金属增材制造技术分类及特点

在民用航空领域主要应用的金属增材制造技术有两类，一类是粉末床熔融技术，如选区激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）、电子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）。另一类是定向能量沉积技术，如激光熔化沉积（Laser Melting Deposition，LMD）。以上3 种技术对比如表1所示[4]。

金属增材制造技术在民用航空领域研究进展

 研究现状

I 面向增材制造的设计

增材制造技术可极大提升设计自由度，开展面向增材制造的零件结构设计研究，对于发挥其技术优势起到关键作用。

面向增材制造的设计方法基础研究方面，国内外相关研究机构已取得部分成果。如法国通信与控制研究院Ponche等[5]提出了面向增材制造设计（Design For Additive Manufacturing，DFAM）的3个步骤的方法论；英国威尔士大学Thomas[6]对SLM 成形能力进行了测试，为结构设计提供依据；美国路易威尔大学Yang等[7]针对金属增材制造三维网格设计和加工进行了相关研究；德国Kranz等[8]对SLM成形TC4钛合金设计规则进行了细致研究，提出了大量适用于SLM技术的结构特征。

增材制造技术在民用航空领域的应用场景主要分为两类：一类是基于传统设计方案，经过合并、拓扑优化设计得到新设计方案，这也是目前主要研究方向。美国国防部、Sandia实验室等单位已经将拓扑优化技术应用于航空产品设计，并开展了试验件加工和验证性试验[9-10]。Altair公司在考虑稳定性的同时，使用一种多级方法实现了翼梁结构的拓扑优化设计[11]。在国内，张卫红等[12]在飞机发动机挂架和后机身结构布局优化设计方面取得重要进展。设计软件的开发也在不断适应拓扑优化设计的需求，其中比较著名的有美国Altair公司的Optistruct软件、ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件、德国FE-DESIGN公司的Tosca软件。

第二类是从零开始进行的面向增材制造的结构功能一体化设计。如面向功能需求重新设计零件等，可充分利用增材制造工艺优势，同时与传统工艺有机结合实现优势互补，兼顾生产效率与经济性。与第一类零件对比，第二类零件对面向增材制造的设计方法提出了更高要求，是未来的主流研究方向。

I 原材料研究

金属粉末作为金属增材制造的原材料，其化学成分、粒度分布等指标对制件质量存在重要影响。

在粉末化学成分方面，目前多进行定性分析，如明确O、N、Si 含量升高会降低Hastelloy X制件的持久性能，C元素含量降低会降低制件的强度等[13]。随着增材制造成形机理和特点逐渐明晰，部分学者也开始进行面向增材制造工艺的新材料设计，通过成分调配以适应成形工艺并提高制件的性能[14]。

在粉末粒度方面，15~45μm的粉末适用于SLM 成形，45~110μm的粉末适用于EBM成形，45~220μm的粉末适用于LMD成形。粉末粒径越小，越容易在成形过程中出现过热现象；粉末粒径过大，可能导致零件的致密度下降[15]。对粉末床熔融而言，粉末粒径分布决定铺粉层厚，小的粉末粒径和较窄的粒度分布范围有利于获得稳定的熔池并提高制件的致密度[16-18]。

粉末受潮会导致粉末表面形成单层或多层分子层，氢键增加[19]，相互作用力增大，流动性降低[20]，造成制件孔隙率升高[21]等。对粉末床熔融而言，粉末中的卫星球、长条颗粒会影响粉末的流动性，从而影响铺粉质量[22-24]。

在粉末空心率方面，空心粉会导致制件中气孔缺陷的产生，降低制件的致密度，大量孔洞的存在导致合金拉伸强度和屈服强度下降，尤其使缺口持久寿命和疲劳性能明显恶化[25]。

循环利用方面，随着粉末循环使用次数的增加，金属粉末的粒径会稍有增加，表面粗糙度升高（图1）[26]，O、N元素含量上升，粒度分布范围变窄，拉伸强度略有提升[27]。

图1 原始粉末和使用后粉末表面形貌

I 工艺研究

• 工艺过程仿真

金属增材制造成形过程是一个涉及移动熔池、快速非平衡凝固、固态相变的复杂冶金过程，该过程的非均匀快速热-力耦合和变形行为导致制件易出现翘曲变形、裂纹及孔洞等缺陷，这些缺陷对制件的尺寸精度、致密度及力学性能等产生不利影响。为了预防上述缺陷的发生，需要借助增材制造工艺仿真深入理解该过程。近年来，随着金属增材制造技术的发展，该过程的数值模拟技术也得到了快速发展。目前已经发展出覆盖各个尺度的数值模型，包括零件的宏观热应力分布数值模型、熔池内流动的介观数值模型、熔池凝固过程的相场、组织模拟等[28]。姜亚琼等[29]建立了C919飞机钛合金T型缘条构件缩比有限元模型，对其激光成形过程进行定性分析，研究了钛合金T型缘条激光熔化沉积过程中热/应力演变过程（图2[28]）。德国埃尔朗根-纽伦堡大学Gurtler等[30]采用了三维流体体积法模拟了激光选区熔化过程，研究了熔池内的液相流动以及气孔等缺陷的形成。Fallah等[31]模拟了Ti-Nb合金激光熔化沉积的凝固微观组织。在熔池固-液界面，根据FEM模型计算的温度梯度，将其简化成局部定向凝固的形式研究Ti-Nb合金熔池凝固微观组织演化行为。

图2 钛合金缘条温度场演化过程

用于金属增材制造的仿真软件有ABAQUS、ANSYS、3DSIM、SIMUFACT、AMPHYON等，但是目前针对金属增材制造建立的理论和数值模型采用了过多的简化假设条件，使得计算结果仅能定性分析工艺过程。当零件结构复杂或尺寸较大时，有限元模型也面临计算量过大而无法满足实际需要的问题。针对这些问题，在提高模型准确性方面，目前研究主要集中在基于原位测量的模型参数修正技术；在快速计算方面，主要采用动态自适应网格技术和多GPU 并行计算方法，提高计算效率[28]。

• 材料组织性能

材料的显微组织与其经历的热过程密切相关，增材制造材料在激光或电子束等移动热源的作用下经历“逐点扫描-逐线搭接-逐层堆积”多次复杂的热循环过程，制件每一层都经历了多周期、变循环、剧烈加热和冷却的短时热历史[3]，因此与传统工艺在组织结构上相比有较大的差异。增材制件沉积态组织主要是从基体沿着温度梯度较大的沉积方向外延生长的柱状晶粒[32-33]。增材制造组织的各向异性导致了力学性能各向异性。此外，零件尺寸、零件摆放方向、摆放位置、能量输入、与基板距离等多个因素对增材制件组织及缺陷存在影响[34-35]。

国内外研究机构在组织演变和提高力学性能等方面开展了大量研究工作。Fraunhofer研究所、美国空军研究实验室等[35-37]研究了热处理和热等静压对微观组织和性能的影响，热处理大大降低了组织内应力，热等静压消除了层间气孔等缺陷，使成形件的力学性能达到了锻件水平。在国内，北京航空航天大学、西北工业大学分别研究了钛合金、镍基高温合金零件的激光熔化沉积成形工艺[38-39]，并通过优化热处理制度，使钛合金、镍基高温合金制件组织得到改善，性能明显提高，成功应用于飞机大型承力结构件的制造。此外，超声振动辅助激光熔化沉积的试验结果表明：施加超声振动后，微观组织得到细化，其强度和塑性都得到提高[40]。感应加热辅助激光熔化沉积技术也可有效减小基体与熔化层之间的温度梯度，消除气孔、裂纹和夹渣等微观缺陷[40]。

 应用进展

 I 粉末床熔融技术

在应用方面，美国GE公司首个使用SLM成形且通过美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）认证的金属零部件是T25传感器壳体（图3（a）[41]），该零件在2015年实现装机应用，目前已被安装在超过400台的GE90-94B发动机中。GE公司采用SLM技术成形的燃油喷嘴（图3（b）[42]）在2016年通过了FAA认证，装机应用于Leap X航空发动机。2015年，GE公司采用增材制造技术进行全新涡轮螺旋桨发动机（ATP）的研发，如图3（c）[43]所示，该款发动机中约35%的部件（如燃烧室、动力齿轮箱等）由增材制造技术完成，零件总数由原来的855个减少至12个，这样简洁的一体化结构设计使发动机重量得以降低，燃油消耗量降幅达20%，发动机的动力提升了10%[43]。从GE公司的增材制造技术应用来看，该技术在航空发动机领域正在逐渐由零件级向整机级应用发展。

图3 GE公司SLM成形零部件

德国MTU公司利用SLM技术直接制备PW1100G-JM航空发动机的镍基合金管道镜内窥镜套筒及多联体导向叶片。2017年，法国赛峰公司首个增材制造零件——镍基合金涡轮喷嘴通过欧洲航空安全局认证，该涡轮喷嘴是eAPU60微型涡轮发动机的核心部件之一，重量减轻了35%[44]。2019年，赛峰公司增材制造的LEAP发动机润滑单元通过适航认证[45]。2017年9月，空客宣布在批量化生产的A350 XWB系列飞机上首次安装SLM成形的钛合金闩锁轴[46]。

GE公司利用EBM技术成功制造了航空发动机TiAl合金低压涡轮叶片，比传统镍基高温合金叶片减重50%。GE公司已经在GEnx、GE9X等航空发动机上采用了EBM成形的TiAl叶片[47]。英国罗罗公司研究使用EBM技术制造XWB-97发动机的前轴承座部件，该部件直径1500mm，厚500mm，含有48个翼面。

