设备似乎并没有涉及到激光二极管阵列，此外通常来说短波长激光包含发光波长由390nm到950nm，长波长激光则涵盖发光波长由980nm至1550nm的激光，而谢菲尔德大学选用短波长激光阵列（808nm）来加工金属粉末，可以说是一次脑洞大开的尝试。

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哈佛John A.保尔森工程和应用科学学院和哈佛Wyss威斯生物启发工程研究所的研究人员在哈佛大学通过多材料3D打印技术开发出可重构超材料的基础设计框架软件。

超材料不同寻常的特性主要依赖于独特的机械结构，而这些特定的结构通常是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制。

哈佛的研究人员尝试通过建立一个基础设计框架，从而实现几何形状和几个功能之间切换，他们的发现已经发表在自然杂志上。因为这个基础设计框架并不限制打印尺寸，可以从米级到纳米尺度的应用，从减震建筑材料升级到光子晶体的超材料结构。

哈佛大学Katia Bertoldi教授认为在可重构结构领域，设计空间是非常大的，所以面临的挑战是要想出聪明的策略来研究它，通过与设计师和数学家的合作，哈佛找到了一种方法来概括这些规则，并迅速产生了许多有趣的设计。

Wyss威斯工程研究所的科学家很快就意识到，随着多面体立体图形组件（通常）超过六面可作为设计单元，可用于挤压、重构一个模板，或者用于薄壁结构。结合设计和计算建模，他们能够创建一些不同的组合，以及一个用于快速、准确地建立类似材料的蓝图。

这个框架就像一个软件工具包，智能构建可重构的材料。基于计算模型，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打印机以及激光切割纸板、双面胶带等材料组合来创造超材料的原型。

根据研究人员，这个软件工具包为开发超材料能结构和航空航天工程师、材料科学家、物理学家、机械工程师、生物医学工程师、设计师和建筑师是有用的。

国内在超材料方面也涌现出积极的研究，根据3D科学谷的市场研究，活跃的科研单位有东南大学，中国人民解放军空军工程大学，西安交通大学，北京交通大学等。

东南大学通过3D打印一种自相似的空间折叠结构的分形声学超材料，用于宽带声聚焦透镜；

中国人民解放军空军工程大学开发了基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特殊形状，使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装；

西安交通大学使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行目标超材料实体进行3D打印，3D科学谷了解到其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料；

北京交通大学通过3D打印技术制备太赫兹波导预制棒，按照波导立体结构逐片打印以形成太赫兹波导预制棒进而拉制成太赫兹波，简化了制作工艺，降低了带有锐角微结构复杂横截面且纵向可变的太赫兹波导预制棒的制作成本，为后续拉制出具有优越传输性能的太赫兹波导，提供了很好的基础。

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记忆合金在医学医疗领域的应用包括血管支架，矫形植入物方面。我国以西北有色金属研究院，中科院沈阳金属研究所，天津大学等高等院校和科研院所也进行了大量的理论研究和生产工艺研究，取得了众多的科研成果和专利技术。本期，3D科学谷与谷友一起来了解记忆合金，国内发展到那个地步了？

钛镍基记忆合金
沈阳海纳鑫科技

沈阳海纳鑫科技以钛镍基记忆合金丝作原料，采用激光熔覆增材制造工艺，通过对制造部件的组织控制和变形量的控制，真空自耗凝壳炉的熔池大，获得合金元素的充分均匀化，防止合金偏析。

通过3D打印钛镍记忆合金丝的激光熔覆增材制造步骤为：
-根据要制造的部件的CAD图纸，用3Dmxs软件建模；
-用Cura软件切片，然后把此程序输入到激光熔覆打印机的控制电脑中；
-根据要制造部件的壁厚和部位的不同，确定熔覆速度，激光参数，送丝速度；
-调定冷却用氩气的压力，流量；
-开始激光熔覆打印；
-冷却处理，成品修整。

3D科学谷了解到沈阳海纳鑫科技的技术不仅仅体现在3D打印过程中，还体现在前期的钛镍基记忆合金的熔炼，钛镍基记忆合金丝的制备，以及加工过程中制造部件的组织控制和变形量的控制。另外，沈阳海纳鑫科技在合金中加入了微量的稀土金属元素，主要是为了细化晶粒和调整Ms转变温度。并且，对于桨类部件的桨叶部分的变形控制，沈阳海纳鑫科技采取了对称激光熔覆的工艺，同时控制激光熔覆速度和气体冷却速度，使其各个桨叶的组织和变形量基本一致。

