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）

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在工业生产过程中，人们关注于从产品和技术的创新和迭代。2024年德国法兰克福国际精密成型及3D打印制造展览会为大家提供了一个互通有无的专业交流平台，并持续孵化出许多崭新的，甚至是革命性的生产方法。其作为工业增材制造解决方案优质提供商，为各位参展观众提供了包括材料、设备、软件和服务在内的一整套专业解决方案。

 1 UnionTech 3D 打印的多样化应用

此次展会，联泰科技为轮胎、鞋业、汽车、工装夹具、文创、影视道具和齿科等诸多行业客户提供了全面的增材制造行业应用解决方案。其中，针对鞋业和轮胎制造商的最新端对端解决方案，以及针对汽车、航空航天和建筑应用的大规模高精密解决方案更是吸引了众多观众驻足。可见，增材制造技术经过40多年的探索和完善，其应用范围已从原型设计发展到快速生产，目前正朝着工业化和规模化的方向迈进。

 2 UnionTech 大规模生产潜力

在文创领域，联泰科技的3D打印技术能够以前所未有的细节和逼真度为电影和电视制作出独特且复杂的道具。该技术可小批量制作复杂的设计，是定制布景和特效制作的理想选择，为整个行业的创新增添了更多的底气。

展望未来，联泰科技看到了3D打印技术在汽车领域应用的巨大潜力，尤其是在轮胎模型制造方面。该技术不仅有利于小批量生产，还为设计创新和快速原型制作开辟了新的可能性，满足了行业对灵活性和高效率的需求。

同时，联泰科技建立了一个强大的技术路线图，涵盖立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、液晶显示器（LCD）和选区激光熔融（L-PBF）技术，为全球用户提供了完善且全面的增材技术解决方案，并成功满足各行各业的精密制造需求。

 3 UnionTech 工业级SLA 3D打印机 Lite600 2.0

Lite600 2.0隶属于联泰科技元老级设备Lite系列，旗下拥有Lite450、Lite600、Lite800等多款设备类型。在Lite600基础上进行全面迭代升级的Lite600 2.0展现出了更精湛的专业实力。同时新版本的体积更小，空间利用率更友好，智能化、平台化、集成化为用户带来了更舒适的使用体验。

a 小型化

设备体积缩小，减少占地面积，降低运输成本。在光学、电气、控制软件、外观上进行了全面迭代，小批量制造的优势更为突出。整体结构优化，取消大理石底座，采用碳钢结构代替。整体化结构，稳定性高。调整的结构优化总共多达 100 多处，处处精益求精。零件配备更合理，重新设计零件模块化，零件数量减少10% 以上。零件整合优化，提升稳定性，提升耐久度和使用寿命，模块化设计简单易维修，售后服务品质更佳。

b 可变光斑技术

可变光斑技术的融入意味着激光可在3D打印过程中根据实际打印需求自主进行光束大小的动态调整，激光束可以在精细光束和较宽光束之间自由切换，前者用于精度要求较高的成型区域，后者用于较大区域的快速填充。

c 独创液位控制算法

该技术可保持稳定的树脂液位，进而防止打印过程中同一层面出现材料缺陷的问题，有效确保了每一层的精确成型。且优化树脂液位可精准把控打印机使用作业时所需的树脂量，在有效减少浪费的同时进一步节约了生产成本。

 4 UnionTech 关于联泰科技

联泰科技成立于2000年，是全球著名的工业级3D打印领域的头部企业，是中国增材制造领域的主要开拓者。联泰科技目前在全球拥有中国、欧洲、北美、亚太、中东五大营销区域，产品远销全球50多个国家和地区，覆盖客户超过8000家。联泰科技拥有国内光固化技术领域最大份额的用户群体，其技术被广泛应用于航空航天、电子电器、口腔医疗、文化创意、教育、鞋业、建筑等行业。