中国航发商用航空发动机有限责任公司在国内率先开展SLM和LMD技术在商用航空发动机中的应用研究，分别试制了燃油喷嘴、预旋喷嘴、涡轮冷效叶片（图4）、测试受感部及发动机安装节平台等零件，其中增材制造燃油喷嘴已在CJ-1000AX核心机和整机上装机应用（图5）。此外，2017年还完成10kg推力的全金属增材制造微型涡喷发动机的制造[48]。

图4 增材制造涡轮叶片

图5 装有增材制造燃油喷嘴的国产商用航空发动机

I  定向能量沉积技术

国内定向能量沉积技术已在飞机结构件上得到大量应用，如北京航空航天大学成功研制出飞机大型整体钛合金起落架整体支撑框、飞机座椅支座及腹鳍接头等金属部件[3,49]，使我国成为目前世界上唯一实现激光成形钛合金大型整体主承力构件成功装机工程应用的国家；沈阳飞机设计研究所、上海飞机设计研究院等通过激光熔化沉积研制出了30余种钛合金和超高强度钢大型整体关键主承力构件[3]；西北工业大学对TC4、TA15、IN718等合金开展了大量研究工作[50-52]，图6（a）[52]为C919机翼上下缘条钛合金构件，图6（b）[52]为激光修复的航空发动机轴承后机匣。

图6 LMD成形/修复零部件

LMD技术的一个重要应用领域是对受损零件的修复。2008年以来，英国罗罗公司与国防部联合资助开展整体叶盘的低成本修复技术研究，通过引进美国Optomec公司LENS850R设备和德国Trumpf公司的LMD1005激光直接沉积设备开展整体叶盘激光修复基础研究。通过大量基础技术研究工作，国外初步建立起整体叶盘的激光修复装备、技术流程和相应数据库，推动了整体叶盘激光修复技术的工程化应用[53]。MTU 公司也利用激光熔化沉积对单晶高涡叶片进行修复研究，对低压涡轮叶片进行“Z”型齿阻尼面耐磨层修复[54]。

增材制造技术在民用航空领域应用面临的若干挑战

增材制造零件通过适航认证是实现民用航空领域工程化应用的前提。增材制造技术的应用水平高度依赖于部件的创新设计，在零件设计、制造和验证过程中，应充分考虑结构设计、成形工艺（模型摆放位置、支撑设计、打印方向等）、过程质量监测和控制、后处理技术及零件检测技术可靠性等方面的影响因素。

基于民用航空领域对新材料、新工艺技术的安全符合性及经济性要求，增材制造技术还存在以下挑战。

 尚未形成面向增材制造的设计方法

面向增材制造的设计对于增材制造技术的应用起到关键作用。面向传统制造的设计方法（Design For Manufacturing）已经广泛建立起有效的设计原则，如面向机械加工的设计需考虑刀具和装夹，面向冲压成形的设计需考虑材料的塑性及模具结构等。与传统制造相比，尽管金属增材制造技术给复杂金属零件的制造带来了革命性的影响，但由于增材制造技术工艺特点与传统工艺具有本质不同，设计人员对增材制造工艺技术特点认识的局限性限制了零部件在结构、形状、尺寸、功能、重量等多维度的优化设计，使得增材制造的技术优势难以充分发挥。目前在民用航空应用领域，缺少从应用需求出发、摆脱传统设计进行的面向增材制造的原创设计，尚未形成面向增材制造的设计方法。

为突破这一局限，增材制造设计及制造应当加强协同，在已开展增材制造零件试制的基础上，打破传统制造技术造成的概念壁垒，尝试进行全新设计。以民用航空中典型零件为载体，逐步基于增材制造工艺特点优化设计方法，兼顾尺寸精度限制、结构形式对工艺难度的影响、力学性能各向异性特点等，利用三维模型设计及仿真技术，最终设计出高可靠性、轻量化、结构功能一体化的零件。

 增材制造精密复杂构件成形效率低、成本高

为获得良好的尺寸精度和表面质量，在成形精密复杂构件时，工艺参数设置需采用较小的层厚及较小的光斑，导致增材制造毛坯的成形效率远低于传统工艺。采用粉末床熔融增材制造，其粉末原材料单价远远超过传统工艺，且在成形大尺寸零件时粉末占用量很大。同时增材制造设备成本较高，国内多数增材制造装备仍处于科研阶段，尚未形成规模化生产，也在一定程度上导致了成本上升。

由于目前成形效率低、成本较高，增材制造装备技术在民用航空领域，特别是商用飞机方面仅限于少量实例，尚未大范围推广应用。为提升生产效率、降低生产成本，在设备方面，多光束增材制造设备已逐步成熟，成形效率得到有效提升。同时随着技术逐步普及，设备及原材料单价已出现较大降幅。此外，设计方案决定了产品成本的80%[55]，应当从增材制造零件设计阶段就开展成本评估，在零件设计阶段基于成本控制思想进行设计，使传统工艺与增材制造实现合理匹配。

 增材制造过程质量监控不完善

增材制造成形过程中，热源、移动熔池与粉末基体的交互作用存在复杂的物理、化学和热力耦合现象。除复杂的热过程外，激光功率及定位精度、成形气氛、飞溅物及烟尘排除等也对零件质量产生重要影响。由此导致了增材制造成形质量过程监控难度很大，如何实现有效监控是当前面临的关键难点之一。

主流增材制造设备已初步实现熔池监控、铺粉质量监控，即可获取熔池形成及凝固过程、铺粉质量的具体信息，综合判断成形过程是否存在异常，可以辅助推断零件具体位置的缺陷情况。

当前业内采用的监控手段的效果有限，尚未达到充分有效的程度。开发集光学、热学、声学等方法于一体的过程监控体系，将是未来发展的重要方向之一。

 增材制造后处理工艺不成熟

增材制造零件性能高度依赖于后处理，包括热处理、去支撑、表面光整等。由于成形过程快速熔化和凝固以及热循环等特点使得组织结构复杂，存在各向异性，传统的热处理工艺制度不再完全适用；对于粉末床熔融成形复杂结构零件，工艺支撑去除手段有限，多采用钳工去除，存在零件变形及损坏风险，质量一致性难以保证；毛坯零件需要经过表面处理才能达到或接近零件最终使用要求，浅表层存在的微细裂纹限制了其在转动件或承力件上的使用。

内表面光整处理是粉末床熔融增材制造后处理技术的关键难点。现阶段主要的技术方法为电化学加工、磨粒流、磁力抛光等，对于简单流道可基本满足要求，但在复杂流道、盲孔、薄壁、变截面、复杂曲面等方面尚存在较大不足，容易出现去除量不均匀、流道破损等现象。

新型内腔光整技术和支撑去除技术是未来增材制造后处理技术发展的方向，进一步提高零件尺寸精度和表面粗糙度对提升零件综合性能可以起到关键作用。

 缺乏适用的检测及考核标准

增材制造典型缺陷的基本特征、形成机理及控制方法目前尚不完全明确，这些冶金缺陷在电磁场、超声波等外物理场或外介质中的物理化学响应行为、无损检验特性及方法，以及这些内部缺陷的微观力学行为、对材料及构件力学性能的影响规律及缺陷损伤容限特性等均在探索中[27]。

传统制件检验标准不再适用于增材制造零件的检测和评价。如沿用传统铸件或锻件的检测方式进行增材制造零件的检测，部分缺陷无法准确检出或无法准确分析评价。在零件、部件考核方面，由于进行了一体化设计、结构集成以及拓扑优化等全新设计，原方案的考核要求也不再适用。

增材制造零件的检测需根据其特征采取多种检测方法协同的方式进行。适用于增材制造的检测方法有光学测量、计算机断层扫描、射线检测、涡流检测、渗透检测、过程补偿谐振测试、热成像检测、超声波检测等。

 增材制造零件批次稳定性控制能力不足

增材制造技术具有强工艺相关性的特点，在零件批量生产的批次稳定性控制方面仍然存在许多问题。影响增材制造零件批次稳定性的因素复杂，主要包括原材料、设备系统、成形工艺、后处理工艺等方面。原材料在化学成分、粒度分布、流动性等方面的变化会对增材制造零件批次间的组织和性能带来差异，在原材料的性能控制、循环使用等方面尚未形成行业内严谨统一的规则，增大了工艺技术风险。设备系统的热源（如激光束、电子束）定位精度、气氛控制、机械系统控制对制件的表面粗糙度、尺寸精度及制件成分的稳定性有影响。成形工艺和后处理工艺对制件的批次稳定性有着决定性的影响，成形工艺参数控制、烧结策略、平均能量密度、粉末层层厚等因素直接影响成形制件各批次的质量，后处理工艺则通过去支撑方法、热处理温度、冷速或压力控制以及表面光整技术影响零件批次生产的稳定性。应当从人员、设备、材料、工艺和环境多方面控制增材制造零件批次稳定性，推动增材制造技术朝着智能化、自动化与集成化的方向发展，这也是增材制造未来发展的主要方向。

 增材制造零件适航认证缺乏统一规则

根据FAA 33.15（国内民航局为CAAC 33.15）及AP-21等条款相关规定，必须提供足够证据支撑增材制造零件可靠性、安全性和产品质量一致性等符合性验证工作。目前国内外增材制造零件适航认证仍缺乏统一规则，但其适航思路应与传统工艺基本保持一致，经过材料符合性、制造符合性技术审核，按照固化工艺过程、建立标准规范、验证满足设计要求、完善质量控制体系的过程，最终完成适航取证。

