航天运输系统、深空探测器和战略武器等高端装备领域的发展服务于国家重大战略需求，是国家综合科技水平和工业制造能力的重要标志。大运力、长寿命、远射程等装备需求促进关键结构件向着轻量化、高性能方向发展。复合材料薄壁结构作为轻质、高强设计的典型代表，被广泛用于航空航天、舰船邮轮、特种工程等重要领域。近年来，复合材料增材制造工艺的迅猛发展使得具有复杂设计的复合材料薄壁加筋结构制造成为可能。如何充分挖掘设计空间以提高结构件性能并充分考虑制造工艺等约束，对设计人员提出了更高挑战。

在上述背景下，《航空制造技术》的这篇文章围绕薄壁加筋结构设计和复合材料增材制造工艺对国内外研究进展进行分析，积极探索结构 – 工艺 – 性能一体化设计方法，以推动增材制造技术在复合材料薄壁加筋结构设计制造中的应用，实现下一代高性能复合材料薄壁加筋结构的设计制造。

3D科学谷洞察

“复合材料薄壁加筋结构不仅提高了结构的性能和可靠性，还推动了轻量化和高效能的发展，通过深入研究和应用结构-工艺-性能一体化设计方法，可以推动增材制造技术在复合材料薄壁加筋结构设计制造中的应用，实现下一代高性能复合材料薄壁加筋结构的设计制造。”

 01 薄壁加筋结构设计方法

为满足高端装备领域高性能、轻量化需求，关键结构件的设计常采用薄壁加筋结构，如飞机蒙皮 / 壁板、火箭压力储罐、飞行器密封舱等。传统的层合板构件逐渐向薄壁加筋、多级加筋、结构 – 工艺协同优化等方向发展，衍生出了一系列加强筋结构设计方法。

1.1 参数化方法

参数化方法是一种快速设计方法，可以通过对参考路径进行镜像和偏置得到全局加强筋布置。根据参考路径的角度变化，可以将参数化方法分为固定角度、线性变角度、非线性变角度等类型。固定角度加强筋设计中，加强筋角度不随空间位置变化，即常见的直筋布局，如图 1（a）所示。随着纤维自动铺放技术的发展，制造具有变化曲率的加强筋成为可能，其设计方法也逐渐发展。在参数化方法中，通过定义和调整少数设计变量，可以实现整个区域内曲筋设计。根据设计域内加强筋角度变化特性，可分为线性变角度及非线性变角度加强筋设计。图 1 （b）是线性变角度加强筋设计示意图，筋条角度φ （x）随横坐标 x 线性变化，具体数值由式（1）中的角度 T1、T2 及偏置距离 β 决定 [4]，其中 L 为平板沿 x 轴方向长度。非线性变角度曲筋设计是在线性变角度设计方法的基础上，通过引入 M×N 个控制点，实现更灵活的曲筋布置，如图 1 （c）所示（其中，a 和 b 分别表示设计平板的长和宽，Tmn 表示（xm，yn）位置处控制点的加强筋角度）。基于非线性变角度曲筋设计方法，曲筋角度分布满足式（2）定义。

式中，φ（x，y）表示任意位置（x，y）处的曲筋角度；（xi，yi）和（xm，yn）分别表示参考点的 x–y 坐标。对于可展曲面，如圆柱、圆锥结构，常利用测地线路径作为加强筋参考路径，如图1（d）所示（其中，φ（x）为筋条角度；x、y、z 分别表示圆锥上任一点的笛卡尔坐标；r 为不同高度处的圆锥半径；α 和 θ 分别表示锥角和周向曲面坐标）。这是因为在笛卡尔空间中，测地线路径是连接三维曲面上两点之间的最短路径，也称作自然路径。由于测地线上的曲率变化最小，在承受外界载荷时，承力路径上曲率突变造成的应力集中现象减少，加强筋路径的拉伸和压缩应力也最小；同时，测地路径在曲面上的连续性和小曲率特性，减少了曲筋制造缺陷，从而达到最优的加强效果。测地线的求解取决于曲面的几何形状，常采用解析方法、数值方法及优化方法进行求解，MATLAB 等商业软件中也提供了相应工具箱。

上述参数化方法通过凝聚设计变量，能够快速实现整个设计域内的曲筋复杂分布。这种基于简化的加强筋设计方法常与优化算法相结合，以高效寻找满足屈曲、抗弯或动态载荷等不同工况下的最优设计变量。这种基于简化的加强筋设计方法具有广泛的应用前景，为实现复杂结构的快速设计提供了新思路。

1.2 形状优化方法

加强筋设计中的形状优化方法是指在固定拓扑结构下寻找满足约束条件的加强筋边界形状。作为形状优化前提条件，需要建立加强筋形状数学模型，包括位置分布和几何曲率，如图 2 所示。对于这种加筋薄壳结构，设计域 Ω 包含薄壳和加强筋的侧面 S、横截面 A 及其变化 dA、dAS，设计变量为加强筋处的速度矢量 V。这种复杂几何特征通常采用离散或者微分的方法进行求解，需要多次迭代，导致计算量较大。Liu 等提出一种无参数形状优化方法，通过将固定体积特征值最大化问题及固定特征值体积最小化问题在连续空间内进行表征，实现无参数化和非离散化状态下的形状优化。

随着设计能力提高，几何形状复杂的薄壁加筋结构对网格细化、数值精度和计算成本提出了严苛的要求。Hughes 等首先引入了基于非均匀有理 B 样条（Non-uniform rationalB-splines，NURBS）基函数的等几何分析（Isogeometric analysis，IGA）方法，有效解决有限元网格计算中成本高、耗时长、几何误差大等问题。同时，IGA 方法能够实现计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）步骤之间的无缝衔接，有利于设计过程自动化。Hao 等比较了 IGA 方法和传统有限元仿真方法，如图 3 所示，将 IGA 方法应用到加强筋设计领域，将描述加强筋几何形状的形状函数作为基函数，并基于 NURBS 投影和插值算法，实现了壳体与筋之间的自适应强耦合。

1.3 拓扑优化方法

拓扑优化作为一种先进结构设计方法，能够根据给定负载、约束和性能指标，在设计域内获得最佳材料分布。将拓扑优化这种先进设计方法与增材制造等工艺相结合，能够充分挖掘结构 – 工艺协同设计的潜力。值得注意的是，基于各向异性材料 / 纤维路径分布的拓扑优化算法近年来获得较大发展。

基于拓扑优化的薄壁加筋结构设计方法，即通过优化设计域内均质材料的分布得到满足设计目标的加筋拓扑构型。在拓扑优化中，微观尺度上计算每个单元的刚度系数，并在宏观尺度上针对特定的设计目标进行优化，获得具有抗屈曲、抗弯曲或良好动态特性的薄壁加筋结构设计，如图 4 所示（其中，t 为平板厚度；h 为加强筋高度；Ke（h）为加强筋的单元刚度矩阵；Ke（t）为平板的单元刚度矩阵）。

近年来，基于连续介质拓扑优化方法的薄壁加筋、多级加筋结构优化设计成为研究的热点之一。常见的方法包括经典的均质化方法、变密度法、水平集方法和特征映射方法等。此外，针对不同应用领域和具体工程问题，还有一些创新性的拓扑优化方法被提出和应用。Wei等提出了用于桁架结构优化的刚度扩散法（Stiffness spreading method，SSM），桁架结构被嵌入到一个弱约束连续体网格中，杆单元可以在设计域中自由移动，且具有解析敏度；该方法同时实现了桁架结构的尺寸、形状和拓扑设计优化，图 5 展示了不同迭代次数（n）时的桁架结构设计结果。与传统的拓扑优化方法不同，该方法不需要关于单元连接和节点位置的先验知识，对于加强筋结构设计同样具有参考意义。

1.4 新型设计方法

然而，在加强筋布局设计中存在两个关键问题：（1）初始曲筋信息未知；（2）加强筋交叉点的网格形状多变，形状优化和拓扑优化都无法直接解决这些问题。为了处理这些问题，Wang 等提出了基于流线函数的加强筋设计方法，如图 6 所示，首先，基于流线函数给出了流线型加强筋的定义，并通过全局 / 局部均质化方法和敏度分析，实现了多尺度建模的流线型曲筋设计；使用流线函数描述加强筋路径与水平集方法类似：连续分布的流线函数值形成每个加强筋簇的三维水平集曲面，该曲面在二维平面的投影就是曲线加强筋路径。图 6（a）和（b）展示了固定节点上的不同流线函数值，其对应的加强筋路径如图 6（c）和（d）所示。通过这种方法，二维设计域中离散的加强筋路径分布被转化为三维水平集曲面上的连续流函数值分布。该方法无明显的尺度效应，适用于分布较密的加强筋设计。

对于优化问题中存在的大量迭代步，有学者利用这一过程曲筋形式 – 结构响应的大量数据，利用数据驱动的方法进行薄壁加筋结构设计。Wang 等通过提取影响结构性能的主成分，实现了基于主成分分析（Principal component analysis，PCA）的数据驱动方法。张坤鹏等将加强筋结构特征参数转化为 RGB 图像，并利用卷积神经网络搭建基于图像识别的深度学习网络模型，实现数据驱动下的结构优化设计。

同时，自然界中存在着大量天然加筋结构，如植物叶脉、鸟类翅脉等。这些曲筋的结构形式和生长方法为工程结构的加强筋设计提供了设计灵感。模拟树生长和分支规律，Dong 等提出了一种生成式曲筋优化方法，根据加强筋分支延伸的效果自适应选择分支的最佳生长方向，并通过控制体积增长速度实现整体结构体积控制，如图 7 所示。

 02 复合材料增材制造工艺

薄壁加筋结构通常由薄壳本体和加强筋构成，为了制造这种结构，需要高精度、高灵活性的制造技术，以确保结构的强度和稳定性。传统的复合材料薄壁加筋结构件制造方法有手糊成型法、树脂传递模塑等。相比于这些传统制造工艺，基于增材制造的新型复材制造方法，如纤维缠绕技术、自动铺放技术、3D 打印技术等，不需要模具和繁多工序，能够实现复杂、大型、多级构件的一体化成型。利用增材制造技术制造薄壁加筋结构，可以快速、精确、灵活地实现复杂曲筋薄壁结构的制造成型，提高生产效率和质量。同时，利用增材制造技术还可以减少材料浪费，降低生产成本。

2.1 纤维缠绕技术

纤维缠绕技术（Filament winding，FW）是最早开发的复合材料自动化成型技术，易于实现机械化和自动化，便于大批量生产，尤其适用于圆柱、圆锥等回转类构件制造，其工艺示意图如图 8 所示。纤维缠绕工艺可以实现将预先张紧的纤维以预定线型连续缠绕在芯模上，随后在室温或加热条件下固化，从而形成具有一定形状的纤维制品。纤维缠绕技术可以控制纤维的方向、角度及厚度，进而根据结构件承载需求设计不同的纤维缠绕方案，以实现高强度、高刚度、轻质的复合材料结构件。这种工艺技术在高压储罐、压力管道、发动机壳体等领域得到了广泛应用。

利用纤维缠绕技术制造加强筋主要由芯模结构实现。根据种类可以将模具分为凹槽和销钉两类。凹槽模具用于将纤维定位在凹槽内布，如图 9（a）所示。常用于制作出具有规则几何形状的加强筋，如环形、三角形、Kagome 形等。与凹槽模具相比，销钉模具更为灵活，可以制作出更为复杂的加强筋形状。销钉模具通常由多个销钉组成，这些销钉可以在不同的位置和角度上固定纤维，从而实现不同形状的加强筋制作，如图 9（b）所示。

纤维缠绕技术作为一种重要的复合材料自动化成型技术，在制件结构 – 工艺 – 性能一体化设计制造过程中存在一定的局限性，主要体现在结构件的形状限制方面。目前纤维缠绕技术的制品主要为具有凸曲率属性的回转体，例如圆柱体、球体等，对于非回转体或凹曲线结构件的制造能力较差。此外，纤维缠绕技术本身还面临着一些技术上的不足和挑战，比如，纤维缠绕过程中涉及多坐标运动控制、精密张力控制、过程工艺参数优化、缺陷在线监测技术等。

2.2 纤维自动铺放技术

纤维自动铺放技术（Automatedfiber placement，AFP）是一种高效率、高质量、高技术成熟度的增材制造工艺，相比于纤维缠绕技术，其制造能力更加灵活和多样化，可以制造更为复杂的形状和曲面结构，且不受制件轴对称限制。因此，纤维自动铺放技术广泛应用于航空航天领域的大型飞机、运载火箭等薄壁加筋结构件的设计和制造中。

纤维自动铺放技术采用机械臂或其他形式的自动化系统，将纤维束或纤维预浸带自动铺设在模具或基材的指定位置并原位固化，形成具有特定物理机械性能的复合材料结构。根据台架系统类型，纤维自动铺放技术可以分为龙门式、卧式和机械手臂式等不同类型，如图 10 所示。铺丝头作为自动铺放技术的核心机构，具有送带、预紧、切带、加热、滚压等多种功能，以适应加工过程中各项铺放工作，如图 11 所示。铺丝头的高精度、高速度、长寿命、易于维护等特点对自动铺放技术的性能和工作效率具有重要影响。新型的铺丝头技术包括基于机器视觉和人工智能技术的自适应控制方法和基于光纤传感和精密控制技术的高精度铺丝头等，这些技术可以提高铺放质量和生产效率。

自动铺放技术在筋 – 壳一体成型方面的应用，主要优势在于加工灵活度使其能够在加工曲面的任意区域铺设加强筋，无须预先设计的凹槽模具或销钉定位。在此基础上，铺丝头的加热、滚压功能能够强化加强筋与薄壳之前的结合。为了进一步提高加强筋与薄壳之间的结合强度，在一体化加工成型时，可采用加强筋内嵌的方法进行一体化制造，将加强筋包裹在蒙皮内部，有效减少加强筋脱离现象，提高结构承载能力。此外，针对加强筋交叉节点处的材料堆叠和局部缺陷，常采用节点偏置的方法提高节点处的表面形貌和力学性能。

尽管纤维自动铺放技术具有众多优点，但由于其使用特定的材料和工艺，其在实际制造中还存在一些限制和挑战，以工艺规划软件为例，为了实现高精度的自动铺放，工艺规划软件需要具备模型分析、切片规划、路径生成等多种功能。在模型分析方面，切片软件需要对 3D 模型进行分析，检测其中难加工特征，如重叠区域、内部空洞等，并能够自动处理这些问题。在切片规划方面，切片软件需要将 3D 模型切割为多层 2D 图形，并对每一层进行规划，确定铺放路径和铺放顺序等，减少纤维带重叠、空隙等制造缺陷。在路径生成方面，切片软件需要生成高效、准确的路径，并考虑到纤维带的材料属性、纤维方向、厚度等因素，以确保铺放过程中的质量和效率。