2024年德国法兰克福国际精密成型及3D打印制造展览会的顺利举办让制造业看到了增材制造行业发展的欣欣向荣，也感知到了中国在增材制造领域已然走在了世界的前列。后续伴随着技术的持续创新，相信增材制造技术所迸发出的力量将会影响到更多的行业。

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增材制造（AM）已经彻底改变了钢铁零件的制造，但并不是所有的钢都适合其独特的凝固特性。这种特性通常会导致柱状颗粒形成、微观结构不均匀性等问题，从而导致较差的机械性能、脆性和严重的各向异性。最近的研究采用接种或加工后处理来解决这个问题，但往往需要额外的成本和处理时间。

材料学网分享了昆士兰大学张明星教授团队的《Additive manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340 steel with an optimal strength-ductility-toughness trade-off》这篇研究，研究旨在验证一些钢材与增材制造本质上是兼容的，从而生产出天生坚固的部件，并在建成状态下即可使用。中等碳含量和较低的合金元素浓度使增材制造能够产生均匀而精细的贝氏体组织，元素偏析最小，避免了不稳定残余奥氏体的形成。这种钢的高AM可加工性通过在宽加工窗口内实现高密度化（> 99.9%）来证明，这可以通过适当调整加工参数来精确控制显微组织，诱导从上贝氏体到下贝氏体的转变，从而为特定应用定制机械性能。材料学网分享的昆士兰大学张明星教授团队的这篇研究，揭示了增材制造在加工高强度低合金钢方面的巨大潜力。

3D科学谷洞察

通过增材制造（AM）技术控制4340钢的微观组织，主要涉及对AM过程中的参数进行精确调整，以实现对材料冷却速率、微观结构形成和相变的有效控制。”

增材制造（AM）工艺已经彻底改变了航空航天、汽车和生物医学行业的工程部件制造。与锻造和铸造等传统方法相比，这些方法需要昂贵的模具/模具来制造几何复杂的零件，逐层制造路线允许直接、快速地制造具有高几何复杂性的部件，从而大大节省了生产时间。此外，用传统的制造工艺，包括铸造，合成钢基复合材料是非常困难的。但增材制造在制造钢基复合材料方面已被证明是有效的，作为增强剂，特别是颗粒，可以直接添加到原料中。此外，与传统钢相比，一些AM制造的钢表现出明显更高的强度，这是由于快速冷却导致的精细组织和位错强化。

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然而，这种制造路线也导致了极端的凝固条件，与传统铸造工艺明显不同，如反复加热和熔化，定向和快速凝固，以及大的热梯度（高达106 K/m）。这就产生了与传统铸件不同的显微结构特征。循环加热/冷却还会促进显著的显微组织不均匀性，特别是在具有高溶质含量的合金中。与这些微观结构特征相关的问题可能包括高开裂倾向、较差的延展性和严重的性能各向异性。

最近的研究采用接种处理和热处理后处理来调整获得的组织，从而减轻各向异性，提高这些钢的力学性能。然而，这些额外的步骤会产生额外的时间和成本，特别是对于大规模的工业生产。此外，后占有还可能改变增材制造快速凝固直接获得的超细组织，降低机械强度。因此，理想的做法是找到与增材制造内在兼容的钢材，生产出坚固耐用的部件，无需后处理即可在建成状态下使用。也没有适当的材料选择框架来评估钢材是否适合增材制造。

昆士兰大学张明星团队制定了战略性材料选择框架，并采用该框架来确定适合AM的商用钢材。在此框架下，AISI 4340超高强度低合金（HSLA）钢被确定为有前途的增材制造候选者。本工作表明，AISI 4340钢不仅具有具有较高的AM加工性，因此可以在较宽的加工参数窗口内制造高密度零件，但也具有特别适合激光AM的成分（中碳和低合金浓度）。通过对微观组织和力学性能演变的研究，探讨了通过调整增材制造工艺参数可以控制4340钢的力学性能，使优势组织由上贝氏体转变为下贝氏体。研究表明，通过调整打印参数，制备的4340钢的强度可以接近锻件的强度。此外，研究结果还证实，AM制造的4340钢不需要后处理热处理，因为与AM相关的自回火足以回火钢。这项工作可以揭示低合金钢增材制造在各种工程应用中的潜力。