按照从易到难的原则，适航认证的零件正在逐步从现有材料、现有设计向新材料、新设计发展，从非承力构件向承力构件发展，从一般件向关重件发展，取得了长足进步。

结论

近20年，金属增材制造技术水平得到快速提高，对民用航空零件的设计及制造带来重大变革，且随着面向增材制造的设计思想逐步深入、工艺技术逐步完善、标准体系逐步建立，可以预见未来其在民用航空领域中具有巨大应用潜力。然而，目前增材制造技术仍在设计、材料、工艺、标准等方面存在诸多问题，限制了技术应用水平。建议在基础研究方面，充分重视并持续加强在增材制造相关机理和科学问题方面的研究工作，更好地实现产品质量一致性控制；在产业化应用方面，基于综合成本与技术因素，选择民用航空典型零件为“突破口”，快速推动涵盖面向增材制造的原材料、设计、制造、检测、考核及适航认证的全流程技术体系发展，提升金属增材制造技术在民用航空领域中的应用水平。

来源：增材制造创新设计

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 航空业的产品—客机

客机是用来载人的交通工具，也是目前普通人能够使用的最快捷的交通工具。北京到上海只需要2个半小时，支付几百元的机票，就可以享受这趟数千公里旅程。实现了古人“一日千里”的理想，这是航空业经过数百年发展积累的结果，也是其价值的体现。

达美航空公司运营的空客A319客机

客机作为一个已经市场化的产品，其价值影响链是这样的一个顺序：飞机制造商是飞机的设计者制造者，完成飞机制造以后，以一定的价格将飞机卖给航空公司或者租赁。航空公司得到飞机以后，客机就是其盈利的工具。在一架飞机近20年的使用时间里，通过给旅客提供航程服务，获得收益。而对于普通乘客而言，只需要支付票价，就可以享受特定的航程。这就是对客机这一产品价值链的简单表述。

基于这样的价值链条，可以反向推理一下对于客机设计的要求：

在这个“需求链”中，如何帮助航空公司降低运营成本成为关键。与航空公司的运营成本相关的因素有很大，比如管理成本，营销广告，人员薪资成本等，还有航线设置等非产品因素，在产品本身方面大体有以下几个：

1. 飞机的安全性舒适性：安全的飞机人们才敢乘坐，乘坐体验好，人们更愿意选择。
2. 燃油的经济性：飞机靠航空喷气发动机驱动，飞行时消耗大量的航空燃料，在近20年的运营时间里，燃油花费的费用数亿元，甚至超过购买飞机的价格。想要降低飞行成本，就需要飞机的“单位里程×单位个人“的燃油消耗更少，才能降低燃油产生的成本。要想实现这个目的，就需要从两个方面入手。一个是提高航空发动机的燃烧效率，同样多的燃油能够飞更远的距离。另一个是减轻飞机本身的重量，将更多的有效载荷用来运输更多的乘客。所以飞机就越造越大，一架飞机上，载人的数量也在不断的增加，直到达到运营平衡。
3. 低的维护成本：在飞机运营时间里，飞机的各种部件要非常可靠，不需要花费太多时间与成本在飞机的维护上。

 飞机的设计制造周期

基于航空公司这3点大的需求，对于任何一个飞机制造商的飞机设计部门而言，就必须考虑进去。 用一句经典的话来讲：“飞机每减少1g的重量，就给航空公司带来了数万美元的经济价值。” 飞机的设计制造是一个相当复杂的流程，这里简单的分为几个步骤来理解。

设计环节
一架飞机由数百万个零部件组成。简单规则的部件，可以按照传统的设计制造方法实现。而一些异形复杂部件由于其加工难度大甚至无法加工，只能拆分成多个部件，按照总体功能要求，逐一设计，并将设计数据传递到制造环节，按照这样的设计思维，每个拆分的部件因为需要组装性结构，就会产生多余的结构重量，数量众多的部件直接导致飞机设计重量增加。

制造环节
为了能够加工，零件在设计上被大量的拆分逐个加工，为了保证最后质量，对每个部件的加工精度要求都很高。航空公司就需要购买使用不同的高精度的加工机床，来加工各种结构，还需要聘请专业的机床操作人员来操作机床加工，成本自然也就变的很高，制造过程中要去除大量的材料，造成的材料的浪费，时间上也浪费很大。

组装环节
数量众多的零件，带来了巨大的组装工作量，飞机制造商需要聘请大量的工人来组装飞机部件，增加了这一环节的时间。零件数量的增加，也可能导致可靠性的降低，飞机本身的减重设计用减材加工的方式，需要去除大量的材料，导致材料的浪费。

测试优化
数量众多的零件，带来了更多的飞机测试实验，以保证每一个零部件的可靠性，一台发动机需要测试数年，才能投入市场，这大大增加了飞机开发的设计周期。

定型供应
测试定型以后，飞机制造商需要将不同的零件分发给自己的零件供应商，由此产生了大量的商业协作。某种程度上也增加了飞机制造的成本。

运营维护
飞机设计完成交付给航空公司，运营过程中产生维护，需要数量众多的备用零部件，在飞机维护时以方便更换维护，对于飞机维护人员，也需要仔细分析众多的零部件，找到真正原因，这导致对维护人员的要求变得很高，航空公司需要花费高价培训维护人员。

在分析了以上传统设计流程以后，加入3D打印技术运用，看给客机的设计制造产生了什么影响。

通过对比，可以很明显的看到3D打印技术对客机的设计制造产生的巨大影响，其产生的价值，完全符合航空公司对客机的要求。从带来的好处来看：

1. 更少的材料浪费
2. 时间周期的缩短
3. 燃油效率的提升
4. 飞机重量的降低
5. 人力成本的减少
6. 更大的利益占比
7.  更高的使用可靠性

对于使用3D打印技术完全融合在飞机设计制造的供应商来说，新的技术必然带来新的挑战：

1. 增材制造新材料的成本相对高，需要想办法降低材料成本。
2. 对设计/制造/测试/管理等公司人员都需要重新培训，对航空公司的维护人员/飞行员等也需要进行一定的新培训来适应这一技术带来的变化，而不单单只是设计环节。
3. 基于分层制造的增材制造技术，大部件打印时间长，需要改进优化增材制造的方法，或者与传统铸造技术等方式结合，提高零件制造的速度，降低成本。

 3D打印在航空业客机设计制作中的运用

到这里，对于3D打印对航空业产生的影响，已经有了基本的概念。目前在客机领域，3D打印的应用一个是航空发动机，一体化设计减轻重量，提高燃油效率，其他部分分为重要受力结构件和非重要单结构件，通过拓扑优化实现减重。

 航空业在3D打印应用方面未来的发展-人才培养

在充分理解了这些行业运用以后，可以看到航空业在3D打印应用方面的发展趋于成熟。随着国际上大的航空公司在3D打印应用的不断推进，比较重要的是设立相关的专业来培养3D打印相关的人才，充分储备行业新人才，才有可能打破原有的设计思路，以适应新技术的设计理念来设计属于未来的客机。尤其是在拓扑优化与网格微晶化结构设计方面，以及DfAM设计理念的掌握，需要大量的实践积累，才能保证设计出来高质量的产品。

林传春
在3D打印行业从业多年，一直在3D打印技术方面以DFAM的设计思维做实践运用立志推广3D打印技术的运用，希望让更多人感受到3D打印带给人们的价值。

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 精致、个性、独特造型，注塑瓶盖何去何从？

瓶盖的发展早期是使用软木材质，旋铁盖等。至今续开发出铝质的长颈铝盖，碳酸饮铝盖，热充填铝盖，注射液铝盖，药盖，塑胶瓶盖等产品。铝盖虽有部份为塑盖取代，但主要应用于酒及机能性饮，需求稳定成长，而爪盖的需求比则变动大，塑料盖的需求稳中有升。由于瓶盖为包装工业之重要一环，下游消费市场需求强的变化，将直接影响到对瓶盖的市场需求。

在产品质量与外形要求日益严苛的当下，小如瓶盖也要做到精致、美观、独树一帜，那么势必对瓶盖的生产技术造成冲击，如何在保障质量的同时提高生产效率，成为了瓶盖模具制造的技术难题。

瓶盖有两种制作工艺，分别为：注塑成型与压铸成型。注塑盖生产工艺生产流程：吸料机将混合好的材料吸入注塑机炮筒，在炮筒内加热到熔融塑化状态后，注射到模具型腔中，在型腔中冷却定型、脱模、再经过切环加垫，完成注塑生产。而压塑盖生产工艺为：吸料机将混合好的材料吸入注塑机炮筒，在炮筒内加热到半熔融塑化状态后，定量挤出到模具型腔内，上下模具合模，压塑并冷却定型、脱模、再经过切环加垫，完成注塑生产。

从瓶盖的的两种制作工艺我们不难看出，其中都存在最重要的一环，冷却定型。产品成型离不开冷却成型，因此冷却水路系统是瓶盖产品制作的关键所在。

而冷却水路是模具的重要组成部分。瓶盖质量好坏，速度快慢，大多取决于冷却水路。

传统制模中，冷却水路一般通过CNC加工方式，冷却水路只能通过铣床钻孔的方式加工产生内部水路网络，并通过内置止水栓和外置堵头的方式来调整水路流向。这样就导致水路布置有很大的局限性，水路只能为圆柱形直孔，无法百转环绕于模具内腔之中。当遇见形状复杂的模具产品时，传统水路无法完全贴近注塑件表面，冷却效率低且冷却不均匀，导致注塑周期长、产品变形量大。