2.3 3D 打印技术

3D 打印是一种将材料堆叠实现复杂结构“生长”成形的新型制造工艺，具有快速定制和高度灵活的特点，能够实现复杂结构件的加工制造，大幅缩短零件生产周期，提高生产材料利用率，降低生产成本。对于纤维增强复合材料，沿纤维轴方向相对其法向表现出很高的强度，因此增强的复合材料具有各向异性的宏观力学性能。相比于传统的铺丝、铺带制造工艺，3D 打印技术具有更高的精度和灵活性，可以通过合理的路径规划，按照设计需求在零件的局部区域内打印纤维，从而实现定制化的力学性能分布。图 12展示了 3 种常见的短纤维增强复合材料 3D 打印技术。尽管面向短纤维增强复合材料的增材制造技术变体较多，但其对零件力学性能的改善效果有限。因此，深入研究 3D 打印技术在连续纤维增强复合材料制造中的应用和发展，具有重要的科学意义和实际价值。

部分学者和企业在传统树脂熔融沉积成型技术的基础上进行了改进，优化了送丝机构、喷嘴，并增加了剪丝机构等，发展出了具有连续纤维打印能力的熔融沉积成型技术（Fused deposition modeling，FDM），从而显著提高了零件的力学性能。和多材料 FDM 技术类似，挤出机构配备有两套送丝机构和进料口，分别控制树脂和纤维进给量，如图 13和图 14所示。连续纤维打印技术与传统树脂打印技术不同，对喷嘴的耐磨性和腔道内流动性提出了更高的设计要求。目前，已经有一些较为成熟的连续纤维增强复合材料 3D 打印机供应商，例如美国的 Markforged、Arevo、Continuous Composites、Impossible Objects 公司和俄罗斯的Anisoprint 公司等。这些公司在该领域中不断进行创新研究和技术革新，推动了连续纤维增强复合材料 3D 打印技术的发展。

目前，针对连续纤维 3D 打印的切片软件较少，主要为上述连续纤维FDM 打印机配套软件，以 Eiger® 和Aura® 为代表，其打印机具有纤维剪断装置，可以根据实际打印结构自动生成纤维分布、路径和含量，实现几何形状内部的纤维填充。但这些商业软件中关于纤维路径设计的功能有限，仅提供图案填充方法选项和基本控制参数，通常会导致纤维无效 /低效增强、纤维局部不均匀/不对称，以及纤维分布碎片化等缺陷。

在当前的增材制造技术中，连续纤维熔融沉积成型技术已经能够实现夹芯结构的设计制造。图 15 展示了不同夹芯型式的纤维路径设计。夹芯结构具有类似于薄壁加筋结构的特征，因此其工艺设计包括筋壳一体打印、加强筋（内芯）形式、纤维路径规划等同样是需要考虑的内容。

随着增材制造技术的发展，传统平面分层打印技术的局限性日益显现。尤其对于连续纤维增强复合材料，其力学性能受到纤维取向的影响，而平面分层打印技术只能在二维平面内排布纤维，无法沿堆积方向进行优化布置，限制零件空间内的力学性能。因此，开发出基于多自由度机械臂的曲面纤维 3D 打印技术是亟须解决的问题。如图 14 所示，这种技术可以实现纤维在三维曲面内沿任意运动轨迹进行 3D 打印制造，从而获得具有空间力学性能的复合材料薄壁加筋结构。目前，该技术仍处于研究阶段，相关研究者正在探索空间曲面纤维的喷嘴结构、路径设计、控制算法等关键技术，以进一步提高制造精度和产品质量。未来，曲面纤维 3D 打印技术有望在航空航天、汽车、船舶等领域中得到广泛应用。

同时，基于上述纤维增强复合材料增材制造技术，一些性能驱动的纤维路径规划方法呈现出从粗糙到精确、从平面到曲面、从时序设计到并行设计的发展趋势，如图 16 所示。这些纤维路径规划方法提供了加强筋设计新思路，与现有薄壁加筋结构设计相比，突破了规则设计域、初始加强筋构型、不同优化目标解析敏度难以计算等限制，适用于不规则、复杂、三维的薄壁加筋结构设计。此外，这些规划方法与拓扑优化这种先进结构优化方法的结合实现了筋 –壳一体化设计，尤其适合成型过程的筋 – 壳一体化增材制造。这些进展为加强复合材料薄壁结构的设计制造提供了新的思路和方法。

2.4 机遇与挑战

尽管纤维增强复合材料增材制造在薄壁加筋结构上具有广阔前景，但离大规模应用还有一定距离，主要受限于制造效率和工艺质量。目前，复合材料增材制造技术发展主要围绕缩短生产周期和提升产品性能两个方面，具体有以下发展趋势。

（1）先进材料的应用。选择具有更好力学性能的基体材料，如聚醚醚酮（PEEK）等高性能工程塑料，能够提高复合材料整体性能。同时，采用新型的纤维材料，如碳化硅陶瓷纤维等也有望进一步提高复合材料的高温耐受性和韧性。

（2）多种工艺相结合。探索多种工艺协同，如纤维缠绕、自动铺放、3D 打印等工艺之间的协同，如图 17所示，通过纤维自动铺放技术与3D 打印技术相结合，实现大尺寸结构件快速成型与小范围内的材料填充、纤维加密与性能提升，以提高成品结构的整体性能和制造效率。同时，与激光辅助、超声融合等成型技术结合，能够提升纤维固化效率，实现原位铺放成型。

（3）路径规划与后处理软件发展。在结构设计同时进行纤维路径规划，能够实现结构和工艺的协同优化，以提高结构最终性能。目前，已有部分国外商业软件能够实现针对自动铺放技术的 CAD/CAM 环境集成，但针对设计和制造的性能评估还需要进一步提高，同时，国内自主产权的相关软件也需要加强研发。

（4）多机、多工序协同。多机协同以拓展工作范围、消除作业死区、提高生产效率，最终实现大尺寸结构件的快速成型。然而，多机组之间的运动精度控制是实现有效协同的关键技术手段，如图 18 所示。同时，多工序协同能够缩短工序间运转周期，降低设备空闲率，提高车间整体生产效率。为了实现多机、多工序的协同制造，还需要进一步研究优化算法、传感器网络、数据处理技术等方面的关键技术。

（5）在线检测技术。由于复合材料工艺缺陷存在多尺度的不确定性，需要采用高精度的在线检测技术来实现缺陷的实时监测和控制。为了解决这些问题，当前正在研究和发展一些新的在线检测技术，例如基于红外成像的缺陷检测技术、基于声发射的损伤检测技术、基于纳米材料的传感器技术等。这些新技术能够更加精准地检测复合材料中的缺陷，并且具有更高的灵敏度和分辨率。

 03 复合材料薄壁加筋结构
          在航空航天领域的应用

与金属增材制造发展规律类似，复合材料增材制造正在延伸到更多样化的领域，尤其是复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀等优异性能，已成为航空航天领域的重要材料。复合材料用量也成为评价大飞机设计制造先进性的关键指标，如波音 787复合材料用量达 50%，A350XWB 复合材料用量为 52%。图 19展示了国产大飞机 C919 的复合材料使用情况，在这些由复合材料制造的零件中，包含大尺寸的薄壁加筋结构、夹芯结构、变曲率截面等复杂结构，增加了传统复材工艺的制造难度。而复合材料增材制造技术提供的灵活性与大尺寸制造能力为这些复杂承载结构件制造提供了新的选择。

3.1 高性能复合材料

在航空航天领域，复合材料薄壁加筋结构的组元选择受多种因素影响。从纤维增强体的角度看，常用的复合材料有碳纤维和玻璃纤维复合材料。此外，还发展出了混杂纤维复合材料，以碳纤维与玻璃纤维混杂增强复合材料为例，既有碳纤维复合材料的刚度、强度，又有玻璃纤维复合材料的韧性、断裂延伸率。这种混杂纤维复合材料，不仅能够节约成本，还可以通过对纤维及其体积分数的设计拓展复合材料的物理和机械性能，得到单一纤维无法获得的性质。

从基体的角度看，聚合物基复合材料可以分为热固性和热塑性两类，其中热固性聚合物基体在高温高压或添加催化剂的条件下固化，且固化后不再可塑，因此具有耐高温、抗腐蚀、高刚度等属性，但可回收性和加工性能较差。而热塑性聚合物基体能够在加热条件下熔融再加工，因此具有良好的可回收性，且具有较好的抗疲劳性能。目前，一些耐高温、高性能的热塑性聚合物基体，如聚醚醚酮、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亚胺（PEI）等在航空航天领域已有应用。

纤维、基体材料的材料属性决定结构设计中使用的材料本构模型，除这种材料 – 结构设计自由度外，二者之间的相互作用也会对结构工艺设计产生影响。如纤维与基体的浸润作用会影响制造环节的具体工艺形式及制造成本，二者之间的热物理性质差异会引起成型过程中的分层、开裂等缺陷。因此，在进行材料选择与设计时，应综合考虑纤维、基体以及二者之间的相互作用，充分发挥复合材料的优势，以满足航空航天不同应用需求。

3.2 圆柱状薄壁加筋结构

圆柱状薄壁加筋结构通常由圆柱体薄壳和内 / 外部加强筋构成，常见于飞机圆柱形机身、火箭燃料罐、导弹筒等部件。图 20 展示了一种飞机机身的薄壁加筋结构及其制造过程。针对圆柱薄壁加筋结构在航空航天领域的广泛应用，需要综合考虑结构使用过程中的多种载荷，如惯性载荷、温度载荷、外界环境影响等多种因素。在加强筋结构设计时需要考虑材料属性、加强筋数量、分布、尺寸等设计变量，以实现足够的强度和稳定性。

圆柱状薄壁加筋结构的制造过程常选用纤维缠绕成型工艺，该工艺尤其适用于回转结构件的生产制造。制造过程涉及材料准备、纤维铺放、切割、表面处理等多个工序，每个工序都需要保证精度，以实现生产质量和结构使用需求。此外，当前针对圆柱状薄壁加筋结构的设计制造，存在一些挑战和需求。例如，如何根据不同的工况和应力情况设计合适的加强筋结构，如何降低加强筋的重量、减少制造成本，如何提高加强筋的定位精度，如何保证结构的性能和质量稳定等问题。因此，对于圆柱状薄壁加筋结构的研究和发展，需要继续探索新的设计和制造方法，以满足不断变化的航空航天领域的需求和挑战。

3.3 板状薄壁加筋结构

板状薄壁加筋结构在航空航天领域的应用主要包括飞机机翼、火箭外壳、卫星结构等，能够提高大型平板结构的刚度和强度，同时减轻结构重量，提高飞机 / 航天器等的运载能力和效率，如图 21 所示。与圆柱薄壁加筋结构设计类似，在进行板状加筋结构设计时，需要综合考虑工作载荷类型和大小、环境影响等因素，结合先进的加强筋设计方法，实现薄壁加筋结构的刚度、强度。

在板状薄壁加筋结构的制造过程中，以纤维自动铺放技术为主的增材制造技术逐渐被应用于平板结构的生产制造。尽管纤维自动铺放技术能够有效提高单位体积纤维的生产制造成本，但是针对大尺寸结构件的一体成型能力和生产成本的降低仍然是制造方面的重点。为此，引入更加庞大、复杂的生产设备可以提高大尺寸结构件的生产能力。此外，利用现有流水线的机器人平台并采用多机协同的生产策略，能够降低设备安装成本。这些方法有助于加速平板结构制造的工艺流程，提高生产效率和质量。

3.4 不规则薄壁加筋承载结构

不规则薄壁加筋承载结构是一种具有非规则截面形状和加筋形式的薄壁结构，如图 22 所示，其设计灵活性高于规则薄壁加筋结构，但也更加复杂，需要更多的分析和设计工作。目前，随着加强筋结构设计方法，尤其是拓扑优化及其他先进设计方法的发展，不规则结构、复杂曲筋的设计能力不断提高。

在制造方面，随着机械臂 / 机器人辅助设备的广泛应用，其灵活、准确的优势不断发挥，提高了复杂曲面结构、不规则薄壁加筋结构的生产能力。这类结构的加工灵活性主要取决于曲面本身及加强筋的结构复杂性，对于这种复杂加强筋结构，需要进行纤维铺放路径设计。特别是在机械臂式系统中，纤维铺放 / 打印的自由度大大提高，从而突破了传统纤维路径平行和等距限制。因此，通过优化加强筋结构的纤维位置和方向，可以实现机械性能的提高，这为薄壁结构的设计和制造提供了更广阔的空间和潜力。

 04. 结论

复合材料薄壁加筋结构作为轻质、高强的先进承载结构典型代表，其大规模应用推动了结构设计与制造技术的发展。目前平面、圆柱 / 圆锥、大曲率曲面等结构的加强筋结构设计与制造比较成熟，但对于复杂不可解析曲面、不规则结构等的薄壳结构加强筋设计与制造研究仍处于早期阶段。针对复合材料薄壁加筋结构设计与制造特点，提出以下趋势与挑战。

复合材料增材制造技术提高了纤维增强复合材料结构的制造能力，引入了新的结构、工艺设计自由度，围绕结构 – 工艺协同设计优化有以下发展趋势。

（1）复杂结构设计制造。复合材料薄壁加筋结构的复杂性和多样性在设计制造中提出了一些挑战。为了更好地应对这些挑战，需要研究复杂且不可解析空间曲面的数学表征及其加强筋设计，以实现任意空间曲面的性能优化。这需要进一步开发和完善数学模型和计算方法，以支持复杂曲面结构的优化设计。随着增材制造能力的不断提升，有望实现任意空间薄壁加筋构件的结构优化设计与制造成型。

（2）性能驱动工艺规划。增材制造工艺允许精确控制单束纤维的方向，使最终零件达到特定的机械性能，这意味着在进行加强筋 / 纤维路径设计时需要更仔细地规划和优化纤维方向，在真实工况与应力状态下，通过全局 / 局部纤维方向调控实现最终产品的全局 / 局部性能设计。此外，可以引入先进的多物理场仿真技术，如有限元分析和流体动力学模拟，来预测复合材料加强筋在使用过程中的应力分布、变形、损伤等情况，从而更好地进行纤维路径设计和工艺规划。