相关研究成果以“Additive manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340 steel with an optimal strength-ductility-toughness trade-off”发表在Additive Manufacturing上
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860424005426

表1优化的增材制造工艺参数。

图1 AM制备4340钢的致密化行为：(a)总体相对密度随体积能量密度的变化。(b)所选代表性样品的纵向显微照片。(a)中的黄色点是在600、800、1000和1200mm /s四种扫描速度下处理的样品，密度令人满意。(b)中的橙色框表示在200w的固定激光功率下，进一步优化扫描速度对样品密度的影响。(b)中的黄色方框是在200 W的固定激光功率下，以600、800、1000和1200 mm/s四种扫描速度处理的样品，密度令人满意。

图1为不同工艺参数下AM – 4340钢试样的致密化行为。在研究的所有工艺参数中，3D打印钢都表现出无裂纹的特征。这表明其固有的高增材制造可加工性。在低激光功率和高扫描速度下构建的样品，对应于激光密度输入小于≤60 J/mm3，由于激光穿透和熔化不足而导致缺乏熔合的孔隙比例很高。样品密度随激光输入能量的增加而增加，可以通过增加激光功率或降低扫描速度来实现。60和140 J/mm3的能量输入范围（见图1a中的黄色框区）几乎完全消除了孔隙（图1b），并产生了几乎完全致密的产品（99.9%）。这种广泛的优化加工窗口表明了4340钢的显著AM可加工性（也称为3D打印性）。
在此范围之外进一步增加激光能量输入会导致样品的高孔隙率，这可能是由于过量的能量输入导致熔化状态从传导模式转变为锁孔模式。后者具有显著的毛细不稳定性和熔融池内的蒸发，产生高比例的锁孔孔。由于锁孔熔化模式固有的不稳定性，不断增加的激光能量输入导致熔池过热。这导致了熔化层极高的表面粗糙度和不可预测的致密化行为，如图1a所示，相对密度和能量输入之间的波动关系体现了这一点。

表2不同扫描速度下的相对密度与4340钢显微硬度的关系。

图2不同扫描速度下AM制备的4340钢样品的x射线衍射谱去噪。

采用XRD分析了AM – 4340钢的相组成。消噪后的XRD谱图如图2所示（原始数据见补充图S1），不同工艺参数下样品的相组成没有明显差异。初生相为α-铁素体，可为马氏体和/或贝氏体。此外，在低扫描速度（600mm /s）的样品中，还存在少量残余奥氏体。然而，由于XRD光谱中43◦和51◦处（图2蓝框处）FCC γ-奥氏体信号较弱，残余奥氏体体积分数的计算精度很低，可能低于XRD的检测限0.5 wt%。因此，没有提供残余奥氏体的体积分数。使用扫描电镜和透射电镜对AM制造的4340样品进行了详细的显微结构检查，如下面的部分所示。

图3（a – d）纵向EBSD-IPF图和（e -f）在不同扫描速度下生产的AM制造的4340钢的EBSD极点图：（a和e） 600 mm/s, (b和f) 800 mm/s, (c和g) 1000 mm/s和（d和h） 1200 mm/s，以及代表晶粒方向的IPF彩色键。(i) 4个样本内α′块的相应尺寸分布统计。BD：构建方向。

图4扫描速度为(a) 600 mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1000 mm/s, (d) 1200 mm/s的4340钢样品的SEM二次电子显微结构。(e) (a)中黄色标记区域的主要组成元素（Fe、C、Si、Mn、Mo、Ni）对应的高分辨率EDS图。BD：构建方向。

图5(a)透射电镜明场显微图；(b)TEM暗场，显示α′-板条之间析出的碳化物；(c)在扫描速度为600 mm/s的情况下，AM制造的4340钢(a)中黄色标记区域的SAED图案，沿[100]α′观察。(d)透射电镜明场显微图；(e)TEM-暗场显微照片，显示较细的碳化物（用蓝色箭头指出）分散在铁氧体板内（用白色虚线标记）；(f)以1200mm /s的扫描速度，沿[100]α′线观察到的(d)中黄色标记区域的SAED图案。