形状记忆合金血管支架
南京航空航天大学

南京航空航天大学基于自动铺粉的激光组合加工技术制备形状记忆合金血管支架，根据待加工零件的三维数据模型，利用高能激光束熔化混合粉末体系，通过逐层铺粉、逐层熔凝叠加累积的方式，直至最终成形网状结构的血管支架坯件，然后经过电化学抛光处理达到特定表面粗糙度要求。

3D科学谷了解到这种血管支架具有以下特点：

-依靠形状记忆合金所特有的超弹性功能和形状记忆效应，可有效降低血管支架在临床应用时血管再狭窄发生率；
-通过力学性能和模拟生物体环境测试，血管支架具有良好的生物组织和血液相容性，符合医学应用条件；
-基于激光组合加工技术超高制造精度的优势及成形过程中惰性气体的保护，有效克服传统血管支架制备时加工表面粗糙、毛刺和氧化等问题。

南京航空航天大学研发的血管支架在高温定型后，在低温时压缩 成收缩状态并压握在球囊上，外加保护鞘，当支架进入血液后，即刻达到相变温 度，从奥氏体转变为马氏体，当外部保护鞘去除后，支架自行张开到预定的直径， 起到对狭窄病变区域的支撑作用。其中，血管支架在未变形时的相为奥氏体相， 撑开后转变为马氏体相，相变会改变合金的机械性能，但不会改变其原始成分， 当发生奥氏体到马氏体相变时，材料的硬度和强度都会提高，由于NiTi合金自 身良好的生物和组织相容性，发生相变后也不会对人体产生副作用。

南京航空航天大学采用的合金材料为镍、钛，第三种成分为Co或Cr或V中的一种。第三种成分可使材料表面形成致密稳定的氧化膜，有效抑制孔蚀的发生，从而提高血管支架整体的耐蚀性， 保证支架在人体内部的正常工作。

具有4D效应的脊柱侧凸内固定矫正装置
广州迈普再生医学

现有的金属类脊柱侧弯内固定器械在Zimmer，Stryker、Medtronic 和Depuy等公司的相关专利及技术资料中都有提到，然而现有脊柱侧凸手术矫形也存在一些问题，如：假关节形成、内固定失败 (断钉、棒和脱钩等)、深部感染等；特别对于手术患者，他们的侧凸程度 往往较为严重，医生在制定手术方案时，往往面临着是选择激进还是保守治 疗的难题。

脊柱侧弯疾病有个特点，每个病人的脊柱变形都不尽相同，侧凸角度、 旋转角度、脊椎骨形态、侧凸位置及对周边影响、脊柱旁软组织结构都不尽 相同，临床医生有个性化器械的需求。广州迈普再生医学发现3D打印技术的进步使制造更符合病人生理构造的个性化的脊柱矫形内固定器械成为可能。4D效应就是3D打印材料自动变成为预设的模型，是在3D打印的基础上增加了时间维度，也就是广州迈普再生医学的具有4D效应的脊柱侧凸内固定矫正装置中的4D的含义，随时间可控变形的性质是通过基于应力平衡的方式实现的。

3D科学谷了解到广州迈普再生医学的打印过程主要包括以下步骤：

-通过3D打印激光烧结打印技术制备镍钛基记忆合金材料骨架，待镍钛基记忆合金材料骨架冷却后，设计弧度并进行弯折；
-通过3D打印熔融沉积式打印技术，在得到的镍钛基记忆合金材料骨架上沉积热塑性材料从而制备热塑性材料外壳或者单独制备热塑性 材料外壳再将镍钛基记忆合金材料骨架与热塑性材料外壳组合，其中所述镍 钛基记忆合金材料骨架的定位孔与所述热塑性材料外壳的定位销进行配合， 从而得到功能单元。

本文参考资料：

ScienceDOI:10.1126/science.aaf6524
Science Advances  DOI: 10.1126/sciadv.1600319
Investigations on Ni-Ti shape memory alloy using laser based AM