（3）多设计域协同优化。针对复合材料的各向异性，在结构、路径设计中引入具体材料属性以实现材料–结构–工艺三者协同设计。目前，基于组合材料的结构优化设计在提高结构强度、刚度、阻尼等方面已经取得了很大的进展，这对于实现复合材料薄壁加筋结构的轻量化设计具有非常重要的意义。同时，通过引入不同纤维及基体组合的具体属性，提高了设计自由度，以实现材料、结构、工艺的协同设计优化。

受制造设备硬件与复合材料本身性质的影响，也为结构及工艺设计带来了新的约束，面临以下挑战。

（1）结构几何形状。在进行复合材料薄壳结构加强筋设计时，结构的几何形状也是一个重要的考虑因素。例如，对于壳体最小曲率、纤维最小剪断距离、纤维预挤出长度等几何限制，需要进行精确计算和优化。此外，考虑到机械臂或其他自动化系统的灵活性，在进行结构设计时需要考虑具体几何形状以及实际制造的工作范围，对于复杂的形状可能需要考虑多机组协同设计。

（2）纤维排铺路径。在增材制造中，纤维排铺路径设计是非常重要的一环，因为它直接决定了增材制造零件的力学性能。同时，纤维路径不连续会增加纤维剪断、预挤出等过程，降低生产效率和质量。为了实现最佳的性能，需要在纤维铺放路径设计过程中考虑多种因素，如纤维的层叠顺序、纤维铺放路径、节点处理策略等。特别是对于复杂的结构，如曲面和不规则形状的零件，纤维铺放路径的设计需要综合考虑结构的力学性能、工艺参数的影响以及生产效率的要求等多方面因素。

（3）关键工艺参数。复合材料本身的材料属性除了由纤维及基体的种类决定外，两者之间的浸渍程度也是影响材料力学性能的关键因素。为了提高浸渍效果、提升复合材料力学性能，需要通过仿真或试验建立制造过程中打印温度、速度、预紧力等工艺参数与纤维 – 基体浸渍程度的映射关系，并以此为依据，对工艺参数进行优化。此外，通过使用机器学习等智能算法可以快速、准确找到最佳工艺参数组合，从而进一步提高复合材料的力学性能。

（4）特征处理策略。与均质材料成型不同，纤维特征如交叉、重叠等会出现不可忽略的材料堆积现象，表现为微观结构中的纤维断裂和宏观层面上的层厚变化，造成零件局部力学性能下降与加工几何精度变差。传统的纤维方向规划和路径设计往往难以处理这些特征，因此亟须发展新的纤维排布和特征处理策略。

来源
航空制造技术 l

作者：任慧琳，熊 异（南方科技大学，深圳 518055）

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

根据3D科学谷的市场洞察，计算模拟方法，尤其是基于相图计算（CALPHAD）的方法，可以预测并筛选出具有所需微观结构和性能的潜在高熵合金。计算模拟工具，如CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟，能够帮助研究人员精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，从而优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法有效降低了试错成本，提升了打印质量。

本期，借助材料人的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略3D打印高熵合金设计、制备、微观组织和性能的综述！尤其是如何通过多种计算模拟方法，加速合金的筛选与优化。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

3D科学谷洞察

“计算模拟在增材制造高熵合金中的作用是多方面的，它不仅能够加速新合金的发现和优化，还能深入理解材料的微观结构与性能之间的关系，为高熵合金的研究和应用提供了强有力的工具。”

 01【导读】

近年来，金属3D打印技术在制造复杂金属结构方面取得了显著进展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)凭借其卓越的机械、物理和化学特性，已成为金属增材制造领域的热门材料。由新加坡南洋理工大学的周琨教授团队撰写的最新综述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术在高熵合金领域的应用，系统总结了不同种类高熵合金的设计策略、粉末制备方法、打印态微观组织、性能表现以及潜在应用前景。
该综述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”为题，发表在材料综述的顶刊《Materials Science & Engineering R：Reports》上。文章旨在为研究人员提供宝贵参考，助力开发高性能高熵合金，推动这一新兴材料在增材制造中的应用与发展。

 02【内容简介】

高熵合金是一类新型合金，通过在接近等原子比的成分下混合多种主要元素，展现出优异的强度、韧性、耐腐蚀和抗辐射性能。相比传统合金，高熵合金具备更广泛的设计空间，适合应用于航空航天、能源和生物医学等高性能需求领域。然而，由于组成复杂与多元素混合带来的材料制备和稳定性问题，传统制造技术难以实现有效加工。激光粉床熔融技术凭借其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为研究人员提供了克服这些挑战的有力工具。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

该篇综述将高熵合金分为七种类别：3d过渡金属高熵合金、共晶高熵合金、沉淀强化高熵合金、耐火高熵合金、亚稳态高熵合金、间隙高熵合金和高熵基复合材料 （如图1）。研究中详细分析了每种高熵合金在不同应用中的微观结构特征及其制造过程中的技术挑战。例如，通过激光粉床熔融制备的共晶高熵合金，具有优良的打印精度和机械强度，广泛应用于对力学性能和轻量化有极高要求的工程领域。

▲图1、激光粉床熔融高熵合金的设计分类

由于实验的高昂成本且耗时，文章总结了多种计算模拟方法，加速了合金的筛选与优化。综述详细介绍了多种计算模拟工具（如图2），包括CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟。通过这些工具，研究人员能够精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，帮助优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法不仅有效降低了试错成本，还显著提升了打印质量，为高熵合金的增材制造提供了可靠的理论支撑。

▲图2、计算模拟激光粉床熔融高熵合金的成分设计和工艺优化

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

高熵合金的微观组织对其性能具有决定性影响。激光粉床熔融工艺的高冷却速率使得高熵合金在打印过程中形成独特的微观结构。例如，3d过渡金属高熵合金通常形成单相面心立方（FCC）结构，展现出优异的强度和韧性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的双相微观结构（如FCC和BCC相交替排列），在满足强度要求的同时提高了延展性。沉淀强化高熵合金通过在合金基体中形成精细的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕变性能，非常适合高温应用。耐火高熵合金则展示了极高的熔点和优异的耐磨损性，在极端环境应用中表现突出。文章还指出，LPBF过程中的残余应力和热处理策略对于控制这些微观结构起着重要作用。

▲图3、激光粉床熔融各类高熵合金的拉伸性能总结

3D打印的高熵合金在强度和延展性平衡方面表现出色（如图3），使其在承受动态载荷和冲击时能够有效抵抗断裂。其强化机制包括析出强化、形变诱导相变等。在极端环境中，耐火高熵合金的高熔点和热稳定性表现尤为突出，适合应用于高温结构部件。共晶高熵合金因其双相结构和较好的导热性，适用于对热管理要求较高的应用场合。此外，间隙高熵合金由于添加了碳、氮等小原子元素，提升了材料的硬度和耐磨性，在高磨损条件下表现优异。高熵合金在腐蚀和辐射等严苛环境下同样表现出色。例如，3d过渡金属高熵合金的多元素混合效应（如惰性保护效应）提升了其耐腐蚀能力，适合于海洋和化工领域的腐蚀性环境。研究还发现，LPBF工艺中的高冷却速率有利于抑制有害相的析出，从而增强了材料的耐辐射性能。这些特性使高熵合金在极端应用环境中具备巨大的应用潜力。

▲图4、激光粉床熔融高熵合金的工业应用前景示例

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

综述中还讨论了激光粉床熔融制备的高熵合金在能源、航空航天和生物医学领域的广泛应用（图4）。例如，3d过渡金属高熵合金适用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金则适合用于生物医学植入物的个性化定制。未来，随着计算模拟技术和机器学习的成熟，高熵合金的开发速度将进一步加快，这将为增材制造技术在高性能材料领域的应用开辟更多可能。

 03【团队介绍】

新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。

来源
材料人 l

南洋理工周琨团队顶刊综述：3D打印高熵合金

链接
https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

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

根据公开的市场研究，全球双光子聚合技术市场预计将保持平稳增长的态势，到2029年市场规模将接近29亿元。中国市场作为全球最主要的消费市场之一，预计将在未来几年内实现显著增长。根据3D科学谷的市场洞察，双光子聚合技术能够制造出具有亚微米甚至纳米级分辨率的复杂三维结构，这对于微纳光学器件的制造尤为关键。该技术可以用于制备光子晶体、光学波导、微透镜等高性能光学器件，推动光电子器件向更小型化、集成化和高性能化发展。双光子聚合技术对光电子行业的影响是全方位的，从器件设计、材料开发到制造工艺，再到市场应用和产业链发展，都将带来深刻的变革。随着技术的不断成熟和应用领域的拓展，双光子聚合技术有望在未来光电子行业中扮演更加重要的角色。

本期，通过节选近期国内在双光子领域的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

在双光子聚合领域活跃的部分企业：

Nanoscribe GmbH：这是一家德国公司，提供高精度的双光子聚合3D打印系统，如Photonic Professional GT系统，能够制造亚微米分辨率的器件。Nanoscribe开发了多种适用于双光子聚合的专有光刻胶，适用于不同的应用领域，包括生物医学、光子学等。

UpNano：奥地利的UpNano公司专注于高分辨率微尺度3D打印技术，其技术以精度和速度著称，能够生产微纳米级别的精细结构。该公司最近完成了700万欧元的A轮融资，以加速下一代打印机的开发和国际市场扩张。

深圳市不死鸟科技有限公司：这是一家中国的公司，提供微纳双光子3D打印机和打印服务。该公司的双光子3D打印机D100和S600在精细度和速度、加工尺寸方面具有竞争力。

Microlight3D：这家公司提供双光子聚合3D打印技术，服务于微纳光学和精密工程领域。

Heidelberg Instruments：提供双光子聚合技术及相关设备，服务于科研和工业应用。

Moji-Nano Technology：同样在双光子聚合领域活跃，提供相关产品和服务。

Femtika：双光子聚合技术领域的一员，提供高精度的3D打印服务和解决方案。”

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

通过双光子聚合技术，可以精确控制光电子器件的微观结构，从而提高其性能，如提高光电子转换效率、增强信号传输速度等。这对于光通信、光存储、传感器等领域的应用具有重要意义。

Insights that make better life

 双光子聚合打印
     三维光子晶体的研究进展

赵晗彤1,2苏思华1,2李琛1,2,3周明霞1,2张泽政1,2张晨3阮琦锋1,2宋清海1,2,3

1.微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)2. 广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)3. 鹏城实验室

摘要：

双光子聚合光刻技术和光子晶体的研究相辅相成。本文首先依次简述了三维光子晶体的概念及典型结构、双光子聚合光刻技术的原理与特点；然后回顾了利用双光子聚合光刻技术打印三维光子晶体在分辨率、打印速度和材料扩展等方面的研究进展，并重点介绍了其在光学领域的应用情况；最后总结了双光子聚合光刻作为制备三维光子晶体的加工手段仍存在的一些问题，并对其在未来的研究方向进行了展望。

 基于双光子聚合效应加工大
     深宽比纳米柱子和超构表面的研究

李岳隆1谢周宇1,2张大伟1陶春先1徐学科2文静1

1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院2. 恒迈光学机密机械(杭州)有限公司

摘要：

文章基于双光子聚合(TPP)效应，即双光子光刻(TPL)3D打印技术，实现了超衍射极限和高复杂结构的加工，实现了加工大深宽比的纳米柱子及由这些纳米柱子构成的超构表面。本文研究了不同TPP工艺参数对IP-Dip光刻胶微结构尺寸的影响，同时对这些参数进行了优化。文章的创新在以下两点：(1)分析了不同激光参数下纳米柱的尺寸变化，同时找出线宽最小对应的阈值参数来制备大深宽比的纳米结构。(2)对于加工步骤的优化，在显影步骤后加入了紫外灯固化和超临界二氧化碳干燥等步骤，以保证加工出的纳米结构不倒塌且具有良好的稳定性。文章使用以上改良技术，稳定的制备出具有最大深宽比接近15∶1、最小线宽214.80nm的矩形纳米柱，以及最大深宽比接近20∶1、最小直径145.44nm的圆形纳米柱，并且将制备出的大高宽比纳米柱应用在超构表面的加工中。

 双光子聚合打印
     三维光子晶体的研究进展

赵晗彤1,2苏思华1,2李琛1,2,3周明霞1,2张泽政1,2张晨3阮琦锋1,2宋清海1,2,3

1.微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)2. 广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)3. 鹏城实验室

摘要：

双光子聚合光刻技术和光子晶体的研究相辅相成。本文首先依次简述了三维光子晶体的概念及典型结构、双光子聚合光刻技术的原理与特点；然后回顾了利用双光子聚合光刻技术打印三维光子晶体在分辨率、打印速度和材料扩展等方面的研究进展，并重点介绍了其在光学领域的应用情况；最后总结了双光子聚合光刻作为制备三维光子晶体的加工手段仍存在的一些问题，并对其在未来的研究方向进行了展望。

 基于双光子3D打印的
     pH响应型微尺度柔性单关节加工方法

赵秀宝1,2,3郭仁春1章昱昭2,3,4王金刚2,3,4郑建辰2,3,4王晓朵2,3

1.沈阳化工大学信息工程学院2. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室3. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院4. 中国科学院大学

摘要：

微型软体机器人通常具有结构尺寸小、柔性可变形等特征，在生物传感以及靶向载药等方面具有广阔的应用前景。刺激响应型水凝胶材料对外界刺激具有膨胀收缩的能力，是一种优异的微型软体机器人本体材料。目前针对提升微型软体机器人变形能力的研究主要聚焦于材料性能的提升和加工工艺的优化上，而通过微型软体机器人关节结构优化来提升其变形性能的研究相对较少。

鉴于此，本课题提出了一种基于双光子聚合加工的双层膜弧形关节的设计方法，有效提升了双层膜关节的形变能力。通过改变双光子聚合过程中的激光功率和扫描速度，可有效调节pH响应材料的溶胀响应特性，进而获得双层膜关节的变形或驱动能力。进一步，笔者制备了圆心角不同的双层膜弧形关节，结果表明：不同圆心角的双层膜弧形关节在pH响应下的形变能力具有明显差异，当圆心角为240°时形变率最大，形变率是传统直角形双层膜关节的6.73倍。基于双层膜设计和构建的弧形关节具有良好的稳定性和形变能力，为微型机器人的高效驱动提供了新的设计思路。

 基于双光子聚合3D打印的
     光纤法珀微波导腔制备及传感特性研究

陈茂庆1,2刘思源1,2蔡露1,2刘强1,2赵勇1,3,2

1.东北大学信息科学与工程学院2. 河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室3. 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室