图1：传统水路3D模型图

在最开始生产饮料等塑胶盖与爪盖时，传统水路还是能够胜任的，但随着产品包装造型越发复杂，瓶盖的形状也越来越独特，形体凹凸不平，导致传统水路的冷却作用捉襟见肘。

 新征程：3D打印获取创新的契机

但随着3D打印技术的发展，特别是金属3D打印（SLM，选择性激光烧结）技术发展至今已经相当成熟，SLM技术现在已广泛应用于航空航天、医疗制造业中。在航空航天领域，GE用验证机对35%的3D打印零部件进行了验证、C919对3D打印件进行的大规模使用。

而瓶盖模具技术，也因为3D打印迎来了新生。3D打印技术又称为增材制造，是一种采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除——削切加工技术，增材制造是一种“从无到有”的制造方式。

针对化妆品瓶盖造型，通过这种逐层累加的3D打印技术，可以制造出一种无所不能的冷却水路——随形水路，它可根据产品轮廓的变化而变化，到达模腔任何地方，模具内部将无任何冷却盲点。（如下图）

图2：随形水路3D模型图及侧截面图

运用这种水路，它可以使瓶盖能加快冷却速度，缩短产品的成型周期，此外，冷却均衡，减少产品缺陷，提高产品良率。

然而这种技术的革新，真的能给企业带来如此优势？很多人保持着观望的态度。上海毅速激光科技有限公司2007年成立于上海，（以下简称：毅速）是一家3D打印应用技术开发与服务的科技公司，毅速致力于注塑模具前沿技术的研究与开发，率先对这种技术做出了研究。

针对目前化妆品瓶盖模具的两种水路：传统水路与随形水路，毅速的模流分析师使用Autodesk Moldflow软件分析出化妆品瓶盖在两种水路中的：镶件温度、冷却时间、模温状态等数据。从而得出随形水路是否真的拥有奇效。

 案例分析——化妆品瓶盖

项目难点：热流道倒装设计空间受限，导致传统水路无法实现，此外产品成型周期过长，产品浇口处易烫伤。毅速设计师将公模仁镶件采用3D打印实现随形冷却，热嘴套镶件走随形水路，在产品材质上使用毅速研发的3D打印专用金属粉末EM191不锈钢进行打印。

在随形水路形成后，将应用随形水路与传统水路的数据进行模流对比：
模流分析图：
图3：毅速ESU化妆品瓶盖传统水路与随形水路镶件温度对比图

从模流分析图上显示：化妆品瓶盖顶部温度最高，应用传统水路镶件温度最高94.81℃，而应用随形水路镶件温度最高62.17℃，随形水路比传统水路镶件温度低34.4%（32.6℃）。从上述的模流分析数据我们不难得出结论：应用随形水路能够使模具顶出时温度更低，有利于缩短零件顶出时间。
图4：毅速ESU化妆品瓶盖传统水路与随形水路冷却时间对比图

产品的冷却时间与产品的顶出成型时间有着直接关系，从图2的数据表明，应用传统水路化妆品瓶盖的冷却时间需21.71s，而随形水路仅需要6.07s，单个瓶盖的时间就可以缩短72%（15.64s），可想而知，化妆品瓶盖制造商使用应用了随形水路的模具时，瓶盖的产出速度，成型周期将会是多么快，这为制造商带来多大的经济效益。图5：毅速ESU化妆品瓶盖传统水路与随形水路模温周期对比图

图3是化妆品瓶盖的模温周期图，它代表着产品平均表面温度变化，X轴为时间，Y轴为温度，从图中的曲线示意图我们可以很清晰的看出，随形水路模温比较温度，而且随着时间的推移，有一个下降的过程，然而传统水路的模温一直较高且随着时间一直升高。图6：应用传统水路浇口处明显烫伤 图7：随形水路浇口处无烫痕，产品合格

图5、图6分分别是化妆品瓶盖实际产品图，因为传统水路无法完全覆盖到模具型腔之中，而化妆品瓶盖的顶部正是传统水路无法到达的区域，所以当产品冷却不均衡，顶部温度过高，非常容易造成浇口烫伤，而随形水路运用3D打印技术，可以将水路遍布模具型腔的任意位置，因此冷却均衡，很好的避免了这个问题。

从随形水路与传统水路的几组模流分析对比图上，我们可以很清晰的了解到化妆品瓶盖生产过程中的镶件温度、冷却时间、模温周期各自是怎么样的一个变化。从这场分析中我们可以总结以下几点：

1、根据注塑件形状复杂程度，可降低冷却时间20%至50%；
2、根据注塑件形状，可减少变形量15%至90%；
3、模具成本略有增加，但综合注塑产能、良品率等因素，最终效益大幅提高；
4、随形水路应用范围广，可用于多数注塑件的冷却优化。

3D打印技术的应用，不仅仅在航天航空等高科技领域，技术下沉，注塑瓶盖与3D打印技术的结合，当实体制造业遇见高科技技术，它给你带来的确是实实实在在的经济效益。而当下面对越来越复杂的材料、设计、产品，企业如果再不进行升级转型，提升自己，难免就会被时代所淘汰。而3D打印的随形水路在化妆品瓶盖的应用，无论是生产效率或是产品质量，都带来了意想不到的惊喜。

文章来源：上海毅速

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 传统模具制造的瓶颈

冷却水路是指在模架、模仁中利用机械加工出来的贯穿性的孔，通过某种介质（如水、油）不停的在里面循环。达到控制模具的温度，以便更好的控制塑料产品在模具中的冷却及收缩，从而控制产品尺寸及表面要求。

传统的模具内，冷却水路只能通过铣床钻孔的方式加工产生内部水路网络，并通过内置止水栓和外置堵头的方式来调整水路流向。这样就导致水路布置有很大的局限性，水路只能为圆柱形直孔，无法百转环绕于模具内腔之中。当遇见形状复杂的模具产品时，传统水路无法完全贴近注塑件表面，冷却效率低且冷却不均匀，导致注塑周期长、产品变形量大。

此外传统的模具制造需要经过图纸设计、工艺审查、可行性分析、工艺设计、编程、精加工等流程，步骤繁琐，花费时间较长，且涉及较多的人工参与及工具使用。

随着3D打印技术的发展，特别是金属3D打印（SLM，选择性激光烧结）技术发展至今已经相当成熟，SLM技术现在已广泛应用于航空航天、医疗制造业中。在航空航天领域，GE用验证机对35%的3D打印零部件进行了验证、C919对3D打印件进行的大规模使用。

模具行业也因为3D打印技术的发展和应用，迎来了第二次生命。这一切要归功于3D打印技术在模具行业的应用重新定义了冷却水路，而在在模具制造中，如果没有优秀的冷却水路系统，一切将无从谈起！

 突破传统模具制造的“关键先生”

上海毅速激光科技有限公司2007年成立于上海，（以下简称：毅速）是一家3D打印应用技术开发与服务的科技公司，毅速致力于注塑模具前沿技术的研究与开发。

3D打印技术又称为增材制造，是一种采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除——削切加工技术，增材制造是一种“从无到有”的制造方式。

3D打印技术的发展与革新使毅速的技术工程师们看到了希望，改变长期以来被传统水路支配的困局，提高模具制造效率与良品率成为了毅速研究的新方向。 毅速的工程师们认为，通过这种逐层累加的3D打印技术，可以制造出一种无所不能的冷却水路——随形水路，它可根据产品轮廓的变化而变化，到达模腔任何地方，模具内部将无任何冷却盲点。（如下图）

传统水路3D模型图（绿色部分）                          随形水路3D模型图（绿色部分）

而随形水路目前主要利用选区激光熔化（SLM）3D打印技术与扩散焊技术来进行加工，由于SLM 3D打印技术可做出更为复杂与圆滑的水路形状且成本更低，因此SLM 3D打印技术在随形水路上应用更为广泛。毅速激光科技有限公司（ESU）所使用的的就是SLM 3d打印技术。 而相较于传统水路制作来说SLM 3D打印工艺流程就简单的多，它分为三个部分：

1. 3D文档-转换导出STL数据-STL数据切层（设计阶段）
2. 选区激光熔化金属粉末组层堆积打印（制造阶段）
3. 打印完成后取出工件-后处理-交货（交付阶段）

SLM 3D打印工艺流程

制作工艺流程虽看似简单，但金属3D打印技术在模具冷却水路制造中的应用则突破了交叉钻孔方式对冷却水路设计的限制。现在，模具设计企业可以设计出更靠近模具冷却表面的随形水路，它们具有平滑的角落，完美贴近模具型腔，实现最佳模温状态，获取更快的流量和更高的冷却效率。

其次随形水路突出优势在于：设计的无限性、较少的人工参与、优秀的成型质量以及工期的大大缩短，仅需要模具的三维模型输入打印机即可自行加工，从而提高了生产效率；可适应0.8~1.5Mpa甚至更高高压的模温机，提升了最终产品的质量，使产品的单位成本降低。此外，传统模具需要使用机械加工进行除锈，3D打印模具可以通过超声电解的方式进行维护。

3D打印模具随形水路流程图

毅速的工程师们经多次模流分析与实践应用，得出随形水路的各项优势数据（后附产品案例模流分析图）：

1. 根据注塑件形状复杂程度，可降低冷却时间20%至50%；
2. 根据注塑件形状，可减少变形量15%至90%；
3. 模具成本略有增加，但综合注塑产能、良品率等因素，最终效益大幅提高；
4. 随形水路应用范围广，可用于多数注塑件的冷却优化。
5. 模具维护方式简易可行。

 “关键先生”的难点

随形水路冷却系统具备诸多的优点，但在设计水路方案的过程中却仍会遇到许多难点，为了解决这些难点，毅速技术工程师经过实践摸索、吸取增材制造领域各专家的经验，总结出以下基础规则，向同行分享并期待补充：