图6(a)在扫描速度为600 mm/s的情况下，以[011]α为扫描方向观察的4340钢的TEM亮场显微图，(a)中的绿色箭头表示薄膜结构。(b) (a)中红色标记区域的SAED模式；(c) (a)中蓝色标记区域的SAED模式。(d) (a)中黄色标记区域的高分辨率TEM （HRTEM）图像，插图显示了相应的快速傅里叶变换（FFT）模式；（e & f） (d)中浅蓝和浅绿标记区域的高倍图像，显示了(e)贝氏体块区和(f)薄膜区α′原子构型。

图7工程拉伸应力-应变曲线（附图）显示了采用不同扫描速度(a) 600 mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1000 mm/s和(d) 1200 mm/s生产的AM制造的4340钢样品的YS， UTS和EL数据。

图8采用不同扫描速度制备的4340钢试样的夏比冲击能。

表3 AM预制4340钢与变形4340钢力学性能比较。

图9扫描速度为1000 mm/s时，扫描电镜观察了4340钢的断裂形貌。（a – c）断裂面纵向图，（d – f）断裂面横向图。黄色虚线区域表示中心纤维区。蓝色箭头表示断裂扩展方向。高倍图像（b和e）微空洞聚结凹陷存在于中心纤维区，（c和f）微空洞聚结凹陷发现于剪切唇区。

图10比较目前AM制造的4340钢与其他先前报道的AM制造和传统加工的4340钢的拉伸性能，以及与其他AM制造的钢。(a)屈服强度(b)极限抗拉强度。L：纵向，T：横向。

图11目前AM制造的4340与其他先前报道的AM和传统加工的4340钢在对UTS的Charpy冲击能方面的比较以及与其他AM制造的钢。(a)屈服强度(b)极限抗拉强度。L：纵向，T：横向。

图12 AISI 4340钢的时间-温度-相变（TTT）图。紫色之字形箭头表示AM过程中具有循环和快速加热/冷却特征的冷却轨迹。

表4与普通AM钢的化学成分比较（重量百分比%）。

表5回火AM制造4340钢的拉伸性能。

图13工程拉伸应力-应变曲线与插入显示的YS， UTS和EL数据的AM制造的4340钢回火在不同的温度：(a) 205◦C, (b) 315◦C, (C) 425◦C, (d) 540◦C。

本研究优化了中碳、低合金、高强度4340钢的增材制造工艺参数，获得了具有纳米贝氏体组织、无织构的全致密构件。AISI 4340钢的适当元素组成使其能够解决钢AM中遇到的常见挑战，研究表明，只要增材制造工艺能充分保持密度，AISI 4340钢特别适合增材制造。主要成果如下：
(1)AISI 4340钢的碳含量约为0.4 wt%，合金元素含量相对较低。
(2)AISI 4340钢具有良好的AM加工性能，具有较宽的加工窗口，可生产密度高、微观结构精致、各向同性力学性能良好的AM制造部件。
(3)对于AISI 4340钢的增材制造，可以通过调整增材工艺参数来精确控制微观组织，促进上贝氏体为主成分和下贝氏体为主成分之间的转变，从而使各向同性力学性能可以根据特定的应用要求进行调整，而无需额外的后热处理工序。
(4) AM- 4340钢良好的可加工性和贝氏体相变也避免了缺陷、残余奥氏体膜、粗晶粒、织构区和柱状形貌等有害微观组织特征的形成，AM- 4340钢的力学性能表现出可以忽略的各向异性。
(5)AM制造的4340钢具有较好的强度、延展性和韧性，可与传统制造的4340钢相媲美，并超过大多数AM制造的钢。
(6)AM制造的4340钢构件可直接使用，无需后处理。