摘要：

将光纤法布里-珀罗（法珀）微腔与微波导相结合，提出一种光纤法珀微波导腔高灵敏度折射率传感器。光纤法珀微腔可以将光场限制在微米量级的区域内，并对腔内的微波导结构起支撑保护作用；微波导在保证结构良好导光能力的同时，基于其强倏逝场特性，进一步提升整体结构的折射率灵敏度。此外，基于飞秒激光双光子聚合高精度3D打印技术，可实现波导直径仅为2μm的光纤法珀微波导腔，并保证良好的制备重复性。

实验结果表明：随着光纤法珀微波导腔传感器腔内液体折射率的增加，传感器的干涉光谱发生蓝移，在1.3346～1.3764折射率范围内灵敏度可达525.81 nm/RIU，与仿真获得折射率灵敏度（555.14 nm/RIU）结果接近；该传感器还展现了优良的线性响应特性，线性拟合系数可达0.9948；相比于传统无微波导的光纤法珀微腔结构，干涉光谱峰值提升了8.2 dB，折射率灵敏度提升了近4倍。

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

▲ Dyndrite加入ACAM社区
© ACAM亚琛增材制造中心

3D打印企业在全世界范围普遍来说并没有实现很好的盈利，一个关键点是从应用的产业化角度来看，可以实现盈利的制造模式应该是具有经济效益的数字驱动的端到端的制造工艺链为核心，而当前3D打印陷入在一个两难的境地，往往是当规模扩大的时候，随之而来的生产成本以级数级别的增加，这反过来使得要实现盈利成为非常具有挑战的事情。增材制造将朝着软件和数据驱动的自进化智造技术方向发展，智能模拟和人工智能的应用将使得硬件拥有更“聪明的大脑“，更”灵敏的神经“以及”更准确的双手“，让加工变得更高效。

ACAM亚琛增材制造中心

▲ futureAM
© 3D科学谷白皮书

 为大规模数字化制造
     开启新的可能

Dyndrite 的软件在激光束粉末床熔融 (PBF-LB) 增材制造领域获得了突出的竞争优势，能够帮助制造商解决复杂几何形状和生产挑战，同时降低成本并提高零件质量。这一点与 ACAM 推动增材制造行业发展的目标相契合。

© Dyndrite

ACAM 作为一个创新研发网络，欢迎 Dyndrite的加入，并期待双方共同努力，推动自动化和材料开发的进步，为大规模数字化制造开启新的可能性。

Dyndrite 的软件支持高通量数据的处理，这对于增材制造工艺链的各个方面，包括建模仿真、数字孪生体技术、工艺开发和过程控制等都非常重要。

总的来说，这次合作将有助于将增材制造技术推向新的高度，使科学和工业合作伙伴能够更有效地开发和实施先进的制造解决方案。

根据3D科学谷的市场洞察，Dyndrite 的软件获得了一系列的市场进展，其中包括：

激光粉末床熔融（LPBF）：Dyndrite的LPBF Pro软件为金属增材制造公司提供了先进功能，与多家主要制造商兼容，包括Aconity3D、EOS、Nikon SLM Solutions、Renishaw和Xact Metal。该软件允许创建复杂零件，有助于加速构建策略和实现构建准备过程的自动化。

工业喷墨3D打印及粘结剂喷射技术：Dyndrite与Meteor合作推出了Meteoryte，这是一个3D软件工具，简化了喷墨技术在增材制造应用的开发和采用。Dyndrite还与Xaar和Meteor合作，为粘结剂喷射增材制造应用提供工业喷墨能力的新发展，推动了粘结剂喷射技术在工业应用中的适应性和增长。

复合材料3D打印：Dyndrite与Impossible Objects合作，将其基于复合材料的增材制造工艺CBAM 打印过程中基于 GPU 实现自动化 CAD 打印流程，提高了生产力并显着降低了运营成本。

 提高稳健性

根据3D科学谷的市场洞察，亚琛高度重视端到端的制造工艺链对3D打印的赋能，最近还启动了AdHoPe尖端项目，旨在通过先进的模拟和实时过程控制优化激光粉末床熔融 (L-PBF) 来改变增材制造的世界，该项目计划引入一种智能过程控制系统，该系统可实时优化参数，防止过热并确保零件质量始终如一。AdHoPe项目研究对于推动增材制造技术的发展至关重要，因为不仅能够提高生产效率，还能确保制造出更高质量的产品。通过实时监控和调整工艺参数，可以显著减少生产中的浪费和缺陷，从而降低成本并提高竞争力。

AdHoPe不仅旨在改进现有方法，还旨在制定新标准。通过开发基于矢量的模拟模型，可以快速计算粉末喷涂过程中的温度值。这种实时洞察可以调整后续涂层，从而降低缺陷风险并提高工艺的整体稳健性。

但这还不是全部。该项目还专注于优化激光器的矢量设计，以保持均匀的热环境并降低过热风险。

通过与亚琛增材制造中心（ACAM）加强紧密合作，3D科学谷认为近期来看这或将推动亚琛AdHoPe项目的进展，长期来看合作将有助于构建一个更加强大的创新生态系统，促进科研成果转化和商业化。3D科学谷认为与Dyndrite的合作将对ACAM的科研工作产生以下具体影响：

软件工具的集成：Dyndrite的LBPF Pros软件将被集成到ACAM的科研网络中，这将使得科研人员能够更高效地处理复杂的几何形状和生产挑战。通过使用Dyndrite的软件，ACAM的科研人员可以更有效地优化整个增材制造工艺链，从设计到生产。

流程自动化：合作将推动增材制造流程的自动化，减少手动工作量，提高生产效率和质量控制。Dyndrite的软件可能会被用于ACAM的研究项目中，帮助科研人员在增材制造领域实现新的突破。

材料开发：通过合作，科研人员基于软件捕捉的数据探索和开发新的定制材料，这将进一步扩展增材制造的材料应用范围。这将促进数字制造技术的发展，尤其是在过程自动化和数字孪生体技术方面。ACAM还可能会利用Dyndrite的软件工具来增强其教育和培训项目，为学生和行业专业人士提供最新的增材制造技术知识。

数据格式的标准化：Dyndrite支持ACAM研究成员亚琛工业大学开发的OVF开放矢量格式文件格式，这将有助于标准化3D打印工艺链的数据格式，简化数据量，提高数据传输效率。

德国亚琛增材制造中心（ACAM）

德国亚琛增材制造中心（ACAM）是位于德国的领先科研机构联合体，亚琛是金属3D打印诞生的摇篮，选区激光熔化的创始专利来源于德国Fraunhofer Institute所有的弗劳恩霍夫激光技术研究所，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），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

根据3D科学谷的市场洞察，国际上亚马逊的无人机项目在经历了多次故障、坠毁甚至火灾后，正在建造一个更好的无人机，以帮助规划公司的Prime Air送货服务的未来发展。新的MK30无人机旨在更安静、飞行更远，并且更好地应对元素，例如高温和小雨。

3D打印技术为无人机的制造带来了许多优势，包括更快速的原型制作、定制化以及按需生产。这项技术允许创建复杂、轻巧的结构，非常适合无人机的空中需求，同时也为无人机爱好者提供了前所未有的定制水平。

无人机制造商正在转向使用3D打印技术来制造更优质、更轻、更坚固的无人机组件。3D打印不仅大大缩短了从计划到生产的时间，而且几乎不需要重新调整工具，就可以生产出几乎不需要重新调整的部件。此外，3D打印选项通常最终成本与传统方法相当甚至更低。

本期，通过节选近期国内在低空经济研究探索领域的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略低空经济背后的技术趋势。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

“3D打印技术在无人机的轻量化和力学性能提升方面具有巨大的潜力。通过优化设计和材料选择，可以显著提高无人机的性能，同时降低生产成本。”

图片：MarkForged

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

国内的研究进展表明未来3D打印材料的多样性和性能将进一步提升，如使用先进的复合材料和智能材料，这将为无人机提供更优越的性能，包括更轻的重量、更高的强度和更好的耐久性.结合自动化和智能化技术，3D打印可以进一步实现无人机的自动化生产，提高生产效率和质量控制水平。

Insights that make better life

 基于连续纤维增材制造工艺
     的四旋翼无人机拓扑优化

熊婷、钱波、胡珍涛、茅健、赵嫚、刘钢

上海工程技术大学机械与汽车工程学院 机械工业航空大型复杂薄壁构件智能制造技术重点实验室 上海交通大学四川研究院

摘要：

针对四旋翼无人机实现轻量化和提升力学性能的需求，提出一种连续纤维增材制造工艺和拓扑优化构型设计相结合的方法。首先基于复合丝材制备工艺，以连续碳纤维为增强材料，短切碳纤维填充尼龙为基体材料，通过熔融沉积成型制得复合材料样件，研究成型方向、纤维分布区域和成型路径方式对样件力学性能影响，得到连续碳纤维复合材料的最佳工艺参数为平放打印、纤维层均匀间隔分布和0°成型路径。其次，利用拓扑优化技术对承载能力最弱工况下的四旋翼无人机重新设计，优化后模型的质量比优化前减轻了48%。再结合最佳工艺参数制备不同连续纤维体积分数的四旋翼无人机样件进行压缩性能测试，结果表明连续纤维体积分数为35%时，可在较低成本下提高样件的力学性能。

 激光增材制造无人机框梁
     结构拓扑优化设计及刚度分析

郝璐静、原帅超、王建峰、段宇航、占小红

南京航空航天大学材料科学与技术学院

摘要：

目的

以选区激光熔化成形（SLM）无人机接头框梁结构为研究对象，研究不同工况条件下零件的变形分布情况，对原零件进行拓扑结构优化，并对优化后的零件进行二次静力学验证。

方法

以AlSi10Mg铝合金粉末为原材料，利用Ansys Workbench软件的Mechanical模块对SLM成形接头零件4种工况下的静力学刚度行为进行有限元仿真。采用变密度法进行拓扑优化，以刚度最大化为目标、保留质量40%为响应约束进行结构优化，根据拓扑优化密度云图设计孔洞位置及尺寸，对模型进行重构，并在Ansys Workbench软件中进行二次静力学刚度仿真。

结果

在4种工况条件下，接头零件弯曲时最大位移位置在上耳片边缘，除工况A外，其余工况均呈现沿z轴正向变形的趋势。在工况B下，总变形最大为0.289 mm，优化后为0.626 mm。优化后的零件使上、下耳片变形程度差异显著减小，最大变形差由0.128 mm减至0 mm。

结论

不同位置接头零件的变形演变规律不同，几乎不存在扭转变形，主要是框梁结构的竖直弯曲变形，经拓扑结构优化后零件变形总体趋势并未改变，但整体结构的稳定性和一致性得到了显著提高。

 3D打印技术
     在无人机生产制造中的应用

褚威、李欣、牛思源、王立东、程高峰

中国酒泉卫星发射中心

摘要：

本课题重点针对SLA和FDM两种3D打印技术进行研究,结合三维激光扫描技术,分析了3D打印技术应用于无人机生产制造的优势和难点问题,通过实际应用案例总结出了一套应用3D打印技术生产制造无人机的方法和流程,对未来可消耗、低成本的小型无人机生产制造具有一定的参考价值。

 基于3D打印的
     船载无人机参数化设计

饶婕

桂林航天工业学院

摘要：

以降低船载无人机重量，提升船载无人机力学性能为目的，设计基于3D打印的船载无人机参数化设计方法。通过面向3D打印的SolidWorks软件建立以船载无人机结构柔度最小为目标，以体积、梯度等为约束条件的船载无人机参数确定模型；利用变权重变异鸽群优化算法，求解该模型，确定最小结构柔度对应的船载无人机参数；依据确定的参数，建立船载无人机的三维模型，并导入3D打印软件内；3D打印技术以分层处理的方式，完成船载无人机参数化设计。实践证明，该方法可有效确定船载无人机参数，建立船载无人机三维模型，有效完成船载无人机参数化设计。该方法设计的船载无人机最大应力较大，符合无人机结构刚度与强度等力学性能需求。

 复合翼eVTOL推力单元
     安装散热一体化设计

陈修贤、姚远、张宝柱、董明

上海沃兰特航空技术有限责任公司

摘要：

基于复合翼eVTOL推力单元散热需求，通过CFD分析了4种散热气道内空气的流速，选择满足散热需求的散热气道；设计推力单元和散热气道的安装结构，采用有限元方法计算电机臂和电机座的结构应变和应力，结果满足结构的强度要求。通过台架试验、地面压载试验和飞行试验，验证推力单元安装散热一体化设计的可行性，填补了国内复合翼eVTOL推力单元利用前行空气来流进行散热与安装设计的空白。

 基于证据理论和区间分析的
     eVTOL热失控安全性分析

王鹏、王晓聪、肖女娥、李勃阳

中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室 中国民航大学科技创新研究院 中国民航大学中欧航空工程师学院

摘要：

为保证eVTOL的安全性，需要对锂电池的热失控问题进行安全性分析。针对锂电池热失控失效数据不足这一问题，提出一种基于证据理论和区间分析的安全性评估方法：对系统进行故障树建模；针对故障树分析中存在的底事件失效率不精确的问题，使用证据理论计算底事件失效概率区间，并结合区间理论对故障树顶事件进行计算；通过重要度分析，找出对顶事件影响最大的底事件。利用所提方法，对eVTOL电池热失控进行安全性分析并计算各底事件的重要度，从而为降低系统失效概率、提升系统安全性水平提供依据。

 电动垂直起降复合翼
     飞行器电机臂结构设计

陈修贤、董明、董文俊、吴韦志

上海沃兰特航空技术有限责任公司研发中心

摘要：

电动垂直起降复合翼飞行器的电机臂为关键的承载部件，在转换飞行阶段和反转换飞行阶段，飞行载荷复杂，研究其结构设计具有重要意义。本课题研究垂起、转换、固定翼飞行、反转换、降落飞行阶段电机臂承受的桨叶拉力、飞行过载载荷，在此载荷下设计双传力路径的电机臂结构，并在给定约束条件下进行电机座的结构优化；通过强度仿真分析对电机臂结构设计进行计算分析，确保电机臂上复合材料和金属零件的应力水平低于设计许用值；根据电机臂结构形式，设计试验加载方式，通过静强度试验和飞行试验，测量试验过程中的应变及变形，并与强度计算结果进行对比分析，以验证电机臂结构设计和计算结果的准确性。结果表明：本文设计的电动垂直起降复合翼飞行器电机臂满足刚度、强度、疲劳设计要求。

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

以下文章来源于材料科学与工程 ，作者材料科学与工程

根据3D科学谷的市场洞察，随着增材制造（AM）技术的快速发展，ASHM技术结合了AM和减材制造（SM）工艺，能够在同一设备上实现复杂零件的连续“沉积-铣削”加工。然而，激光AM过程中的温度梯度会导致工件内部残余应力增加，而后续的SM加工又会进一步复杂化这一问题。此外，SM工艺可能在工件表面产生严重的塑性变形，改变原有的微观组织，进而影响工件的服役性能。