1.水路的直径

通过铣床钻孔或车床车削等方式制造的传统冷却水路常用直径为4.0-12.0mm。这种冷却水路，如果直径过大，为了避开模具部件，会导致水路难以接近模具表面，但如果直径过小，水路加工时又可能会发生钻头偏移。

虽然，增材制造技术规避了钻孔方式的一些局限性，但是在设计水路时，仍需将直径设定在经过实践验证的常用尺寸范围内，从而降低这种技术的不确定性。

2.恒定体积定律

传统水路制造时，其横截面积是不变的。尽管通过3D打印技术可以制造出一条拥有多种不同形状的水路，但是，在设计3D打印随形冷却水路时，应保持水路的横截面积不变，从而保证恒定体积的冷却液体通过水路。

3.与模具表面的距离

冷却水路与模具表面的距离并没有一个明确的数值，对于随形水路来说，影响水路与模具表面距离的关键因素在于零件的几何形状。设计与模具表面距离时，只需要遵循一个原则即：随形水路与模具表面始终保持相同的距离，从而达到均匀冷却效果。

4.冷却水路的长度

在使用钻孔方式加工冷却水路时，如果钻孔时产生的碎屑未被排空，则可能发生钻头漂移或损坏。在这种情况下，人们会选择将冷却水路设计得尽量短一些。

3D打印技术制造随形冷却水路，不存在刀具损坏等问题，但是，在设计时仍不建议将水路设计得过长。毅速的设计师们在设计冷却水路时，原则是直径最大化，流长最小化，以保证水路的冷却效率。

以上这些设计规则，并不是成功3D打印随形冷却水路所需要关注的全部规则，这些经验只是有效设计3D打印随形冷却水路的基础。

 案例——模流分析数据为王

“我们之所以敢如此肯定的说毅速随形水路冷却方案能够给用户提高冷却效率、缩短成型周期、以及提高产品良率，是因为在每一件模具产品制作前，我们都经过了无数次的模流分析”一位毅速模流分析工程师说道。

大数据时代，只有数据才能给与我们以及客户带来信任感。

现在以毅速3D打印成功案例——3C领域产品Housing为例，展现一下应用随形水路的产品对比传统水路在冷却时间、产品温度、产品变形等各方面的真实数据。

产品名称：Housing

项目问题与难点：框口尺寸太小，无法走水路；周期太长模具温差大；产品框口变形大且变形量不稳定；更换铍铜镶件后没有达到预期效果。

毅速工程师根据产品模具的难点结合3D打印技术研究得出以下对策：

框口镶件设计随形水路；EM191（毅速研制的3D打印专用金属粉末）不锈钢打印；壁厚做到1.0mm尽可能增大水路截面。

方案设计好后，便进行模流分析，将应用传统水路与随形水路对比，分析各项数据，得出优劣效果，证实方案的可行性与随形水路的优越性。

图1：冷却水路3D模型图及产品实例图

左上为传统水路3D模型图，右上为随形水路3D模型图以及水路横截面剖视图。

从两张图的对比可以很明显的看到不同之处：传统水路仅覆盖在产品上下部分，中间无水路覆盖，而随形水路却覆盖产品上、中、下每个部分，使得水路到达模具型腔中的任意部分。这样不但加强冷却效果，缩短生产周期，提高生产效率；还能够使产品冷却均衡，避免造成产品缺陷：如产品变形等。

以下模流分析图、数据由：Autodesk Moldflow软件得出。

模流结果对比：达到顶出温度的时间

图2：传统水路：13.07s                                                  图3： 随形水路：6.57s

如上图：据模流分析数据显示：应用传统水路达到模具顶出温度的时间需13.07s，而应用随形水路只需6.57s；结论：模具达到顶出温度的时间，应用随形水路比普通水路快49.7%（6.5s），模具达到顶出温度时间短，证明冷却速度快。因此：应用随形水路能够加快冷却速度，缩短生产周期。

模流结果对比：零件温度

图4：传统水路：79.94℃                                                                图5：随形水路：34.72℃

如上图：据模流分析数据显示：应用传统水路塑胶零件温度达79.94℃，而应用随形水路温度仅为34.72℃；结论：模具塑胶零件温度方面，应用随形水路比传统水路降低56.5%（45.2℃），因此：应用随形水路能够使模具顶出时温度更低。

模流结果对比：模具温度

图6：传统水路：83.25℃                                                                       图7：随形水路：30.95℃

如上图：据模流分析数据显示：应用传统水路模具最高温度达83.25℃，而应用随形水路最高温度仅为30.95℃；结论：模具温度方面，应用随形水路比普通水路可下降62.8%（52.3℃），因此：应用随形水路能够使模具顶出时温度更低。

模流结果对比：变形

Z（框口）变形

图8：传统水路：3.8mm

图9：随形水路：0.3mm

如上图：据模流分析数据显示：应用传统水路产品框口变形达：3.8mm，而应用随形水路框口变形仅：0.3mm。结论：模具框口变形，应用随形水路比传统水路框口形变最高改善93%（3.5）。因此：应用随形水路能够降低产品框口形变量从而减少产品缺陷，提高产品良率。

如上图：据模流分析数据显示：应用传统水路的产品整体变形达：1.9mm，而应用随形水路整体变形仅：0.3mm。结论：模具总体形变方面，应用随形水路比传统水路形变量最高改善93%。因此：应用随形水路能够降低产品形变量从而减少产品缺陷，提高产品良率。

模流分析对比结果—总结

图12：housing模流分析各项数据总结

整个案例从模具达到顶出温度的时间、塑胶零件温度、模具温度、产品形变量等方面分析应用随形水路与传统水路在这几个方面的数据，结果很明显，在冷却效率、产品良率等功能上随形水路数据均远超传统水路。

时代在发展，技术在革新，面对新环境给予我们的困局，传统模具制造业应该也必须跟上时代的潮流。3D打印技术制造的随形水路冷却系统，与使用铣床钻孔或车削方式制作的传统水路相比，随形水路能给制造商带来更优质的产品，更快的生产效率，更高的企业效益。而在这个讲究效率与质量的时代，二者缺一不可，看似矛盾，现在却实现统一，因此，3D打印随形水路或是模具制造企业突破困局的“关键先生”。

文章来源：上海毅速

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根据3D科学谷的市场研究，近日刊登于Plasma Processes and Polymers 期刊中的一篇研究论文，提出了一种可用于聚合物材料3D打印的新工艺-等离子体技术HelixJet，论文题目为”HelixJet: An innovative plasma source for next‐generation additive manufacturing (3D printing)”

来源：Plasma Processes and Polymers

 有益于3D打印部件的机械性能

根据研究论文，等离子体技术已经应用到目前的3D打印工艺中，例如用来改善粉末床激光烧结3D打印部件的表面质量。此外，还能够用于对SLS 3D打印材料进行预处理，从而将降低孔隙率。

聚合物等离子喷涂技术也可以被认为是一种能量沉积（DED）3D打印工艺，该技术具有以相对高的沉积速率处理大的构建体积的能力，原料可以直接被沉积在现有组件上，并有可能改变构件内的化学成分以生产功能梯度材料（参见ASTM F3187-16）。但根据ASTM F3187-16，简单的涂层沉积系统不被认为是DED 工艺，因为后者还必须具有根据CAD文件逐层构建的能力。

研究论文指出，聚酰胺11（PA 11）材料可以通过等离子弧源喷涂到涂层中，但需要高电弧功率（30kW）来熔化颗粒，由于材料需要热降解，将导致原料重量出现显著损失。熔化和热降解均显示出强烈的尺寸效应，导致产生未熔化的颗粒、裂缝和孔隙等主要缺陷。

相关研究发现，尺寸在40和60μm之间的PA11颗粒能够实现最佳平衡，但与块状材料相比，等离子喷涂的聚酰胺涂层表现出较低的拉伸强度和脆性的应力，在激光烧结部件中也可以观察到这种脆性行为。即使对于给定的粒度，由于电弧等离子体射流内存在大的温度梯度，只能在某些角度的原料注入下产生令人满意的涂层。

这对等离子技术提出了两个进一步的要求：（a）提供明确定义的横向沉积点（像素）；（b）沿喷射轴的温度分布的能力，避免后续沉积材料的热降解现象。

研究团队基于在非热气压等离子体射流中观察到的自组织现象产生了新的想法, 提出了新等离子体射流HelixJet，它具有双螺旋电极。为了对所提出的原理进行证明，研究团队用 HelixJet 技术制造了SLS 3D打印工艺常用的聚酰胺12（PA 12）材料。

PA 12 是SLS 3D打印中常用的聚合物，该材料具有机械性能和有利于烧结热特性，但是在部件性能和工艺的整体效率方面仍存在需要克服的问题。虽然SLS 3D打印的PA 12部件与注塑件性能相近，但在某些情况下存在不足之处，例如延展性低。有的研究认为，孔隙度是导致SLS 3D打印部件变化的原因，并尝试解决这类问题，包括对烧结前的粉末进行等离子体处理，但这种方式还没有被广泛采用。研究论文总结了其中的原因：（a）等离子体粉末处理中产生的表面官能化程度在数小时内显著降低；（b）为必须避免粉末的降解，时间和温度必须进行严格控制。

研究团队在论文中表示，即使没有等离子体预处理，由不同的时间-温度循环引起的粉末降解变化，也被认为是引起SLS 3D打印部件性质变化的原因。在SLS 3D打印工艺中，打印前需要将基础粉末预热至略低于熔化温度的温度，以防止部件“翘曲”。但这一过程中，未烧结粉末的分子量和结晶度也将发生变化，预热增加了SLS 3D打印工艺的时间、成本以及复杂性。基于以上原因，研究团队表示，在需要的地方直接沉积聚合物粉末将具有明显的益处。