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借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用，这其中常用的增强体包括Al2O3、TiC、TiB、SiC等。用于激光增材制造的金属材料包括了不锈钢、工具钢、钛合金、镍基高温合金、Co-Cr-Mo合金、铝合金等，但对于金属基复合材料的激光增材制造研究还相对较少。 本期，3D科学谷与谷友一起来领略南京航空航天大学在铝基纳米复合材料的3D打印制备方法的成果。

目前对于激光增材制造的颗粒增强铝基复合材料，在成形加工过程中主要面临这样一些问题：

- 由于铝对激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器难以使得铝合金发生完全熔化，增强颗粒的加入能够在程度上提高粉体对激光的吸收率，但增强颗粒加入过多则会导致材料延伸性能下降；

- 研究表明，降低增强体的颗粒尺寸达到纳米级可以有效提高金属基复合材料的机械性能，如提高强度和减少裂纹，但是当增强颗粒的尺寸减小至纳米尺度时，颗粒之间会因强烈的范德瓦尔力以及极大的表面张力而紧密地团聚在一起，从而很不利于增强颗粒在基体中的均匀分散，在激光增材制造过程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均匀分散第二相的作用，但该Marangoni流又与熔池的温度场紧密相连；

- 由于通常加入的增强颗粒为陶瓷相，而陶瓷相与基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数差异也往往较大，这就导致在成形过程中形成的液相不能均匀铺展，同时在随后的凝固过程中产生较大的收缩应力而出现裂纹。

为解决上述存在的技术问题，南京航空航天大学提供一种基于SLM成形的铝基纳米复合材料，用于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

南京航空航天大学对于铝基纳米复合材料的加工是在高纯氩气保护气氛环境中进行的，成形过程中维持在正压0.9-1.2atm。加工过程中，加工参数和粉体性能是影响激光最终成形件的两个最主要因素。从粉体成分角度考虑，稀土元素和陶瓷颗粒的添加必然会增强铝合金粉体对激光的吸收率，从而可保证在的激光功率下熔池具有充足的液相量。一方面，添加的陶瓷相其粒径大小、密度以及质量分数均会影响到激光吸收率。另一方面，激光成形工艺参数同样会显著影响到铝基纳米复合材料成形过程中熔池的热动力学特性以及随后的显微组织和性能。

针对这些因素的考虑，南京航空航天大学的方案具有如下优点：

- 精当的比例
粉末成分包括了铝硅合金粉末、稀土相和陶瓷相，其中稀土相为La、Nd、Sm或Y中的任意一种，所选择的这些稀土元素按照其热物性(熔点、热膨胀系数和表面张力)处于基体相和增强相之间的原则进行选取，保证了在激光加工过程中陶瓷增强相与基体之间良好的润湿性能和避免因热物性差异过大而导致在凝固过程中的开裂情况，其含量控制在0.3-0.8wt％，避免加入过多导致性能恶化；陶瓷颗粒选用碳化物，旨在成形过程中产生原位反应，改善界面结构，在尺寸方面选择纳米尺寸，则借助小尺寸和表界面效应有效提高材料的强韧性，此外陶瓷相的添加还可有效提高粉末对激光的吸收率，提高粉末的加工性能，但其添加含量需控制在4-6wt％，保证材料不会因增强相的过高而引起延展性下降。

- 梯度界面层
铝基纳米复合材料在增强相与基体相之间形成一定厚度的梯度界面层，从基体相到增强相Al及稀土元素成分呈现梯度变化，在加载过程中，增强颗粒处往往容易造成应力集中而导致开裂情况，但这种梯度界面层的存在则有效缓解了应力集中的发生，从而对材料起到了强韧化的作用；同时增强颗粒由于稀土元素的加入变得更加的细小和圆润，也减小了材料内部在加载中发生应力集中的几率。

- 均匀的粉体
利用高能球磨作用实现对陶瓷增强相和稀土相的包覆作用，借助二次球磨作用，有效获取满足于SLM成形工艺的粉体，即具有良好的流动性、球形度以及均匀的成分分布、较窄的粒径分布，该粉体制备方法简单、操作简便。