近日，哈尔滨工业大学黄永江教授团队的研究揭示了在ASHM过程中，SM-减材制造工艺对IN718合金的微观组织、残余应力和铣削力的影响。高温铣削相较于室温铣削，能够降低铣削力和塑性变形程度，从而延长刀具的使用寿命。这一发现为镍基高温合金等难加工材料的一体化加工制备提供了高精度、高效率的解决方案。

相关论文已发表在《Virtual and Physical Prototyping》期刊，提供了对复杂金属工件在交替循环热力耦合条件下的组织、应力和形状调控的理论指导。

借助《材料科学与工程》的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于这一研究对行业发展的价值所在。

▲论文链接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2024.2400329#abstract

“IN718的高温铣削相较于室温铣削，能够降低铣削力和塑性变形程度，从而延长刀具的使用寿命。”

3D科学谷发现

3D Science Valley Discovery

关键点：

高温铣削有助于在IN718切削过程中促进动态再结晶，形成更均匀的微观组织。

这种组织的均匀性有助于提高材料的力学性能，降低残余应力的影响。

Insights that make better life

 带温铣削

增材制造(AM)技术的出现不仅大幅提升了工件的生产效率，同时也极大的满足了工业上对大规模个性化加工的需求，在全球范围内得到广泛关注。然而，传统AM技术由于加工精度过低导致工件表面具有较大的粗糙度，二次减材(SM)加工不可避免。近年来，增减材复合制造(ASHM)技术的快速发展则为复杂结构部件的一体化制备提供了一个新思路。作为基于AM技术的计算机数控机床的二次开发技术，ASHM技术集成了AM-增材制造和SM-减材制造工艺，可实现复杂零件在同一设备上的连续“沉积-铣削”加工。然而激光AM过程中产生的温度梯度过大，将不可避免地导致工件内部残余应力增大，后续的SM加工使残余应力的耦合进一步复杂化。此外，SM工艺会在工件表面产生严重的塑性变形，改变AM工件原有的微观组织。不可预测的组织结构和残余应力演变将显著影响ASHM工件的服役性能。

基于上述背景，哈尔滨工业大学黄永江教授团队选择航空、航天工业中应用最为广泛的Inconel718(IN718)镍基高温合金为模型材料，考虑到ASHM中常见的两种SM情况，即冷却后铣削(室温铣削，MC)和AM后立即带温铣削(高温铣削，MAM)，通过ASHM设备制备了基于激光定向能量沉积(LDED)的AM和ASHM制造的IN718样品。通过实验、有限元和分子动力学模拟，探究了IN718在ASHM全过程中(包括AM和后续SM)的微观组织、残余应力和铣削力的演变。此研究旨在为复杂金属工件在交替循环热力耦合条件下的组织、应力和形状调控提供理论指导。相关论文以题为LDED-based additive-subtractive hybrid manufacturing of Inconel 718 superalloy: Evolution of microstructure and residual stress发表在增材制造领域顶级期刊《Virtual and Physical Prototyping》(2024,Vol.19,No.1,e2400329)。该文章第一作者为博士生刘昌煜，通讯作者为黄永江教授和宁志良副教授，共同作者有孙剑飞教授、博士生高小余、赵文杰、王楠、吕阳。

▲图1 IN718合金的增减材复合制造：(a) 增减材一体设备；(b) IN718原料粉末的SEM图像和XRD (插图)；(c) LDED加工工艺；(d) AM样品；(e) MC样品；(f) MAM样品。

三组样品采用相同的AM工艺制成。AM成型后在MC和MAM样品上表面进行铣削加工，它们的差异在于铣削时样品内部的温度不同。

▲图2 AM、MC和MAM的IN718合金样品的EBSD图谱：(a) 样品截面的KAM图；(b) 样品截面的BC图；(c) GND密度沿(a)中标记方向的分布。

EBSD结果表明，与MAM样品相比，铣削导致的高应变、小角度晶界(LAGBs)以及高几何必须位错密度(ρGND)在MC样品中的分布区域更深。

▲图3 AM、MC和MAM的IN718合金样品在距离表面不同距离处的透射电子显微镜(TEM)图像：(a1)~(a3) AM样品；(b1)~(b3) MC样品；(c1)~(c3) MAM样品；(a1, b1, c1) 距离表面25 μm处；(a2, b2, c2) 距离表面50 μm处；(a3, b3, c3) 距离表面75 μm处。

透射电子显微镜(TEM)观察到铣削加工使样品的近表面区域产生了梯度纳米晶(GNG)结构。与MC样品相比，MAM样品的GNG结构分布的更深，相同位置下其位错密度也更大。

▲图4 AM、MC和MAM的IN718合金样品的残余应力分布：(a) 最表面纳米压痕的载荷-位移曲线；(b) 沿深度的残余应力分布。

铣削加工为样品的表面区域引入了残余压应力。与MC样品相比，MAM样品的最表层残余压应力值更大，但其压应力的分布区域更浅。

▲图5 铣削过程有限元模拟：(a) 有限元模拟模型及其网格划分；(b) 室温下的Mises应力和应变云图；(c) 高温下的Mises应力和应变云图；(d) 分别从(b)和(c)的中心区域取截面，分别为中心沿铣削深度的Mises应力分布；(f)、(g)和(h) 不同铣削温度下沿X、Y和Z轴的铣削力。

有限元仿真模拟结果与实际测试结果相符，高温铣削样品的应力分布和铣削力均小于室温铣削样品。

▲图6 铣削过程的分子动力学模拟：(a) 模型；(b) 室温和高温铣削中的位错和层错；(c) 室温和高温铣削中的位错总数、总长度和最大滑移深度；(d) 室温和高温铣削中的再结晶原子；(e) 室温和高温铣削中的再结晶原子数统计。

同TEM的结果相对应，分子动力学模拟结果表明，相比于高温铣削，室温铣削时位错的总数、总长度和最大滑移距离都更大，动态再结晶更强烈，表明在室温铣削下工件表面产生的塑性变形更剧烈。

▲图7 MC和MAM的IN718合金样品的塑性变形程度和位错分布示意图：(a) 塑性变形程度示意图；(b) 密集位错；(c) 位错湮灭和重排。

总的来说，本工作探讨了IN718合金在ASHM全过程中的显微组织、残余应力和铣削力的演变规律。SM过程使样品表面产生了梯度塑性变形，导致GNG结构、LAGBs和残余压应力的生成。由于SM时存在较高的内部温度，热软化效应导致高温SM样品所承受的铣削力更低，且动态恢复导致了高温SM样品的GNG结构、LAGBs和残余压应力在深度方向的分布范围更浅。因此，在常用的ASHM工艺中，AM后立即SM的方式在样品表面产生的塑性变形程度较室温SM更低，更低的铣削力以及更小的塑性变形延长了刀具的使用寿命，将在镍基高温合金等难加工材料的一体化加工制备方面展现出高精度、高效率等显著优势。

来源
材料科学与工程 l

哈工大顶刊：高温合金增减材复合制造中的显微组织和残余应力演变

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

当前增材制造连续碳纤维的技术正在快速发展，随着新材料、新工艺和新设备的开发，预计未来几年将实现更多的技术突破和应用扩展。根据3D科学谷的市场洞察，国内当前的研究热点涵盖了增材制造技术在复合材料连接、层间断裂韧性测试、预浸线材制备、纤维方向优化、力学性能研究、失效机制分析、蜂窝结构制造、冷却模型、加筋圆柱壳制造、翘曲变形优化以及点阵结构成型工艺方面的最新进展。

通过改进材料的制备方法、优化打印工艺参数、提高纤维与基体的结合程度、以及开发新的成型工艺，共同推动了复合材料力学性能的提升，为复合材料在高端装备领域的应用提供了技术支持。本期，

通过节选近期国内在连续碳纤维方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

“碳纤维增强复合材料（CFRP）具有优异的强度和刚性，有助于提高无人机的结构稳定性和耐撞性。3D打印可以根据无人机的特定应用需求定制材料属性和结构设计，如不同的刚度、强度或重量分布。碳纤维3D打印一体成型技术在制造复杂结构的陆空两栖无人机方面具有巨大潜力。这种技术可以提供设计的灵活性、轻量化的结构、以及提高生产效率。”

图片来源：MarkForged

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

本期研究精华亮点

金属与CFRP穿透增强连接结构低速冲击损伤特性与结构优化

• 使用金属激光选区熔融技术制造金属突触结构，并与T300斜纹编织CFRP共固化模压成型形成穿透增强连接结构。
• 突触高度增加能有效抑制复合材料冲击分层。
• 突触特征尺寸、突触阵列密度影响复合材料内部缺陷。

增材制造CFRP-II型层间断裂韧性的缺层置换测试法及其参数化分析

• 提出了一种新型层间预制裂纹制备方法，即缺层置换法。
• 探索了打印温度、打印速度对增材制造CFRP-Ⅱ型层间断裂韧性的影响。

短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析

• 提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。
• 研究了预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响。

复合材料连续纤维方向及路径优化设计方法研究进展

• 介绍了纤维增强复合材料的纤维方向及路径优化设计方法。

连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究

• 研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响。
• 探究了退火后处理对材料力学性能的影响。

玻璃与碳纤维混杂增强复合材料3D打印与实验

• 研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台。
• 分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式。

基于同步辐射的3D打印CCF/PEEK复合材料失效机制及缺陷分析

• 分析了拉伸/弯曲过程中碳纤维/树脂界面和层间的失效模式及机制。

3D打印连续碳纤维/聚酰亚胺蜂窝芯材及其静态压缩力学行为研究

• 以聚酰亚胺树脂为基体，以连续碳纤维为增强相3D打印出蜂窝芯材。
• 进行了静态压缩力学行为分析。

3D打印连续碳纤维复合材料冷却模型及变形研究

• 建立了冷却模型，探究了不同打印参数下复材丝温度随时间的变化。

连续纤维增强加筋圆柱壳回转3D打印工艺及其轴压性能研究

• 提出了一种基于材料挤出成形技术的加筋圆柱壳回转3D打印工艺方法。

FDM成型工艺对PEEK/CGF复合材料翘曲变形的影响

• 研究了打印过程中的热效应对连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料样件翘曲变形的影响。

连续纤维增强复合材料点阵结构成型工艺研究进展

• 介绍了连续纤维增强复合材料二维点阵、三维点阵结构的成型工艺。

Insights that make better life

 金属与CFRP穿透增强连接结构
     低速冲击损伤特性与结构优化

赵坤鹏1,2郑会龙1康振亚1张赛勒1,2董海斌1,2

1. 中国科学院工程热物理研究所2. 中国科学院大学航空宇航学院

摘要：

为提升金属与复合材料连接结构的抗冲击性能，使用金属激光选区熔融技术制造金属突触结构，并与T300斜纹编织碳纤维复合材料（CFRP）共固化模压成型形成穿透增强连接结构，通过夏比摆锤冲击试验验证突触连接结构的抗冲击性，基于CFRP损伤形式与冲击吸收功对突触形貌等影响因素进行分析优化设计，并完成有限元仿真对比计算。实验结果表明：穿透增强连接方式能够避免由于开孔带来的金属应力集中与碳纤维切断，冲击吸收功为68.54J，较于螺栓连接提升216.1%；突触高度增加能够有效抑制复合材料冲击分层，突触特征尺寸、突触阵列密度影响复合材料内部缺陷，其冲击吸收功随着突触特征尺寸、突触阵列密度的增大先增加后减少；基于突触特征尺寸变化进行有限元仿真，仿真值与试验结果偏差小于17%，损伤形式基本一致。

 增材制造CFRP-II型层间断裂韧性的
     缺层置换测试法及其参数化分析

赵煜1熊家豪1药天运2,3贾梦怡1胡海洋1杨冰晨1

1.长安大学公路学院2. 长安大学建筑工程学院3. 西安桥邦工程检测有限公司

摘要：

为实现增材制造碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer-CFRP)Ⅱ型层间断裂韧性的测试分析，并量化打印参数对Ⅱ型层间断裂韧性的影响规律，推进增材制造CFRP技术在桥梁结构中的应用，本文分别从试验及仿真分析两方面展开了相关研究。首先，对打印工艺进行优化并提出了一种新型层间预制裂纹制备方法，即缺层置换法，并利用该方法探索了两类关键打印参数(打印温度、打印速度)对增材制造CFRP-Ⅱ型层间断裂韧性的影响规律。其次，基于内聚区理论建立了不同打印工况下预制裂纹试件端部缺口梁三点弯曲(End notched flexure-ENF)试验的仿真模型，并完成了仿真结果与试验数据的对比分析。结果表明：两类关键打印参数对增材制造CFRP-Ⅱ型层间断裂韧性的影响明显，且打印温度的影响更强。当打印温度从245℃提升至285℃，试验荷载峰值的变化幅度范围为18%～27%，层间断裂韧性的变化幅度范围为14%～32%；当打印速度从20 mm/s提升至60 mm/s，试验荷载峰值的变化幅度范围为4%～31%，层间断裂韧性的变化幅度范围为4%～16%。同时，仿真结果与试验数据的相对误差均控制在10%以内，表明本次所获试验数据合理且稳定，故缺层置换法可用于制备增材制造CFRP预制裂纹试件，且传统工艺复合材料仿真方法同样适用于增材制造CFRP的仿真分析。因此，本研究可为后续增材制造CFRP桥梁结构层间力学性能的量化分析提供技术支撑。

 短-连续碳纤维同步增强热塑性
     复合材料预浸线材制备及3D打印工艺分析

王福吉1,2王公硕1,2王洪全1,2付饶1,2吴博2王琦1,2

1.大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室2. 大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室