 实验中测试的粉末材料

研究团队选择了三种市场中常见的SLS 3D打印PA12 粉末：PA2201，PA2200和PA2221，均来自EOS 公司。研究团队使用PA 12的默认参数在SLS 3D打印设备EOS Formiga P100 中生产零件，在宏观和微观尺度上呈现出一系列具有不同有序度的形态。

用于SLS 3D打印的聚酰胺粉末
通过扫描电子显微镜获得的低(b)和高放大率(c)下的表面形态

 等离子源和粉末加工

HelixJet是一种大气压电容耦合等离子体源，其射频（RF）功率应用于两个双螺旋电极。电极放置在由工作气体（氩气）供给的石英管外部。 加工PA12 粉末材料所用的等离子体源和沉积条件规范

研究团队将单次粉末（10mg）注入等离子中，粉末颗粒尺寸与气体的速度决定了颗粒在等离子体中的停留时间，在实验中，颗粒停留的时间在50ms的范围内。在沉积单剂量后放电被立即关闭，避免等离子体的长时间暴露，该设置实现了 200mg/s 的处理速度。

研究团队还对HelixJet的均匀性和电场模拟、热特性、等离子体3D打印PA 12 材料的样品形态特征，以及样品化学表征进行了分析。

最终得出研究结论为，使用新型HelixJet等离子体源在大气压下，以200mg / s的沉积速率，进行PA12粉末3D打印，沉积物中得到部分熔化的粉末和强交联的颗粒。通过层流气流，排出稳定性和径向和轴向均匀的等离子体，实现粉末粒子束在射流中心的限制。这些条件导致在毫米长度尺度上的单剂量沉积物的高斯厚度分布，其中化学和形态结构的组合预期有益于3D打印部件的机械性能。

在可行性实验和建模的基础上，使用HelixJet将等离子体制造工艺升级到1 cm 3 / min的速度是可能的，但需要引入连续粉末进料系统和计算机控制等其他技术，从而进一步将HelixJet转换为一真正的增材制造-3D打印技术。

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然而，除了技术本身的成熟度，还有没有其他因素在限制3D打印的发展？如果说3D打印是一次工业革命，那么发展至今，这场革命是由新型的3D打印公司来主导？还是会从当前的制造业企业内部发生深层次的变革呢？制造业企业采用3D打印的障碍是什么？

根据3 D科学谷的市场观察，当前制造业企业采用3D打印所面临的障碍几乎可以用情况恶劣来形容。本期3D科学谷将从供应链体系、人才、资产投资、认证等几个方面详细剖析。

3D打印发动机原型视频，机加工与3D打印无缝衔接。来源：雷尼绍

 牵一发而动全身

制造业采用3D打印的障碍，我们先回顾一下Materialise公司创始人Fried Vancraen与3D科学谷创始人Kitty关于3D打印眼镜的沟通话题。

由一副眼镜，Fried谈到3D打印行业发展的痛楚，他说大多数时候，大家会以为当有了一个好的产品诞生后，这个产品会一下子受到广泛欢迎，从而产品像自己会卖掉自己一样形成迅速铺开市场的局面。当发现这种产品并没有实现大家期待的自我销售，大家又开始质疑这种创新并感到失望。这不仅仅在中国，在全世界范围都会普遍存在。

正如Fried所提到的，并不是在设计师改变他们的设计思维，完成他们的设计理念的转变后（Mind Shift）就可以带来3D打印技术的遍地开花，3D打印技术要实现与应用端的深度结合，需要从设计到生产、销售、商业模式、供应链等多个层面的创新。一副小小的眼镜要通过3D打印技术来实现定制化生产，眼镜店还需要配备恰当的扫描仪，还要有人懂得如何操作使用，如何建模，如何帮助消费者形成订单，并且整个供应链还需要做出调整。

拿眼镜行业来说，我们不能片面的去看技术解决了什么样的痛点，而低估了传统供应链包括既有的分销体系，订单管理，销售链路跟踪，定价体系，佣金体系，人的理念等各方面因素的对3D打印技术渗透这个行业所带来的层层阻力。不仅仅是眼镜这样的消费品，大到汽车这样的工业制造行业更是处处充满挑战，虽然汽车制造行业是最早引入3D打印技术用于原型制造的，然而汽车产业庞大的技术认证体系，复杂的供应链方式，极高的制造效率要求，使得3D打印的产业化之路颇为艰辛。

陷入牵一发而动全身的陷阱，使得有些公司似乎还没有机会体验3D打印所带来的附加值是怎样的，是如何实现的。

想像一下，一家大型制造公司拥有数十年以传统方式开展工作的经验。所有的流程、设备、培训以及最重要的预算都集中在传统流程上。这时候他们出于自身的短期发展资金安全角度，也会本能的拒绝新的想法。

认识到这些投资有一大半可能是需要淘汰掉的，而未来又是全新未知的风险，探索未知世界的“滩头阵地”的确需要巨大勇气。

将新的制造技术融入关键制造工艺是一项重大任务，因为无论工厂发生什么，客户都必须继续获得高质量的产品。没有一家制造企业能够做到停止目前的生产，而去探索探索未知世界的“滩头阵地”，

由于存在未知风险，而克服这一初始步骤所需的现金和资源有时非常庞大，以至于制造业企业不愿意甚至无法继续进行这样的探索。

这使得不仅仅供应链成为障碍，资金投入成为另外一个因素使得制造业企业陷入牵一发而动全身的陷阱。

而其他方面，包括市场上可用的人才，包括3D打印的认证体系，是额外的因素使得制造业难以对3D打印技术敞开怀抱。

不过转变正在缓慢发生，考虑一下航空航天业，这个行业多年来花费了大量精力来采用3D打印技术。而航空航天行业也获得了奖励：轻量级零件所带来的附加值可以直接转化为制造企业的竞争力。对于许多其他行业而言，尚未形成清晰的附加值创造所带来的价值传递链。

在这里，应对3D打印所带来的工业革命，3D科学谷建议传统制造企业可以尝试建立内部创业公司的模式，一方面保证母公司的收入来源不受干扰，可持续的进行；一方面通过内部孵化的解决方案将原来那些通过传统制造方法来制造难以实现或成本太高的部件得以替换。

另外，制造企业还可以尝试建立3D打印卓越中心连接内外部资源。3D打印卓越中心能够更好地完善现有的3D打印方法并为推广3D打印技术做准备，同时创建度量标准，重点改进设计创新，健全关键流程标准化，并重点改进质量和检验流程。3D打印卓越中心还可以作为供应链合作伙伴的培训机构或体验中心，并为企业内部的团队提供培训机会。

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 邀请函

致结构设计工程师及业务主管：

产品设计与开发过程中，结构拓扑优化、轻量化设计、增材制造结构设计是很多工程师关注的问题，为此将于5月28日下午举办“结构轻量化及增材制造设计-专家面对面交流研讨会”。课程将邀请国外高级专家通过案例分析、技术讲解、交流互动等环节，帮助用户更多地了解基于结构优化软件GENESIS的轻量化设计解决方案和工程案例。此外，还将讲解增材制造（3D打印）与结构拓扑优化结合的技术和案例，例如晶格（Lattice）优化、3D打印制造约束等。欢迎您报名参加本次会议。

 会议时间

5月28日下午，14:00-17:00

 培训及研讨课程安排

- GENESIS 优化技术概览

• 结构拓扑设计（Topology）及其他优化技术专题
• 增材制造设计 (Design for Additive Manufacturing) 技术专题

- GENESIS 工程案例分析

• GENESIS 在汽车整车设计中的应用
• GENESIS 在零部件设计中的应用
• GENESIS 在医疗设备设计中的应用
• GENESIS形貌优化的应用
• GENESIS 复合材料设计应用
• GENESIS 在增材制造设计中的应用

- 交流与讨论

 特别提示

参加培训研讨人员，还可以提前准备好关心的结构优化需求和项目挑战，将模型/图片、面临问题、期望的技术帮助等内容，于5月23日前发送到指定邮箱jianli.yu@peraglobal.com。专家将精选一些用户问题，在现场交流讨论或给予技术指导。

典型的结构优化工程需求和项目问题包括：

• 某零件的结构轻量化要求（减重），如何实现？
• 某零件原设计不合理，刚度或强度不足，优化工具能否解决？
• 机箱/机柜的加强筋需要合理设计，采用哪种优化方法？
• 某零件用软件进行结构优化时效果不理想，应采用哪些方法和技巧？

Pratt & Miller提供的车身和零部件结构轻量化设计优化案例

 培训地点

- 主会场：安世亚太上海分公司，地址：上海市石门一路288号兴业太古汇香港兴业中心一座1201

- 分会场：北京、广州、成都、南京、沈阳、西安、武汉

• 北京主会场地址：朝阳区八里庄东里1号莱锦TOWN园区Cn08座
• 上海分会场地址：石门一路288号兴业太古汇香港兴业中心一座1201
• 广州分会场地址：番禺区沙头街禺山西路329号4座1栋1710、1711、1712房
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 授课专家

Juan Pablo Leiva先生（现任VR&D公司首席技术专家兼总裁）。他30年来一直从事优化技术研究，主导完成了汽车、国防、机械等行业的诸多结构轻量化设计和优化项目，此外，他也是优化技术和工具进步的重要推动者和实践者，主持开发了国际上著名的结构优化软件GENESIS，并且正在为软件开发3D打印相关的增强功能。