-控制有效体能量密度
通过优化SLM成形中有效体能量密度来控制获得良好的成形质量，有效体能量密度的作用体现在对激光加工中熔池的稳定性、温度场、流场以及伴随的激光显微组织结构的影响，综合的反映了粉体物性和加工参数这两者对SLM加工过程的影响。南京航空航天大学的制造工艺所形成的熔池具有很好的稳定性，成形件表面具有光滑并呈现出波纹状的熔道轨迹，同时几乎看不到球化效应并获得近全致密的结构。显微组织分析表明增强颗粒得到均匀的弥散分布，基体晶粒细小并呈胞状结构生长。

差距也意味着机会，尤其是高档模具钢市场，迄今为止国内产品的占有率很少，而这一市场将是国内模具业发展的趋势，潜在市场很大。本期，3D科学谷与谷友分享的是国内在通过粉末床激光3D打印技术制造马氏体模具钢的进展。

解决晶粒的粗大问题

模具钢大致可分为：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。

模具在经过传统机械加工后，一般要经过淬火、回火 处理，而模具的形状十分复杂，因此要求较高的淬透性、较小的变形及较低的开 裂倾向性。用传统方法制造模具有生产周期长，模具的淬透性差，模具在淬火过程中开裂导致报废等挑战。

为解决现有制模技术中的工序复杂、成本高以及报废率大等问题。3D科学谷了解到南京航空航天大学通过调整 激光加工过程工艺参数，改善成形模具晶粒粗大问题，从而改善其机械性能。利用Mn、Ni、Cr等合金元素稳定过冷奥氏体，在激光加工极大的冷却速度下得到组织均匀的马氏体，从而省去了后续的“淬火”过程，激光加工完毕后，成形模具被传送装置送入真空热处理室完成回火过程以释放其内应力。

具体来说南航在激光3D打印马氏体模具钢的制作中体现的技术特点包括：粉末的制备、激光打印过程控制、后期热处理。

案例一

粉末制备: 在铁粉中加入相同粒度和同样形状的Mn、Ni、Cr粉末，铁粉的平均粒径为60μm，Mn、Ni、Cr粉末添加的质量百分比分别为2.0％，4.0％，1.2％；金属粉末混合均匀后放入烘干箱中干燥处理8小时。

激光打印过程控制：

气体控制：先打开真空管道和真空泵抽真空一定程度后，再向成形腔体内通入氩气作为保护气体，通入的氩气的浓度不低于99.99％。重复抽真空和充入保护气体各三次，控制成形腔体内氧含量在8ppm的浓度范围。

激光及过程控制：所用激光光斑直径为60μm。激光的扫描方式为“S形正交层错”扫描，同时对成形模具的二维模型外轮廓进行后沟边，激光扫描速度为350 mm/s；激光空跳速度为3500mm/s；激光功率为70W；扫描间距为60μm； 此时激光线能量密度η为200J/m。成形缸体每一次下降的高度为25μm

后期热处理：成形模具被传送装置送入真空热处理室，低温回火处理后随炉冷却到室温；低温回火处理温度为300℃，加热速率10℃/min，处理时间5.5小时后随炉冷却到室温。从而得到具有均匀、细小的回火马氏体组织的成形模具。

图片：经过上述过程，南航获得的马氏体模具钢的显微组织照片

案例二：

改变Mn、Ni、Cr粉末添加的质量百分比分别为2.2％，4.2％，1.1％；

将激光功率设定为62.5W，扫描速度设定为250mm/s，此时激光线能量密度 η为250J/m。

其他加工条件与案例一相同。

如下图，案例二的加工条件下，所获得的回火马氏体组织除了具有均匀、细小的特征之外，还同时具有新颖的缠结结构， 有利于进一步提升成形模具的机械性能。

图片：经过上述过程，南航获得的马氏体模具钢的显微组织照片

当然，除了粉末制备，激光加工过程控制以及后期的热处理，南航的研究中还涉及到更为细腻严谨的关于激光扫描速度V对熔池的过冷度和凝固速度的研究，冷却速度对淬火效应和马氏体相变的影响，相变应力和热应力的共同作用下，晶格常数所受到的影响等等，3D科学谷在此不一一而述。值得思考的是，传统加工工艺中，高端模具钢的原材料方面是长久制约我国模具发展的一块短板，3D科学谷认为随着3D打印技术将制造工艺与新材料研究的结合，这为模具制造从材料突破到制造工艺打开了另一个思路和发展空间。

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