摘要：

碳纤维增强热塑性复合材料3D打印技术，是实现先进复合材料复杂结构件一体化制造的有效途径。由于短纤维不连续、连续纤维间基体的载荷传递能力弱，3D打印短或连续碳纤维等单一形态纤维增强热塑性复合材料的力学性能提升进入瓶颈期。发展短-连续碳纤维同步增强热塑性复合材料(Short-continuouscarbonfibersynchronousreinforcedthermoplastic composites, S/C-CFRTP) 3D打印技术，是突破复合材料复杂结构件高质量制造技术瓶颈的重要途径。然而，由于含短纤维的基体熔融黏度大、3D打印温压时变性强，现有原位浸渍工艺难以保证基体对连续纤维的充分浸渍，导致3D打印S/C-CFRTP力学性能较差，无法满足工程应用需求。提高纤维-基体浸渍程度是实现S/C-CFRTP高质量3D打印的关键。基于离线浸渍方法，提出同步增强预浸线材制备及3D打印工艺。研究了同步增强预浸线材制备工艺路线、参数对其浸渍程度、纤维含量及抗拉强度的影响，提出了“混合-浸渍-定形”工艺路线、“小制丝速度-大出口直径”工艺参数的预浸线材高质量制造策略，其抗拉强度达448.70 MPa。同时，通过对比不同打印工艺成形样件的空隙、纤维含量和抗拉性能，发现预浸线材挤出工艺将S/C-CFRTP的空隙率降低近一半，纤维含量提高约7%，抗拉强度和模量提升约18.6%和11.6%，达约430.45 MPa和38.51 GPa。

 复合材料连续纤维方向
     及路径优化设计方法研究进展

李贵兴1,2陈园1,2叶林1,2

1.深圳市连续碳纤维复合材料智能制造重点实验室(南方科技大学)2. 南方科技大学系统设计与智能制造学院

摘要：

连续纤维增强复合材料因其优异的比刚度、比强度等特性，在航空航天、国防军工、医疗器件等高端装备领域得到了广泛的关注和应用。其中，纤维方向对连续纤维增强复合材料的力学性能有着重要影响，但是由于常规制造工艺的局限，纤维路径通常沿0°、45°、90°等规律一致的方向来设定，连续纤维增强复合材料的优势无法被充分利用。如今，3D打印技术促进了制造具有复杂曲线纤维路径复合材料的发展，其对应的纤维方向及路径优化设计方法正逐步引起国内外专家学者的重点关注。本文围绕纤维增强复合材料的纤维方向及路径优化设计方法，介绍了正交各向异性材料方向优化理论，回顾了纤维角度优化方法，总结了现有纤维路径规划算法，探讨了相关前沿问题并做出了未来展望。本文为高性能连续纤维增强复合材料的优化设计和制造提供了重要信息，有助于推动高性能连续纤维增强复合材料的快速发展和广泛应用。

 连续碳纤维增强尼龙
     复合材料的3D打印研究

冯嘉伟1费国霞1夏和生1王占华1余文柏2

1.四川大学高分子研究所,高分子材料工程国家重点实验室2. 重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司

摘要：

连续碳纤维增强复合材料具有高强度、刚性、耐磨、耐高温和轻量化等优点，适用于需要高性能且轻量化的领域。将三维(3D)打印技术用于制备连续碳纤维增强复合材料则具有更高效、低成本、高材料利用率和灵活生产等优势。本文开展了连续碳纤维增强尼龙复合材料的3D打印研究，研究了挤出宽度、层厚、打印温度对打印材料拉伸性能以及弯曲性能的影响，并探究了退火后处理对材料力学性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了3D打印样品的切割横截面和拉伸断裂失效横截面，在不同工艺参数条件下，分析和讨论了打印样品和后处理打印样品的内部结构和力学性能之间的关系。结果表明，当挤出宽度为0.65 mm时打印样品力学性能最佳，拉伸强度和拉伸模量为501.51 MPa和31.70 GPa,弯曲强度和弯曲模量为164.53 MPa和31.91 GPa;当层厚为0.1 mm时打印样品力学性能最佳，拉伸强度和拉伸模量为520.78 MPa和36.59 GPa,弯曲强度和弯曲模量为168.43 MPa和32.31 GPa,之后力学性能随着层厚的增加而减小。打印温度对打印样品的力学影响较小。退火后处理对打印样品的力学性能具有一定的优化效果，拉伸强度提升效果有3.07%,弯曲强度提升了51.27%。

 玻璃与碳纤维混杂增强
     复合材料3D打印与实验

栾丛丛、牛成成、林志伟、钱俊、傅建中

浙江大学机械工程学院

摘要：

本研究基于热塑性材料熔融沉积成型工艺，研制了双喷头连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构增材制造平台，制备了不同混杂比的纤维增强热塑性复合材料结构试件，分析了不同结构试件的弯曲力学性能与失效模式，探索了嵌入碳纤维智能层的混杂纤维增强热塑性复合材料的力阻行为。结果表明：比较纯热塑性材料结构件，玻璃纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了115.99%,碳纤维增强复合材料结构件弯曲强度提高了198.76%;玻璃纤维与碳纤维混杂增强复合材料结构件具有负弯曲强度混杂效应和正弯曲模量混杂效应。可根据碳纤维电阻相对变化率对混杂增强复合材料结构的应变与断裂破坏状态进行实时自感知。研究结果为连续玻璃纤维与碳纤维混杂增强热塑性复合材料结构件的高质高效制造与智能化提供了新工艺与新思路。

 基于同步辐射的3D打印
     CCF/PEEK复合材料失效机制及缺陷分析

吴若涵1康友伟2田小永2刘腾飞2刘铮铮1

1.华中科技大学电气与电子工程学院2. 西安交通大学机械工程学院

摘要：

针对丝材预浸渍处理的连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CCF/PEEK），采用同步辐射μCT表征手段，分析了拉伸/弯曲过程中碳纤维/树脂界面和层间的失效模式及机制，结合缺陷和拉伸力学性能分析，揭示了预浸渍处理对CCF/PEEK材料结构和力学性能的影响。研究结果表明：由于不良浸渍及层间温度梯度，预浸渍样品在纤维/树脂界面和层间均存在缺陷，并随拉伸/弯曲载荷作用演变为层间裂纹，原丝样品则发生纤维脱粘和拔出；预浸渍处理后试样平均拉伸强度提高17.21%，孔隙率降低56.6%，树脂充分渗入纤维丝束，明显改善了材料纤维/树脂界面结合和力学性能。

 3D打印连续碳纤维/聚酰亚胺
     蜂窝芯材及其静态压缩力学行为研究

干腾海、周东鹏、刘长威

黑龙江省科学院石油化学研究院

摘要：

近年来，随着国内外航空航天事业不断的发展，对飞行装置材料的轻量化、耐高温性和力学性能等要求越来越高，3D打印制备轻质结构复合材料也开始引起科研界的极大关注。在此背景下，以耐温等级高的聚酰亚胺（PI）树脂作为基体，以连续碳纤维（CF）作为增强相3D打印出蜂窝芯材，通过3D打印技术制备出3种不同铺层方式的CF/PI蜂窝结构，进行了静态压缩力学行为分析。结果表明，3种不同叠层方式的CF/PI蜂窝结构的抗压强度由大到小排序为：CF/PI-1蜂窝>CF/PI-2蜂窝>CF/PI-3蜂窝，说明芯材内部的连续碳纤维含量越高，整体的抗压承载能力越强。密度为0.335 g/cm3蜂窝最高的抗压强度可达50.20 MPa，该蜂窝芯材在200℃、300℃下的抗压强度相比室温的压缩强度分别下降28%、44%，说明打印出的蜂窝具有较好的耐热机械性能。对比了实验制备的CF/PI蜂窝与纯PI蜂窝压缩性能，在25℃、300℃下的压缩环境下，同一密度的CF/PI方形蜂窝压缩破坏强度为纯PI蜂窝芯材压缩破坏强度的2倍，且破坏形式存在明显差异，这归因于CF/PI蜂窝树脂层遭到破坏后，连续碳纤维起到力学传递、增强的作用，使得制备出的蜂窝芯材兼具耐高温、抗压缩的良好性能。

 3D打印连续碳纤维复合材料
     冷却模型及变形研究

董传贺1孙晓宇2李旺鑫1贾睿昊1赵欣3

济南国科医工科技发展有限公司2. 哈尔滨理工大学荣成学院3. 济南广康医疗器械有限公司

摘要：

为探究3D打印连续碳纤维复合材料（continuous carbon fiber reinforced composites， C-CFRP）动态冷却行为以及翘曲变形行为，本文首先针对3D打印C-CFRP复材丝，建立了虑及材料物性及打印参数的冷却模型，采用热电偶、热成像仪监测了不同打印参数下复材丝温度随时间的变化，并与冷却模型计算值进行了验证，误差最小为11%。然后针对3D打印C-CFRP薄片件，探究了不同打印参数及尺寸对翘曲的影响，并分别采用热电偶、三坐标测量仪进行了成型过程温度动态变化以及翘曲度的测试。结果表明，挤出丝材高于玻璃化温度时间与打印温度、层厚呈正相关，与打印速度呈负相关；C-CFRP薄片件的翘曲度与层厚、长度呈正相关，与打印温度、打印速度呈负相关；本文为高精度C-CFRP 3D 打印技术的发展提供了参考。

 连续纤维增强加筋圆柱壳回转
     3D打印工艺及其轴压性能研究

刘明良1唐颀2田小永1刘腾飞1秦滢杰1李涤尘1

1. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室2. 北京宇航系统工程研究所

摘要：

复合材料加筋圆柱壳是一种先进飞行器典型结构，通常采用纤维缠绕工艺制作而成，对模具依赖程度较高，开发周期较长，不利于产品的快速迭代和低成本制造，针对传统成形工艺的不足，结合增材制造低成本快速制造的优势，分析了加筋圆柱壳3D打印技术研究的发展现状，提出了一种基于材料挤出成形技术的加筋圆柱壳回转3D打印工艺方法，开发了回转3D打印工艺装备，设计了针对连续纤维增强复合材料加筋圆柱壳的网格结构与打印路径，回转打印连续碳纤维增强聚乳酸加筋圆柱壳轴压临界载荷和载荷质量比分别达到71 459 N和578.29 N·g-1，同等结构参数下，探究矩形、三角形、菱形网格形状筋条的轴压性能，结果表明菱形网格加筋圆柱壳轴压力学性能最优。

 FDM成型工艺对PEEK/CGF
     复合材料翘曲变形的影响

李久振1战丽2李莞1李云鹏1袁勇超1

1.中国机械总院集团青岛分院有限公司 2. 中国机械总院集团北京机电研究所有限公司

摘要：

为降低连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料增材制造样件的翘曲变形，优化增材制造基础工艺参数，通过单因素试验、Plackett-Burman Design试验与Box-Behnken Design试验，研究了打印过程中的热效应，即保温舱温度、层厚、成型平台温度、打印速度等工艺参数对连续玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料样件翘曲变形的影响规律，得出如下结论：研究发现打印工艺对翘曲度的影响程度是不同的，影响程度依次为B (层厚)> C (成型平台温度)> A (保温舱温度)。研究发现打印工艺参数之间是会对翘曲变形产生交互作用的，并且影响程度也较为显著(PB析因试验中大于t值)，即B> C> A> AB> BC> D (打印速度)> BD。研究发现喷头温度440℃，成型平台温度100℃，保温舱温度90℃，层厚0.3 mm，道间距为0.5 mm，打印速度2 mm/s时，翘曲度可达到0.23%。

 连续纤维增强复合材料
     点阵结构成型工艺研究进展

冉旭东1,2黄树海1张鹏2韩振宇2周少兰1陈强1

1.西南技术工程研究所2. 哈尔滨工业大学机电工程学院

摘要：

连续纤维增强复合材料(Continuous fiber reinforced polymer composite, CFRP)具有比刚度与比强度高等优势，在航空航天、汽车电子及国防军工等领域得到了广泛的应用和关注。其中，复合材料点阵结构具有极高的结构效率，被广泛使用在轻质夹层结构中，发挥承载结构载荷的关键作用，但是因其结构复杂，大规模一体化制造轻质点阵仍是困扰科研人员的技术难题。本课题介绍了连续纤维增强复合材料二维点阵、三维点阵结构的成型工艺，重点分析了不同点阵结构的成型工艺流程、工艺特点及结构破坏形式，综合对比各成型工艺优势与不足，对连续纤维增强复合材料点阵结构成型工艺进一步发展进行了展望。

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

▲ 加速Raptor3的技术发展
© SpaceX

埃隆马斯克对增材制造技术的看法是，它不仅是制造业的未来，而且是实现其太空探索愿景的关键技术。通过这项技术，SpaceX 正在不断推动设计的极限，创造更高效、更可靠且成本效益更高的产品。”

 知识产权许可
     商业竞争优势的一环

近日，SpaceX与Velo3D达成了一项重要的知识产权许可和支持服务协议，总价值800万美元。根据协议，SpaceX将获得Velo3D增材制造技术的非独家许可，以及一系列的工程和支持服务。这项技术对于SpaceX在制造其先进的Raptor发动机，特别是最新测试的Raptor 3发动机中发挥了关键作用。

Velo3D的技术允许SpaceX制造复杂的火箭发动机部件，这些部件在设计和功能上都具有高度的复杂性。通过这项协议，SpaceX不仅能够使用Velo3D的技术，还能够对其进行修改和开发，以适应其内部运营的需求。这包括在火箭和航天器部件制造过程中的应用。Velo3D将保留对其技术的所有权，并继续控制对外的技术分发，同时SpaceX将拥有在使用过程中对技术所做改进的所有权。

根据3D科学谷的市场洞察，这项合作协议包括几个关键点：

• 许可费用：SpaceX 将支付 500 万美元以获得 Velo3D 技术的非排他性、免版税、永久许可。
• 技术改进：SpaceX 有权修改和改进 Velo3D 的技术，但仅限于内部使用。
• 知识产权：Velo3D 保留对其知识产权的所有权，包括在协议生效后的 12 个月内所做的任何改进。
• 再授权权利：SpaceX 可以在特定条件下将 Velo3D 技术再授权给关联公司或非竞争对手的第三方。
• 支持服务：Velo3D 将为 SpaceX 提供工程支持服务，帮助其有效整合 Velo3D 技术。
• 额外服务费用：除了许可费用外，SpaceX 还将为 Velo3D 提供的支持服务支付 300 万美元。

该协议还授予 SpaceX 在某些条件下再授权 Velo3D 技术的权利。具体而言，SpaceX 可以将该技术再授权给关联公司或第三方，前提是这些第三方不是 Velo3D 的竞争对手。再授权必须仅限于向 SpaceX 本身提供服务，这意味着获得再授权的实体不能将该技术用于 SpaceX 业务之外的独立目的。

此外，Velo3D将为SpaceX提供必要的支持服务，帮助SpaceX有效整合和利用Velo3D的技术。这些服务可能包括工程支持和技术咨询，以确保SpaceX能够充分利用Velo3D的技术。作为交换，SpaceX将向Velo3D支付总计800万美元，其中500万美元为技术许可费，另外300万美元用于购买支持服务。