 关于GENESIS结构优化

结构优化已经成为驱动工业再设计和产品创新的重要手段，可以实现产品的轻量化设计、性能优化设计、以及创新的复合材料或增材制造结构。

GENESIS是专业级的结构优化软件，可以满足用户的轻量化设计优化需求，它提供了非常高效和可靠的优化算法，支持各种复杂的荷载工况和响应类型。GENESIS软件已有三十年的历史，在国内外的各大汽车整车公司、汽车零部件公司、机械装备以及国防军工行业均有广泛的应用。

GENESIS还专门提供了集成在ANSYS Workbench仿真平台的版本，与ANSYS无缝衔接，简捷易用，对于熟悉ANSYS的工程师几乎零难度入门。此外，它也可以与LSDYNA、Abaqus、Nastran等软件集成使用，给用户更多选择灵活性。

增材制造（3D打印）结构在制造约束条件下的设计优化

康明斯发动机公司完成的发动机盖拓扑优化，加强刚度，降低重量

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文章来源：安世亚太

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 携手卓越视角赢得领先优势

根据德国亚琛大学的分析，2020年全球将生产1.03亿辆乘用车，其中内燃机车占8190万辆，市场占有率为79.5%，新能源车（含混动，电动）为2110万辆，占20.5%，其中纯电动汽车为410万辆。

到2030年，预计全球将生产1.2亿辆乘用车，其中内燃机车占960万辆，市场占有率为8%，新能源车（含混动，电动）为1.104亿辆，占92%，其中纯电动汽车为5040万辆。

2016年12月《“十三五”国家战略新兴产业发展规划》中，明确提出到2020年新能源汽车年产量达到200万，累计产销量达到500万。2017年4月《汽车产业中长期发展规划》中，提出目标到2025年国内汽车销量达到3500万辆，新能源汽车销量占汽车总销量比例达20%。

2018年3月，工信部部长在接受央视采访时，提出燃油车退出时间表，初步确定了2019年新能源汽车占比达8%，2020年新能源汽车占比达10%，之后将进一步确定2020年以后的新能源汽车占比，该规划进一步提高了2019年和2020年新能源汽车销量目标。

根据中国汽车工业协会数据显示：2016年和2017年，国内新能源汽车销量分别为50.7万和77.7万辆，同比增长分别为53.2%和53.3%。2018年，国内新能源汽车累计产量为127万辆，同比增长60%，累计销量为125.6万辆，同比增长61.7%。国内新能源汽车市场作为全球最大的市场，表现出了强劲的发展动力。截止2017年底，全球新能源汽车渗透率为1.0%，我国新能源汽车渗透率为2.7%，仍有很大的提升空间。

中国汽车工程学会名誉理事长付于武表示，从世界范围来看，全球汽车产业正迎来电动化、智能化和共享化的重大变革。在重大战略机遇下，中国新能源汽车产业取得了一系列令人振奋的成就，但同时产业如何从“补贴时代”平稳过渡到“后补贴时代”面临着市场培育、产业竞争力提升等重大挑战。

一方面是电动汽车市场全面发力，另一方面是3D打印及高端智能制造端的设备与材料厂商瞄准电动汽车领域。

如KK在《新经济新规则》中指出的，在新经济波涛汹涌，快速变化的环境中，只有反应敏捷、顺应变化、行动快速的公司才能成功。

3D科学谷的AME系列3D打印卓越论坛的定位是突出3D打印及相关制造技术在从优化到创造(From optimization to reinvention)重塑产品方面的潜力，以敏锐的视角、高度的聚焦、深度的剖析来推动增材制造技术等高端智造技术与行业结合的发展。

与AME卓越系列携手同行，赢得领先优势！

 论坛日程：

 主持人及演讲者：

论坛之后，3D科学谷将融合论坛期间提炼的行业洞察视角，发布《3D打印与新能源汽车白皮书》，敬请期待！

（论坛听众免费参加，请即刻扫描文章图片上的报名二维码）

《3D打印与工业制造》正在京东热卖, 观看3D科学谷创始人的微课视频。

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预计2019年工业级和设计级3D打印机的全球出货量将比2018年增长25%。其中金属3D打印机出货量将同比增长超过49％， 塑料3D打印机出货量预计增长超过20％。

 工业级3D打印加速增长

根据3D科学谷战略合作伙伴Context的研究, 2018年，售价最低的个人级3D打印机的销售量有所下降，工业级3D打印机年度出货量增长了18%，工业级3D打印机在2018年占全球打印机硬件收入的70％。

2018年，3D打印机的销售量在金属3D打印与工业级和设计级塑料3D打印机销量的推动下得到增长。

其中金属3D打印机销售量同比增长26%，Markforged等金属3D打印领域的新进入者对金属3D打印机出货量增长起到了主要推动作用。工业级和设计级塑料3D打印机销量，受到Carbon、HP 等公司销售的推动。3D Systems 公司推出的专业级塑料3D打印机销量也看到了显著增长。

图片：工业级金属3D打印生产应用-宝马3D打印i8支架。

2018年，金属3D打印市场还有一个特点是，出现了低价格间接金属3D打印机，这类设备的价格跨越了工业级和设计级3D打印设备之间的界限，成为金属3D打印市场的新成员。根据CONTEXT 全球研究副总裁Chris Connery，这类更为经济的金属3D打印机不仅适用于工厂用途，也适用于办公室使用，他们主要被用于制造原型，或以更低成本生产小批量金属零件，但这类设备并不一定与更早出现的工业级金属3D打印机直接竞争。

图片：工业级塑料3D打印生产应用-Carbon 3D打印鞋中底。

Context 预计，2019年将保持2018年出现的增长势头，并且工业级3D打印机的销售量将加速增长。

塑料3D打印市场中，从专业级到设计级再到工业级3D打印机出现了健康的价格点。在这些领域中，设计级和工业级塑料3D打印机将在2019年引领增长。在塑料3D打印市场中的新变化是，不断革新的3D打印技术加速了塑料3D打印在大规模定制生产和小批量生产中的应用，例如Carbon 的数字光合成技术，HP的新型聚合物粉末融合技术等，其中典型的应用是包括Carbon与Adidas合作生产的3D打印鞋中底。

由Markforged 、Desktop 等公司推出的低价格间接金属3D打印机销售量将继续加速。Carbon 由于实现了部分细分领域的量产应用，将持续享受这些应用所带来的销售增长。包括HP、3D Systems、Stratasys等公司在内的塑料3D打印设备企业推出新的3D打印系统。

这些因素的促进下，预计2019年工业和设计级3D打印机的全球出货量将比2018年增长25%。预计金属打印机出货量将同比增长超过49％， 塑料3D打印机出货量预计增长超过20％。

备注：

– 本数据以真实出货量为统计依据，避免了无法兑现的合同等虚假数据。

– 该出货量只统计了已经加入到Context全球数据分析体系的3D打印品牌，如果您的企业也有意加入到这个体系，欢迎加入3D科学谷QQ群529965687，联系群主。

– 详细分类

个人级：2,500美金或以下; 专业级：2,500-20,000美金; 设计级：20,000- 100,000美金; 工业级：100,000美金或以上。

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《3D打印与工业制造》正在京东热卖，近距离围观3D科学谷的读书会

人物出场顺序介绍：中国3D打印文化博物馆朱丽女士、上海九三读书会发起人卜永强博士、3D科学谷创始人，《3D打印与工业制造》作者王晓燕女士

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标准的缺失一直是增材制造工程化应用与产业发展的主要问题，今天就给您带来详细解读，将增材制造标准“一网打尽”

[注：本文主要以欧美发达国家标准化进展为主进行介绍]

 2002年，第一份增材制造技术标准AMS 4999。2011年修订为AMS 4999A，并且标准名称更改为《Ti6Al4V钛合金直接沉积制件-退火态》。

2015年7月，SAE成立了AMS-AM技术委员会，负责编制和维护与增材制造相关的航空航天材料和工艺规范标准以及相关的技术报告。2015年10月，针对关键航空航天应用的特殊认证要求，美国联邦航空管理局（FAA）委托SAE制定增材制造技术标准，以持FAA制定AM材料认证指南。AMS-AM的主要目标包括:

• 针对原材料及成品材料的采购制定航空航天材料规范（AMS）；
• 针对航空航天产品制造过程制定推荐惯例、规范与标准；
• 与MMPDS、CMH-17、NADCAP、ASTM F42协调，推动标准在工业界的采用；
• 建立标准（技术文件）体系，确保过程受控及可追溯性，以获得具有统计意义的材料性能数据。

截至目前，SAE已经发布及正在制定标准共计30项，涉及激光及电子束粉末床熔融、等离子弧熔丝、激光熔丝、激光直接沉积、材料熔融挤出工艺，IN625（GH3625）、IN718（GH4169）、17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）、Hastelloy X（GH3536）、Haynes 230（GH3230）、Ti6242（TA19）、Ti6Al4V（TC4）、AlSi10Mg（ZL104）、ULTEM 9085、ULTEM1010等材料。

 ASTM于2009年成立了ASTM F42，是最早成立的增材制造技术委员会的标准化协会组织。

其主要目标是制定增材制造材料、产品、系统和服务等领域的特性和性能标准、试验方法和程序标准，促进增材制造技术推广与产业发展。

目前，该委员会由来自20多个国家的超过400多个技术专家组成，其工作是与具有相互或相关利益的其他ASTM技术委员会及国家和国际组织协调进行的。2012年，ASTM F42发布了F2792-12a 增材制造术语标准，并于2015年与ISO合作对该标准进行了修订，发布了第一份ISO/ASTM联合标准，对增材制造技术推广及产业发展中的术语与定义进行了规范。