来源
材料学网 l

昆士兰大学《Additive Manufacturing》高强度低合金AISI 4340钢的增材制造，实现强度-塑性-韧性平衡！

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德国法兰克福，2024 年 11 月 19 日 – 全球领先的负责任制造（AM）解决方案供应商、选择性激光烧结（SLS）3D 打印技术的先驱 EOS 推出了新型 EOS P3 NEXT 工业 3D 打印机，将聚合物生产率和效率提高到一个新水平，为 2024 Formnext 展会拉开了序幕。

EOS P3 NEXT 是根据广泛的市场反馈意见开发的，其生产率最高可提高 50%，投资收益率在同类产品中名列前茅。

我们倾听了客户和市场的声音，推出了我们认为为中型系列聚合物 SLS 生产树立新基准的产品，EOS P3 NEXT 是一台生产效率极高的设备，与 EOS PA 2220 HighReuse 和 ALM PA 950 HD 等只需极少刷新的新型材料相结合，EOS P3 NEXT 为口腔设备、眼镜、手术导板和结构件的 SLS 生产提供了最有力的支持。我们的聚合物解决方案具有悠久的医疗传统，二十多年来已被众多客户成功应用。

- Virginia Palacios | EOS 聚合物首席业务官

新型聚合物 3D 打印系统：EOS P3 NEXT

美国领先的工业服务提供商 ADDMAN 是首批探索 EOS P3 NEXT 的客户之一。该系统将为 ADDMAN HEAL 中心提供高生产力的增材制造资源，旨在促进创新，使医疗合作伙伴能够利用尖端的增材制造技术制造出高质量、可靠的医疗设备。

EOS P3 NEXT 是帮助我们满足 HEAL 中心严格要求的理想 3D 打印技术。它使我们能够在经过全面认证的生产环境中为规范的医疗市场制造应用产品。归根结底，我们的目标是始终以最高的质量和成本效益满足客户的认证生产需求，我们相信 EOS P3 NEXT 将帮助我们实现这一承诺。

- Tim Brasher | ADDMAN 市场开发部高级总监

EOS P3 NEXT 配备了集成监控模块，整体占地面积比 EOS P 396 略小，所需的占地面积更少，但仍能保持相同的构建体积（340x340x600mm）。它最大的变化在于：先进的软件更新和扫描算法、改进的刮刀速度、优化的加热装置以及新的外围设备，这些都是 EOS P3 NEXT 的优势所在：

• 提高生产率：通过加速预扫描、铺粉和冷却时间，优化工艺顺序，使生产率提高 50%
• 提高机器利用率：机器利用率高达 90%，确保机器、人力和地面空间得到有效利用，同时推动卓越运营
• 提高材料效率：ALM PA 950 HD 尼龙 12 材料的材料重复利用率为 80%；EOS PA 2220 高重复利用率材料的材料重复利用率为 70%
• 降低总拥有成本：总拥有成本最多可降低 30%
• 提高零件质量：通过灵活的参数调整能力和材料多样性，提高尺寸精度、表面光洁度和机械零件性能
• 用户友好的“打印到零件”工作流程：简化生产流程，包括零件的拆包和精加工以及材料的筛分和混合，确保安全高效的操作
• 为监管市场做好准备：生物兼容材料、经现场验证的技术、EOS 鉴定服务和质量保证程序

EOS P3 NEXT速度更快、效率更高，而且采用了新型材料，为免工具制造开辟了新的可能性。该系统为用户提供了端到端的制造解决方案，简化了生产流程，并为操作员创建了更加友好的用户界面。无论是否有AM经验，该系统都能让您轻松实现工业聚合物3D打印。

- Alexander Prillwitz | EOS P3 NEXT产品经理

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以下文章来源于中国有色金属学报 ，作者中国有色金属学报

根据3D科学谷的市场洞察，在全球形状记忆合金市场正处于稳步增长的阶段，特别是在亚太地区和中国市场，增长潜力巨大。同时，技术创新和应用领域的扩展将继续推动市场的进一步发展。例如，通过优化增材制造过程中的工艺参数，如激光功率、扫描速度、扫描间距等，可以控制熔池、晶粒、析出物、缺陷等的组织特点，进而影响合金的力学性能、相变温度、形状记忆效应、超弹性和表面质量。