 更互利的合作

在商业竞争中，经常是甲方对乙方的价格和付款条件步步紧逼，使得乙方的利润不断降低，现金流出现拆东墙补西墙的各种窘境。涸泽而渔，内卷的尽头没有赢家，那么，有没有一种合作？并非是甲方单维度将乙方挤到墙角上，而是能够通过甲乙双方的深度合作，甲方获得更快速更度身定制的技术优势，同时乙方获得技术的进一步提升和现金流的保障？

这方面，SpaceX为业界做出了开创性的表率。

这项合作不仅对SpaceX在火箭发动机制造方面具有重要意义，也显示了Velo3D在增材制造领域的技术实力和市场地位。通过这种合作，两家公司都能够在各自的领域内推动技术的进一步发展和应用。

根据3D科学谷的市场洞察，Velo3D 与 SpaceX 的合作模式对 Velo3D 的长期发展可能产生多方面的积极影响：

• 财务稳定：通过与 SpaceX 的合作协议，Velo3D 获得了重要的资金注入，这有助于公司在面临市场挑战时保持运营和财务稳定。这种资金支持可能使公司能够继续投资研发和扩大生产能力。
• 技术改进与创新：根据协议，SpaceX 可以对 Velo3D 的技术进行修改和改进，这可能会推动 Velo3D 在金属增材制造领域的技术进步。同时，Velo3D 保留对其知识产权的所有权，包括在协议生效后的 12 个月内对其技术所做的任何改进，这有助于Velo3D保持技术领先地位。
• 市场地位提升：与 SpaceX 的合作提升了 Velo3D 在增材制造行业的知名度和市场地位。这种合作关系可能会吸引其他潜在客户或合作伙伴，从而扩大 Velo3D 的市场份额。
• 业务模式的验证：Velo3D 通过与 SpaceX 的合作，验证了其业务模式和市场策略的有效性。这种合作为公司提供了一个展示其技术实力和制造能力的平台，有助于增强投资者和其他利益相关者的信心。
• 长期战略规划：Velo3D 可以利用这次合作作为一个跳板，进一步规划其长期战略，包括产品开发、市场扩张和潜在的战略合作。这种前瞻性规划对于其持续增长和成功至关重要。

当然，尽管合作带来了许多积极影响，但也可能存在一些潜在的挑战，如对单一客户的依赖增加、技术泄露风险以及在合作中可能产生的知识产权纠纷。

根据3D科学谷的市场洞察，Velo3D 与 SpaceX 的合作在可见的未来会为 Velo3D 带来多点的技术改进：

• 非接触式铺粉技术提升：Velo3D 以其创新的非接触式铺粉技术而闻名，这对于实现高质量的构建至关重要，尤其是无支撑金属3D打印的实现。根据SpaceX新产品设计的需求，这种技术对于 SpaceX 在其火箭和航天器部件的制造过程中可能会有进一步改进。
• 零件性能提升：Velo3D 的技术可以帮助 SpaceX 优化零件设计，以满足太空探索行业的高标准。此外，Velo3D 部署了下一代合金目录，根据SpaceX的实际需求，通过优化材料来提升零件性能。
• 人工智能模拟能力提升：Velo3D 与 PhysicsX 的合作为 Velo3D 客户提供了人工智能模拟工作流程，基于SpaceX的实际应用场景以加速仿真循环，提高仿真保真度，并算法性地探索复杂设计空间以解锁新的性能水平。

3D科学谷认为，Velo3D 与 SpaceX 的合作对其长期发展具有积极影响，也将对3D打印行业整体的竞争带来新思路，使得行业的生态合作思维提上日程，从盲目内卷走向更为合作共创的良性发展之路。

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打印技术在机器人制造领域发挥着重要作用，它允许快速制造出复杂形状的部件，提高制造效率，降低成本，并且能够实现高度定制化，3D打印技术正在以革命性的方式重塑机器人制造流程，实现从定制化机器人零件和外壳到功能性机械系统的快速生产。

本期，通过节选近期国内其他科研机构在机器人增材制造方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

© 3D科学谷白皮书

3D打印允许设计师和工程师创建复杂的几何形状，这些形状在传统制造技术中可能难以实现或成本过高。这对于人形机器人的关节、外部结构和定制部件尤其有价值。此外，3D打印可以在同一打印过程中集成电子元件和传感器，这为设计具有嵌入式智能的机器人部件提供了可能。”

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

3D打印在机器人领域的多点研究进展：

行走式建筑3D打印机器人：这种机器人能够进行室外环境下的大尺度建筑3D打印，具有全向移动和垂直提升功能，解决了复杂工况下的打印难题。

六足仿生机器人：通过3D打印技术制造，采用圆形六足式布局和弹簧机械结构，减少了伺服系统的设计，提高了适应性。

四旋翼无人机底座：通过拓扑优化设计，实现了轻量化，提高了无人机的性能。

高楼玻璃幕墙清洁机器人：设计用于替代人工清洁，具有吸附、爬行和清洁功能，提高了清洁效率和安全性。

小型六轴机械臂：设计用于餐厅、医院等场景，具有高灵活性和定位精准性。

磁控软体机器人：利用3D打印技术制造，展示了在生物医疗等领域的应用潜力。

四足机器人腿部结构：通过拓扑优化设计，提升了机器人腿部结构的力学性能。

高压输电线路机器人：设计了防滑挂线轮毂的H型3D打印装置，提高了打印精度和速度。

介电弹性体驱动器的柔性机器人：研究了3D打印快速制作的介电弹性体驱动器，简化了制作过程，提高了制作效率。

仿人机械手臂：一体化结构设计，基于FOC控制算法进行控制，实现了基本功能需求。

Insights that make better life

 行走式建筑3D打印机器人
     及其配套技术研发与应用

葛杰;白洁;杨燕;韩立芳;黄青隆;连春明;冯俊;许国文;王彬楠;熊浩;贾红学;马俊;沈鹏;陆杨;李鑫

中国建筑第八工程局有限公司

建筑3D打印是当前土木工程领域的前沿技术之一。本项目基于前序课题研究成果,以实现“室外环境下机器人原址打印大尺度建筑”为目标,对行走式建筑3D打印技术开展攻关,取得以下创新成果：

1、研发了由六轴工业机械臂、麦克纳姆轮全向移动底盘、双激光定位导航系统、混合支撑系统、末端供料系统、远程操控器等组成的行走式建筑3D打印机器人(M3DP-Rob)。设备具有零转弯半径、全向移动和垂直提升功能,可在狭小空间范围内灵活作业、在已完成楼面标高继续打印上层建筑,解决了复杂工况下室外原址大尺度建筑3D打印的难题。

2、研发了室外“自生长施工环境”下的一体化导航定位控制技术及无接触式激光标定装置,开发了上位机一体化控制软件(ConRob3D建筑机器人),解决了室外时变环境下行走式建筑3D打印机器人打印过程中导航定位和实时标定的难题,实现了室外现场打印范围内机器人的全自动打印作业。

3、首次提出了包含竖向切片、截面设计、充盈值控制和路径规划等内容的建筑3D打印切片算法,并开发了配套的建筑3D打印切片软件,实现了对打印构件高度误差、线段交叉点表观质量的精确量化控制,减少了打印断点、提高了打印效率,为建筑3D打印机器人施工的规范化和标准化提供支撑。

4、开发了面向空间多尺度的行走式建筑3D打印成套施工工艺,建立了打印参数实时控制方法,实现了打印材料、机械和施工工艺的高效协同,提高了建筑3D打印材料的现场环境适应性和建筑3D打印技术的应用范围。

项目形成专利53项(发明41项),工法1项,论文6篇,授权软件著作权2项。经上海市土木工程学会鉴定,成果总体达到国际先进水平,其中建筑3D打印切片算法达到国际领先水平。目前,项目成果已在深圳市新华医院、上海市机场联络线等多个项目成功应用,节约异形复杂曲面构件加工成本约30～40%、缩短工期约40%～50%,成果合计带来新增产值3491.36万元,新增利润314.22万元,社会、经济和环保效益显著。

行走式建筑3D打印工艺打破了传统打印工艺对构件尺寸的限制,精简工序的同时提升打印质量,适用于各类构件的高精度打印,以及建筑小品或大型建筑物的现场打印。本项技术对于各类劳动力紧张、施工环境恶劣的工程项目,以及定制需求高、环保要求严的城市更新及乡村振兴项目具有广阔的应用前景。

 基于EthernetKRL实时通讯的库卡机械臂
     在线建筑3D打印控制研究与应用

叶华清1岳承涛1韩立芳2

1.上海机器人产业技术研究院有限公司2. 中国建筑第八工程局有限公司

 六足仿生机器人
     结构设计及运动仿真

周梦、郝同鑫、闰文彬、代文杰、韩宁豪

信阳学院理工学院

摘要：

为降低六足机器人制造成本，提高六足机器人在不同环境下的适应性，设计一款新型腿部结构的六足机器人。该机器人使用SolidWorks软件设计结构，机械结构采用3D打印机打印制造，机器人采用圆形六足式布局，腿部关节处使用弹簧机械结构来减少伺服系统的设计，并搭配适用不同地形可拆卸的模块化足端，可以利用较少的伺服系统完成复杂的运动。

通过对机器人进行运动学分析，以3种步态为例分析了不同环境下不同步态的特点，以单腿为例建立坐标系，使用DH法对机器人腿部进行运动学分析，Adams仿真结果表明，机器人在84 mm/s的情况下运行时，机器人重心的变化在9 mm以内，满足设计要求。机器人样机进行了不同地形下运动实验，实验结果与仿真基本一致。仿真实验以及样机运动实验验证了这种新型腿部结构的稳定性与可靠性，说明这种腿部结构在保证稳定性的前提下能够代替同类机器人并降低伺服系统的使用，从而降低了六足机器人的生产成本。

 面向增材制造技术的
     四旋翼无人机底座拓扑优化设计

朱振国1杨海东2王正宗1

1.安徽职业技术学院智能制造学院2. 合肥工业大学机械与汽车学院

摘要：

利用Inspire软件对四旋翼无人机底座进行拓扑优化和轻量化设计。首先根据逆向工程技术得到四旋翼无人机底座的三维模型，然后将三维模型导入到Inspire软件进行有限元分析和拓扑优化。结果显示：无人机底座优化前的质量为66.158 g（材料ABS），通过轻量化设计之后的质量为30.218 g，实现了54.32%的减重，同时，最大米塞斯等效应力为3.213MPa，最大位移为0.190 9 mm，最小安全系数为14，减重后的性能满足要求。最后利用3D打印方法将优化后的底座打印出来，并试验验证了拓扑优化方法的合理性和可行性。

 高楼玻璃幕墙清洁机器人结构设计

侯贤州、庄梓嘉、卢桂芳、黄志维

广东科技学院机电工程学院

摘要：

针对高楼玻璃幕墙人工清洁作业所存在的安全风险高、劳动强度大、作业效率低等问题，设计了一种可替代人工作业的玻璃幕墙机器人。根据实际高楼玻璃幕墙清洁的需求，设计出能实现高楼玻璃幕墙清洁的机器人。运用SolidWorks对清洁机器人结构进行几何建模，运用有限元分析软件对机器人的运动方式进行分析优化，利用3D打印的技术打印出高空玻璃幕墙清洁机器人结构。选择STM32芯片对舵机、真空泵、清洁机构的控制，实现清洁机器人的爬行、吸附、清洁等功能。利用真空泵实现机器人吸附在非水平面上，利用舵机控制机器人的腿部关节移动，利用滚刷实现对幕墙的清洗。基于仿真与实物实验，计算清洁机器人能在高楼玻璃幕墙上行走所需的吸附力参数，并选用相应的真空泵；计算清洁机器人爬行所需的舵机转动角度；在满足清洁需求的情况下，对清洁机构进行优化。设计的清洁机器人具有整体尺寸小、行走灵活、通过性强、应用场合广等特点，为高楼玻璃幕墙清洁作业提供了技术方案。

 多功能小型六轴机械臂的设计与制作

冯婧、莫谋艺、靳瑜、陈思伟、黄志维

广东科技学院机电工程学院

摘要：

针对新型机器人应用场所多样化的需求，以工业机器人为灵感设计了一种小型六轴机械臂，应用于餐厅、医院等场景，在提升人们生活质量的同时降低用人成本以及劳动强度。所设计的机械臂动作灵活性高，工作空间范围大，具有定位精准、制造成本低、体积小的特点。利用SolidWorks对机械臂机座、机身、手臂以及执行末端机构进行三维整体建模，设计出了小型六轴机械臂的主体，通过Arduino实现对机械臂运动轨迹的控制。通过更换机械臂末端执行器的类型实现不同功能的转化，应用于不同场景。针对餐饮服务业设计了菜盘夹紧机构，实现了对不同类型以及尺寸菜盘的夹紧。通过3D打印技术完成机械臂部分结构的制作，实现了设计目的。

 基于3D打印硬磁软材料
的磁控软体机器人开发

黄麟阁1,2张治国1,2,3潘峰3

1.天津科技大学机械工程学院2. 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室3. 新疆农垦科学院机械装备研究所

摘要：

近年来，磁软体机器人因其优异的生物安全性、环境适应性和快速响应能力受到广泛关注，在生物医疗等领域展示出巨大的应用潜力。本文针对磁软体机器人的墨水直写(DIW)3D打印问题，根据需求和材料特性进行材料设计优化，制备了具有稳定可打印性的硬磁软材料墨水。在此基础上，通过流变性实验验证了混合墨水的可打印性，使用DIW完成了对硬磁软体机器人的制造。之后，设计并制造了一种用于货物搬运的多模态磁软体机器人，在外磁场的作用下机器人可以以爬行和滚动两种模式运动，兼具货物搬运和放置的能力。本文所提出的磁软体机器人3D打印方法将为以后磁软体机器人的材料选择和广泛应用提供基础。

 四足机器人腿部结构
     拓扑优化设计及力学性能分析

李伟豪1茅健1郑武2张婷1

1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院2. 华融普瑞(北京)科技有限公司

摘要：

基于变密度方法中的SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)模型，提出一种多复合材料3D打印制造的拓扑优化方法对四足机器人腿部结构进行优化设计。采用体积约束下最小应力的优化方式，同时引入复合材料的本构矩阵，使得优化结果更加合理。针对四足机器人常见工况进行静力学分析，并对最大位移下的载荷情况进行拓扑优化设计。为了验证优化后腿部结构的强度，分别制备拓扑增强和轮廓增强腿部结构并进行试验分析。

试验结果表明，拓扑增强结构最大位移比轮廓增强结构在外摆工况下降低了53.57%。拓扑增强结构承载比在0°和30°外摆工况下比轮廓增强结构分别提升了17.98%和24.57%。通过对四足机器人腿部结构优化前后的试验对比可知，经过拓扑优化设计，四足机器人腿部结构力学性能得到提升，优化设计具有可行性。该拓扑优化方法对于提高产品力学性能，具有一定作用。