ASTM F42共建立了6个专业技术委员会，包括F42.01测试方法、F42.04设计、F42.05材料与工艺、F42.06环境、健康与安全、F42.07应用领域（涉及航空、航天、医疗、重型机械、航海、电子、建筑、石油与天然气、消费品）、F42.91术语，同时针对协会运行及与ISO/TC 261的合作成立的F42.90执行委员会及F42.95技术协调组。

ASTM F42还负责与ASTM内部技术委员会（包括ASTM B09金属粉末及制品技术委员会、ASTM E07无损检测技术委员会、ASTM F04医疗及骨科材料与设备技术委员会等）进行协调，共同制定增材制造标准，以形成完善的增材制造标准体系。

截止目前，ASTM F42已经发布及正在制定标准共计50项；ASTM E07正在开展“航空航天用增材制造金属件的无损检测指南”以及“金属增材制造航空航天零件成形期间的在线监测指南”两项标准编制；ASTM F04正在开展“粉末床熔融制备医疗产品中增材制造残余物去除的评估指南”。

 国际标准化组织（ISO）于2011年创建ISO/TC 261增材制造标准化技术委员会，它的工作范围是：在增材制造（AM）领域内进行标准化工作，涉及相关工艺、术语和定义、过程链（硬件和软件）、试验程序、质量参数、供应协议和所有的基础共性技术。ISO/TC 261创建当年就与ASTM F42签署合作协议，共同开展增材制造技术领域的标准化工作。2013年，ISO/TC 261与ASTM F42共同发布了一份“增材制造标准制定联合计划”，该计划包含了AM标准的通用结构/层次结构，以实现由任何一方所发起的项目都能实现一致性。增材制造标准制定计划被认为是一份动态更新的文件，将由ISO / TC 261和ASTM F42定期审查和更新。2016年，又对该结构进行了修订。

依据于“增材制造标准制定联合计划”，ISO / TC 261和ASTM F42确定了潜在的联合AM标准开发的高优先级候选清单如下：

• 资格鉴定和认证方法
• 设计指南
• 原材料特性的测试方法
• AM零件机械性能的测试方法
• 材料回收（再利用）准则
• 轮循测试的标准协议
• 标准测试样件
• 采购AM零件的要求

确定项目后， ISO和ASTM又根据他们之间达成的协议，确定了ISO / TC 261和ASTM F42如何在实际意义上合作和协同工作的具体程序，包括：成立联合工作组及联合指导小组、如何召开联合工作组会议、标准编制过程的要求、标准的审查与投票程序、标准的文本结构以及现有和后续标准项目如何完成等。这些方面大大提升了在全球范围内制定增材制造标准的科学性、合理性及高效性，促进了全球增材制造标准体系的完善。

目前，ISO TC261和ASTM F42编制中的标准40余项，从增材制造的材料与工艺、测试方法、设计、安全防护等多方面开展标准化工作，进一步完善增材制造标准体系，对于增材制造标准化工作起到了重要的作用与意义。

 美国NASA宇航局针对航空航天对于增材制造产品应用及质量稳定性的要求，由马歇尔航空航天中心制定并发布了MSFC-STD-3716与MSFC-SPEC-3717。

MSFC-SPEC-3716是金属激光粉床熔融增材制造航空航天产品标准规定了增材制造过程控制的基本要求及研制与生产中的关键控制点（如图所示）

通过MSFC-STD-3716，NASA实现了：

• 对基础及零件生产过程控制进行定义，用于对L-PBF技术当前状态相关的风险进行管理；
• 向认可工程组织（CEO）及当局提供产品一致性证明，评估每个L-PBF零件的风险及控制的合规性。

MSFC-SPEC-3717金属激光粉床熔融增材制造冶金过程控制与鉴定规范则用于定义L-PBF中的基础过程控制方面的程序要求，包括：

• L-PBF冶金过程的定义与鉴定要求；
• 设备及设施的维护、校准及鉴定要求；
• 操作人员培训要求。

NASA认为AM是独特的材料产品形式，并要求在每台AM设备上进行冶金过程鉴定，以保证AM生产产品的质量稳定性及可追溯性。

 德国在增材制造技术及设备研究方面一直走在世界前列，德国航空航天标准化协会（DIN）与德国工程师协会（VDI）针对于增材制造技术的发展与应用制定了相应的标准。

— VDI目前已发布了及正在制定的标准达20项，涉及术语定义、材料鉴定、质量控制、设计准则、操作安全、材料数据表等多个方面。DIN是老牌的航空航天标准化协会，ISO TC 261的秘书处就落在DIN。

— DIN除了积极参与国际标准化组织、欧洲标准化组织的相关标准制定之外，还依据于德国本身技术及应用发展的需求，制定了激光粉末床熔融增材制造设备验收、操作人员鉴定、粉末材料、零件检测及成形技术规范等标准，正在开展成形制品机械性能、非燃烧压力容器、电弧定向能量沉积、金属材料使用指南等标准，目前已发布及正在制定的标准已有10余项。

 ASME Y14.46-2017（trial）是美国机械工程师协会针对于增材制造技术特点发布的、关于增材制造产品定义的一份试用标准、该标准规范了增材制造技术特有的术语和特征定义，并推荐在产品定义数据集和相关文档中进行统一规范。该标准主要规范了增材制造产品的几何特征定义；晶格结构、梯度结构、复杂几何结构等设计特征定义；零件位置与取向、铺层厚度、扫查路径、支撑结构、随炉试样等工艺特征定义；以及产品数据包的规范。该标准可用于表征增材制造零件的设计、制造和质量控制的相关详细信息。

 DNV･GL是挪威船级社(DNV)与德国劳氏船级社(GL)合并后的集团公司，是目前世界领先的船级社之一。针对于增材制造在海事上的使用，2017年，DNV･GL发布了增材制造材料及制件的鉴定与认证标准，为增材制造材料、产品与部件通过系统鉴定认证方法来进行批准与认证提供了一个基本的架构，以推动并规范增材制造在船舶研制与生产中的应用。2018年，DNV･GL又发布了增材制造制造商批准程序标准，规范了增材制造制造商的批准请求、文档要求、批准范围和限制、批准测试、质量控制和过程验证等要求。

 PRI自1990年作为非营利性贸易协会建立以来，已成为推动行业管理项目、管理特殊过程认证项目等的审核管理方面的全球性权威机构。Nadcad特殊过程认证项目是PRI在航空航天领域推进的重点审核工作之一。针对于金属粉末床熔融增材制造技术在航空航天领域的发展与应用，PRI于2017年发布了激光与电子束金属粉末床增材制造审核准则，通过由来自行业与政府的技术专家共同建的立认证要求对供应商进行审核、认证，为质量保证提供了标准化的方法，并减少了航空航天行业的重复审核.

 UL是美国保险商试验所（Underwriter Laboratories Inc.）的简写。UL安全试验所是美国最有权威的，也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构，主要从事产品的安全认证和经营安全证明业务，以为市场得到具有相当安全水准的商品，保证人身健康和财产安全。针对于增材制造工程化应用的深入及消费品市场规模的扩大，UL于2015年发布了3D打印与增材制造设备符合性审核指南文件，该文件是一份有助于制造商确定与增材制造设备（包括3D打印机）相关的安全标准及相关法规的指南。2017年和2019年，UL分别发布了增材制造设施安全管理审核及3D打印机颗粒物及化学物质排放试验与评估方法标准，为保证增材制造生产安全及用户健康与安全提供指导。

 早在2011年，美国国防部就依据美国防务分析研究所的研究成果，将增材制造技术作为美国军方的重点关注技术，并依据当时增材制造的技术成熟度，由美国空军研究实验室牵头发布了美国国防部增材制造技术路线图（见图）。该路线图显示，增材制造技术近期在美军装备上的应用是以装备保障为中心，再制造相关零件及工装，并进行装备维修。

美国陆军研发与工程司令部（RDECOM）针对于增材制造技术的发展与应用，开展了装备应用的分析与研究，制定了增材制造应用的路线图。路线图中指出增材制造在装备领域的应用有三大阶段，即：快速加工与处理、替代/替换（代替传统制造工艺）、创新设计（基于增材制造的设计），最终实现零件替代、工艺替代、产品替代。

可以看出，增材制造在军用领域的第一阶段应用主要集中于装备保障上，形成制造与维修能力。有鉴于此，美国国防部于2013年发布了“再制造、修复、涂层再涂覆用金属直接沉积（DDM）技术规范”，并于2014年进行了首次修订。该标准规范了材料工艺研发与验证流程、零件修理工艺研发流程、零件修理工艺验证流程三个规范性流程，为增材制造在装备保障领域的应用奠定了基础。

 2015年4月，微软、惠普、Shapeways、欧特克、达索系统、Netfabb和SLM Solutions等7家公司建立了3MF联盟，并开始着手推广一种可用于整个增材制造设计流程的、专用的统一文件格式，以便打通从设计到3D打印期间诸多的环节，避免在此过程中出现信息数据损失。与当下流行的3D打印文件格式STL和OBJ相比，3MF格式具有明显的优势，比如它能够在一个文件里提供更多的信息、具有可扩展性、支持转换和对象引用等。2015年7月1日，3D Systems公司、Stratasys公司、Materialise公司和西门子PLM软件公司也加入了3MF联盟，共同制定并发布标准。目前，3MF已发布了3D打印格式、材料及属性、点阵晶格结构、切片、制品的扩展名等5份标准，用以规范增材制造专用的文件格式。

除此之外，国外NIST、IEEE、IPC、AMMI、ABNT等机构也针对增材制造的特点在计量、检测、印刷电路板、消费类3D打印、医疗等领域开展了标准的研究与制定，在此就不一一赘述。

文章来源：融融军民

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