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本期，借助中国有色金属学报的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于关于增材制造形状记忆合金的最新进展。

3D科学谷洞察

“形状记忆合金在多个细分领域有着独特的应用优势，增材制造技术能够精确构筑具备复杂几何构型的形状记忆合金，此类合金在航空航天、生物医学、电子机械等尖端领域展现出巨大的应用潜力与价值。例如，当前市场关注热点的机器人组件开发应用，可以提高机器人性能；在航空航天领域，形状记忆合金已有五十多年的应用历史；在生物医学领域，形状记忆合金的应用包括牙科植入术、活塞、导管等。增材制造技术（如选区激光熔化增材制造技术、激光粉末床融合技术、4D打印技术）的发展，提升了形状记忆合金的成分精度、超弹性、形状记忆性能等特性，并拓展了合金的加工使用范围。通过调节合金成分、控制晶粒尺寸和引入沉淀相，有望制备出更符合性能要求的记忆合金材料。”

 研究背景

增材制造作为一种革命性的技术，能够以前所未有的自由度制造复杂部件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型提供了巨大契机。受其兼具灵活性与可控性特点的启发，增材制造技术也备受形状记忆合金领域青睐。然而，制备具有理想的微观结构及性能、并兼具功能性的形状记忆合金是一项艰巨的挑战。如今，随着3D打印技术的升级，形状记忆合金类型的拓展以及热处理工艺的应用，实现了多种类型、多种性能的增材制造形状记忆合金有效的制备与调控。

 文章亮点

本篇论文从组织特征、性能和前景的角度综述了增材制造形状记忆合金的研究进展。首先，介绍了形状记忆合金增材制造的技术特点，总结了增材制造形状记忆合金的微观结构特征。然后，揭示了相变行为、力学性能和功能特性的影响因素与调整策略。最终，提出了未来该领域的研究方向与发展前景。

 图文解析

1. 形状记忆合金类型与增材制造技术

增材制造是一种以预先设计的三维模型为基础，逐层构造实现冶金结合的新技术，表现出设计形状多样、节省原材料、成型速度快及加工成本低等传统制造方法无法企及的优势。因此，这种智能方法在满足高效率个性化定制需求方面具有巨大潜力。由于展现出的独特能力，该技术在形状记忆合金领域备受青睐。迄今为止，已被成功制备的增材制造形状记忆合金包括镍钛基、铜基、铁基形状记忆合金等，如图1所示。

图1 增材制造形状记忆合金类型

代表性的形状记忆合金增材制造技术包括选区激光熔融(SLM)、电子束选区熔化(EBM)、激光定向能量沉积(LDED)与电弧增材制造(WAAM)，具体的特点列在图2中。

图2代表性增材制造方法，(a)按原理和不同热源进行分类，(b)增材制造技术特点

2. 增材制造形状记忆合金的组织特征

增材制造的形状记忆合金存在未熔合、锁孔、球化以及裂纹等缺陷，选择合适的参数可以获得更高的致密度。在一定范围内，增加激光功率或降低扫描速率能够实现更高的相对密度，如图3所示。此外，能量密度的合理调控能够改变熔化与凝固行为、轨迹特征与层间连续性，从而成功生产出接近完全致密的零件。

图3 不同激光功率和扫描速率打印的Ni50.2Ti49.8合金，(a)SEM图像，(b)相对密度变化

利用增材制造技术制备的形状记忆合金会经历动态的循环加热与冷却过程，这对熔池与晶粒产生了复杂的影响。沿构建方向的形状记忆合金中能够广泛观察到外延凝固现象，它的具体表现为柱状晶粒与[001]织构的形成。在一定的凝固条件下，等轴晶粒在柱状晶粒生长的终止处出现。此外，晶粒特征与能量密度密切相关。如图4所示，随着能量密度增加，Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni合金从柱状晶(平均晶粒尺寸约为60µm)变为等轴晶(直径小于10µm)，且晶粒取向具有明显变化。