 高压输电线路机器人防滑挂线轮毂
     的H型3D打印装置的研究

张立军1马哲1王钰文2张晓东3贺庆强1王智伟4王吉岱4马龙5王晓强1李明1

1.中国石油大学(华东)机电工程学院2. 河北北方学院农林科技学院3. 中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院4. 山东科技大学机械电子工程学院5. 江苏省送变电有限公司

摘要：

针对目前桌面级3D打印机存在打印速度慢、打印精度低的问题，提出并设计了高压输电线路机器人防滑挂线轮毂的H型结构3D打印机。通过对3D打印机结构建模与运动学分析，建立了其数学模型，推导出其逆运动学方程；提出了H型结构3D打印机的控制算法，运用PID控制调节系统的输入信号和输出信号的误差，获得了3D打印机的稳定工作模式。试验结果表明，提出的H型结构的3D打印机的打印精度高于目前常见Prusa I3型结构，能够实现快速平稳打印，打印速度提高20%左右，末端执行器在80 mm/s速度下仍能平稳工作，且运动轨迹理想，应用前景好。

 基于3D打印介电
弹性体驱动器的柔性机器人

宿森

青岛大学

摘要：

介电弹性体驱动器(DEA)作为柔性材料具有大应变、高效率、高能量密度和快速响应等优点,在近几年被广泛地应用于软体机器人、软夹具和各种人工肌肉等方面。但是目前介电弹性体一般都是旋涂制作,制作过程十分复杂,无法实现大量快速制作。本文研究了一种可以3D打印快速制作的DEA,这种介电弹性体材料可以通过紫外光快速固化,并且具有良好的力学性能和电驱动性能。该材料基于CN 9021(丙烯酸酯)进行改性,通过调整稀释剂和交联剂在油墨中的重量比,获得了可以用3D打印制作的粘度和最佳的力学性能。使用有限元分析DEA在驱动过程中的形变,通过添加增强纤维放大了DEA的单方向形变,制作了可以爬行的柔性机器人,在频率为1 Hz的4 k V电压下爬行速度大约为3 mm/s。使用改性后的油墨进行3D打印测试,分析并改进了打印过程。3D打印制作的DEA可以在2.5 k V的电压下产生7.6 mm的自由端位移。对比旋涂方法与3D打印制作的DEA的驱动性能,两种制作方式制作的DEA表现出了相同的性能,这表明3D打印方式在不降低DEA性能的情况下,简化了DEA的制作过程,提高了制作效率。本研究选用电吸附作为机器人攀爬的附着原理。通过仿真分析对比了不同的电极材料和不同的电极厚度对电吸附力的影响,选择多壁碳纳米管作为电吸附垫的电极材料,电极层厚度在nm级别。使用3D打印制作电吸附垫并测试了在不同材料的基板上产生的法向和切向电吸附力。基于3D打印制作的DEA和电吸附垫制作柔性机器人,测试了在不同电压下机器人的驱动力与伸长量的关系,测试了基板材料、驱动电压大小和驱动电压频率对机器人爬行运动产生的影响,本研究制作的柔性机器人在平面上的最大爬行速度约为5.4 mm/s,在45°倾斜面上的最大爬行速度约为1.8 mm/s。

 仿人机械手臂一体化
     结构设计及其控制系统研究

陈炳阳

北京化工大学

摘要：

伴随着人们日常生活需求的提高与各种机器人相关技术的快速发展,对仿人机器人的研究也逐渐增多。而仿人机械手臂作为仿人机器人重要的组成部分,对其进行设计与研究便具有了很重要的实际意义。

本课题通过对人体手臂的分析,并结合了当今国内外先进的仿人机械手臂的优点,基于解剖学、机器人学、控制系统仿真技术以及机电一体化技术等学科设计了一种仿人机械手臂一体化结构,并基于FOC控制算法对其进行控制。

通过参考人手臂的结构以及运动状况,确定了仿人机械手臂一体化结构的设计方案,并对传动方式与驱动方式进行选择,利用Solidworks软件设计三维模型。对仿人机械臂与机械灵巧手进行运动学分析,利用D-H参数法求解二者的运动学正、逆解,并利用Matlab软件验证运动学正、逆解的正确性,并对二者的工作空间与轨迹规划进行仿真。控制系统方面,基于FOC控制算法,设计了仿人机械手臂一体化结构的控制系统,并用Matlab软件进行仿真,验证控制系统的功能性、稳定性等,并利用试凑法得到合适的参数,使实际运动曲线贴合目标运动曲线。利用3D打印技术搭建仿人机械手臂一体化结构的样机,并搭建其硬件控制系统,利用Visual Studio软件开发上位机,使控制程序的调试与运动控制更加方便与高效。对搭建的样机进行运动试验,试验证明本文设计的仿人机械手臂一体化样机能够实现基本功能需求。

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

超材料科学的前沿是先进增材制造技术、计算创新和实验验证的融合体系。随着这些技术的结合，超材料的潜力不断扩大，为新的应用领域开辟了道路。增材制造Additive manufacturing，通过精确调控几何形状和多尺度结构，用以实现所需的材料性能。在生产超材料过程中，增材制造发挥着至关重要的作用。

近日，波士顿大学（Boston University）Keith A. Brown，加利福尼亚大学伯克利分校（University of California Berkeley）Grace X. Gu，在Nature Computational Science上发表《Computational challenges in additive manufacturing for metamaterials design》评论文章，这篇文章强调了计算超材料设计的增材制造挑战和机遇，提供了对增材制造在超材料设计中所面临的挑战和机遇的深入分析，展示了计算方法如何帮助克服这些挑战，并推动超材料领域的进步。

本期谷.专栏将发表在今日新材料的中文内容进行分享。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

▲论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43588-024-00669-6

3D科学谷发现

3D Science Valley Discovery

增材制造超材料的挑战与机遇：

设计的挑战：增材制造提供了巨大的设计空间，但这也意味着设计探索变得复杂和困难。为了有效探索这一空间，研究者们采用了基于图形的表示法、参数化或程序化设计、拓扑优化、遗传算法和机器学习等方法。

增材制造的限制：增材制造过程中的限制，如支持材料的要求和打印机的分辨率，需要通过计算设计过程来解决。模拟工具可以帮助预测支撑结构的需求，并优化设计以适应打印机的分辨率和材料使用。

工艺参数的影响：增材制造的零件性能受到工艺参数和条件的影响，如能量输入、层高度、打印速度和环境条件。计算模型需要包含这些变量以准确预测最终产品的性能。

数字孪生：数字孪生技术可以模拟、预测和优化增材制造过程，以实现精确的工程规范，并探索新的材料和几何形状。

多保真机器学习模型：这些模型可以同时处理高保真和低保真数据，以实现更准确、更高效的预测，从而优化超材料的特性和功能。

实验验证：实验测试仍然是验证超材料设计和仿真工具的黄金标准。自动化实验和主动学习策略可以快速探索复杂的设计空间。

Insights that make better life

 复杂的挑战

超材料Metamaterials是一种人工结构，具有天然材料中通常没有的特性，通过独特的微纳结构实现。在创建这些复杂结构中，增材制造AM或3D打印发挥着至关重要的作用。在超材料特性所需尺度上，实现了精确控制材料的几何形状。3D打印的增材特性，可构建复杂的图案和形状，以实现所需的超材料行为，从而实现快速原型制作、定制以及相对轻松高效地探索巨大设计空间的能力。此外，新兴的“ 4D打印”技术，将时间作为第四维，可制备材料特征或属性（例如，形状、硬度等）编程为在生产后继续进化并适应环境。然而，设计和预测增材制造的超材料行为是复杂的，因为超材料的性质依赖于物理现象，这些物理现象对多个长度尺度和工艺参数的微小结构细节，却高度敏感。这篇评论，将讨论与超材料增材制造相关的计算挑战和机遇（见图1顶部示意图）。

▲图1: 超材料制造的增材制造工艺，以及有助于超材料生产的新兴技术的亮点。顶部：超材料的传统增材制造Additive manufacturing，AM工艺，包括绘制数字设计空间和制造的打印工艺。底部：用于超材料设计和验证的增材制造AM方法。用于优化增材制造AM中的多维参数空间工艺参数优化方法（左）。将构筑设计和工艺参数纳入计算模型的多保真机器学习模型（中）。用于自动探索复杂超材料设计空间的自动主实验室（右）。绿点表示3D图上的选定点，多保真度模型中的颜色，表示神经网络中的不同层。

第一个挑战是增材制造AM提供的巨大设计空间，超材料的分层性质得以放大。最近的研究进展表明，使用基于图形的表示法，可以更好地捕捉材料结构中的不规则性，从而更准确地描述潜在的设计变化3。此外，参数化或程序化设计，利用算法，基于有限的初始参数集生成结构，从而简化设计过程。为了有效地概述这一广阔的设计空间，采用了拓扑优化和遗传算法等优化技术4。机器学习也发挥着至关重要的作用，生成式设计策略，从相对适度的变量输入中，预测复杂的架构，从而加快设计过程。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

另一种创新方法涉及利用自组装过程，自然地指示精细尺度特征的形成5。解决增材制造AM限制，例如支持材料要求和打印机分辨率，是计算设计过程不可或缺的一部分。以前的方法，通过结合模拟工具，以管理这些限制，这些模拟工具预测，对支撑结构的需求，并调整设计，以优化分辨率和材料使用6。这些模拟和相关计算工具，对于优化支撑结构的使用，是必不可少的，这对于防止悬垂特征的倒塌，以及在打印过程中，保持结构的完整性，通常是必要的。通过准确预测需要支撑的位置，模拟工具和算法，可帮助减少使用的多余材料量，从而最大限度地减少浪费，并减少去除这些支撑所需的后处理时间。通过将先进的计算方法与实际的制造考虑相结合，该项领域，可推动增材制造AM中超材料的可能性。

计算的另一个挑战是，处理条件和参数，对增材制造的超材料部件影响。通过增材制造生产的零件机械性能，受制于工艺参数和条件，例如能量输入、层高度、打印速度和环境条件（具体取决于增材制造AM方法）7。这些打印参数会影响材料的微观结构，进而影响打印零件的强度、延展性和疲劳寿命。最近，已经开发了原位监测和校正技术，以检测这些影响，并进行校正8。计算模型必须包含这些变量，以提供对最终产品性能的准确预测。通过模拟增材制造过程，考虑热历史、应力发展和冷却速率，模型可用于优化所需机械结果的参数（图1，左下）。这种预测能力，对于开发可靠地生产具有特定属性和性能的零件设计原则，是至关重要的。因此，将工艺参数集成到计算模型或数字孪生9中，对于推动增材制造AM生产满足精确工程规范的零件，以及系统探索新材料系统和几何形状，也是至关重要的。数字孪生Digital twins，即用实时数据更新的物理系统虚拟副本，可以有助于模拟、预测和优化增材制造AM过程，以实现精确的工程规范，并探索新的材料和几何形状。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

最终，将建筑设计和工艺参数，整合到计算模型中，将是获得具有所需特性和功能超材料的关键。当考虑训练这种模型所需的数据时，在成本和保真度之间存在权衡，即高保真度模拟通常是捕捉复杂现象所必需的，但更低保真度模拟，更适合于探索广阔的参数空间。此外，考虑到复杂的加工-性能关系和加工相关缺陷，通常需要进行实验。利用多保真机器学习模型10（图1，底部中间）提出了一种有效集成架构设计和过程参数的方法。这些模型，可同时处理高保真模拟和实验数据，以及低保真、计算成本更低的数据，从而实现更准确、更高效的预测。这种方法大大增强了优化超材料特性和功能的能力，解决了计算复杂性的挑战，同时减少了此类任务通常所需的时间和资源支出。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

最后一个挑战是，作为设计和验证过程的一部分，必须对增材制造超材料的计算模型，进行评估和改进。这是一个挑战，因为许多感兴趣的超材料特性是昂贵的或不准确模拟，并且增材制造引入了无法可靠预测的微观结构变化。从高通量的角度来看，使用模拟或其他计算建模方法（例如机器学习），用以估计属性，将是优选的，因为这可比实验更快且更便宜。然而，在精确模拟超材料特性方面，存在重大挑战。首先，对于许多性质，准确和快速的计算预测器，还有待开发11。例如，由于材料非线性、结构非线性和动态自接触，预测部件的高应变力学非常具有挑战性。类似的考虑使得使用计算手段预测超材料的疲劳寿命变得具有挑战性。对于可以使用模拟预测的性质，如弹性模量或泊松比，准确捕捉具有特定工艺微观结构的分级几何结构是具有挑战性的。如果超材料包含大小跨越三个数量级的结构基元，则从AM过程中捕获这些特征所需的数值精度和最小体素大小可能会使任何模拟的运行在计算上都很昂贵，从而推动多尺度方法的发展12。此外，由于4D打印超材料的动态性质，响应外部刺激的特性会随时间演变，因此模拟4D打印超材料，会带来计算上的挑战。为此，人们一直在努力获取实验机械性能的大型数据库，从而建立或提升超材料特性的预测模型。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

根据实验数据验证，超材料极端机械性能模拟的复杂性，增加了另一层难度。实验仍然是测试超材料设计和验证仿真工具的黄金标准。在模拟工具不完善的极端力学领域，以及制造引起的变化，会强烈影响纳米结构的光学特性的纳米光子学等领域，情况尤其如此。因此，实验测试的速度和效率成为首要关注的问题。最近，通过机器学习选择实验的自主实验室或自动化实验（图1，右下），已成为快速探索复杂超材料设计空间的重要工具13。主动学习策略（如贝叶斯优化）的使用，比基于网格搜索少10–1,000倍实验，识别最高级的设计14。例如，自主调整材料属性、产生分阶结构，然后所制备超材料进行功能评估的单一系统，尚未实现。最近演示了一个系统，可同时筛选材料特性和结构，以研究极端的机械特性，这为通过同时调整材料特性和结构，以发现什么类型的最高级性能，提供了新灵感15。

最后，超材料科学的前沿，代表了先进增材制造技术、计算创新和实验验证的融合体系。随着利用优化、机器学习和自动化实验的力量，超材料的潜力不断扩大，有望开辟新的应用空间。

来源

今日新材料 l
Brown, K.A., Gu, G.X. Computational challenges in additive manufacturing for metamaterials design. Nat Comput Sci 4, 553–555 (2024).
https://doi.org/10.1038/s43588-024-00669-6
https://www.nature.com/articles/s43588-024-00669-6

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