图4 增材制造Fe-Mn-Si-Ni-(V，C)合金的EBSD分析，(a)和(c)低能量密度，(b)和(d)高能量密度

3. 增材制造形状记忆合金的相变行为

图5总结了增材制造形状记忆合金的转变温度。对于同一类型合金，转变温度仍存在明显的差异，这归因于打印过程中元素的蒸发与烧损造的成分不均匀性以及微观结构（晶粒尺寸、沉淀相等）的强烈变化。因此，改变扫描参数能够实现相变温度的有效调控。

图5 增材制造形状记忆合金的转变温度

4. 增材制造形状记忆合金的性能

图6总结了室温下增材制造形状记忆合金的抗拉强度、抗压强度与伸长率的关系。可以观察到对于相同成分的合金，性能在一定范围内变化，这取决于微观结构与相变行为。因此，通过不同的扫描参数或热处理方法能够改变合金的晶粒、沉淀与位错等微观结构，从而影响相变行为，提高拉伸与压缩性能。

图6 增材制造形状记忆合金的机械性能，(a)抗拉强度与拉伸应变，(b)抗压强度与压缩应变

通过表1可知，增材制造形状记忆合金具有良好的超弹性与形状记忆效应。记忆特性取决于组织特征，因此可以通过改变扫描参数与热处理工艺进行调控。下面总结了提升超弹性与形状记忆特性的有效方法：（1）从元素含量角度考虑，打印过程中元素的蒸发或沉淀的形成影响相变，因此调整元素含量有效提升恢复能力。（2）从晶粒角度考虑，可以改变扫描策略或取样方式增强性能。（3）从沉淀、位错、孪晶与层错考虑，利用热处理消除残余热应力并且诱发有利结构的形成，进而获得优异性能。

表1 增材制造形状记忆合金形状记忆效应与超弹性

应力诱发马氏体相变能够引起形状记忆合金的弹热效应。这种极其重要的自冷却行为对固体冷却技术的发展起到决定性的作用。Hou等人利用激光定向能量沉积技术制备NiTi形状记忆合金时加入非转变金属间相Ni3Ti，探究了沉淀对弹热效应的贡献。通过对图7中的应力应变曲线分析可知，合金表现出准线性行为和显著降低的滞后，并且在超过100万次循环中都具有稳定的机械性能和弹热响应。因此，通过增材制造技术能够制造出高效、低滞后弹性热冷却材料。

图7 弹性效应的稳定性，(a)压缩应力-应变曲线，(b)不同应变下的弹性冷却

5. 前景

增材制造技术，能够精确构筑具备复杂几何构型的形状记忆合金，如图8所展示的精细多孔结构。此类结构具有独特性质，在航空航天、生物医学、电子机械等尖端领域展现出巨大的应用潜力与价值。

此外，本篇综述论文揭示了材料性能优化的无限可能，但要全面解锁形状记忆合金在跨学科领域的广泛应用潜能，亟需在材料、技术、性能、方法这四个关键维度实现突破性进展。

图8 增材制造形状记忆合金的多孔结构

 研究结论

(1)现阶段，在关于增材制造形状记忆合金的研究中，优先采用粉末床熔融和直接能量沉积方法，通过选择较大的激光功率或较小的扫描速率构建具有较高相对密度的形状记忆合金。由于3D打印过程中温度梯度和冷却速度的差异，形状记忆合金具有独特的外延凝固现象，具体表现为柱状晶粒和[0 0 1]晶粒取向的形成。通过控制工艺参数和加工策略，可以获得理想的微观结构。

(2)合金成分和扫描参数的微小变化会引起相变行为的强烈响应，例如平衡状态下固溶体相和沉淀相的成分以及相变温度。特别地，相变温度的变化强烈依赖于成分的不均匀性，主要归因于在打印过程中元素的蒸发、元素的烧损、沉淀的形成以及杂质元素的混合。

(3)通过增材制造可以制备高性能的形状记忆合金。首先，合理地选择扫描参数、取样位置和热处理工艺，可促进细晶粒强化、析出强化和位错强化，在不损失过多断裂应变的情况下有效提高强度。其次，通过元素成分、扫描策略和热处理方法影响沉淀相、位错、孪晶和层错的综合作用，从而获得优异稳定的形状记忆效应和超弹性。最后，通过调节合金成分、控制晶粒尺寸和引入沉淀相，有望制备出具有大潜热、熵变和低滞后的弹性冷却材料。

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(4)利用增材制造技术已经制备复杂结构（多孔结构）的形状记忆合金，在航空航天、生物医疗等领域具有光明的应用前景。但是随科技的发展，为满足增材制造形状记忆合金在极端条件下的适用性，还需要实现在材料、技术、性能与方法等方面的进一步突破。

来源
中国有色金属学报 l

哈尔滨工程大学傅宇东、高卫红团队：增材制造形状记忆合金的最新进展 |《中国有色金属学报》英文版重点推荐文章

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Yu-xi YANG, Wei-hong GAO, Bin SUN, Yu-dong FU, Xiang-long MENG. Recent advances on additive manufactured shape memory alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34 (7): 2045-2073.

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根据3D科学谷的市场洞察，燃油雾化在航空发动机预混燃烧过程中起着至关重要的作用，它直接影响燃烧效率、燃烧稳定性以及排放物的生成。雾化过程涉及到液体在喷嘴出口处受到空气扰动力和液体表面张力的共同作用，导致液体发生破碎，形成液线状、液带状以及液环状液滴，完成一次雾化过程。随后，这些液滴在空气扰动力和液体表面张力的共同作用下继续破碎形成更小的液滴，完成整个雾化过程。

燃油喷嘴是决定供油流量、稳定性、浓度分布、雾化细度与均匀度的关键部件，对燃油喷嘴的主要结构和参数进行优化具有重要的理论研究意义和工程应用价值，燃油喷嘴内部流动和结构参数（例如扩张角、直线段长度、旋流槽升角和旋流槽个数等）对雾化特性有显著影响。

根据3D科学谷的市场观察，微细激光粉末床熔化（μ-LPBF）技术是一种增材制造技术，能够制造具有高精度和表面粗糙度的复杂结构。这项技术被应用于航空发动机燃油喷嘴的结构优化，以提高其在低流量工况下的周向均匀性。

近日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）的杨锐课题组进行了燃油喷嘴优化的研究，成果发表在2024年10月7日的《流体物理》（Physics of Fluids）期刊上。

▲https://doi.org/10.1063/5.0230299

3D科学谷洞察

“燃油喷嘴的雾化过程是航空发动机燃烧室中的一个重要环节，它涉及到将液态燃料转化为细小的雾化颗粒，以实现与空气的高效混合并促进燃烧。燃油喷嘴的雾化过程是一个复杂的物理过程，涉及到液体动力学、热力学和流体力学等多个领域。增材制造技术的最高精度在μm量级，完全能够满足尺寸在mm量级上的喷嘴加工限制要求。此增材制造技术的应用在喷嘴研制领域的优势体现在减少加工装配工序的个数、实现多种复杂结构的设计方案、保证密封要求、尺寸精度更高以及加工周期短等方面。通过结构优化和增材制造技术的应用，可以显著提升燃油喷嘴的雾化性能，从而提高航空发动机的燃烧效率和稳定性。”

 动力学优化

近日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）杨锐课题组针对航空发动机燃油喷嘴结构，采用耦合欧拉-拉格朗日流体力学算法对下游雾化过程进行了动力学优化，以在低流量工况下实现更高的周向均匀性。研究团队使用微细激光粉末床熔化（μ-LPBF, Laser Powder Bed Fusion）技术制造喷嘴结构，并通过与原型结构的实验对比验证了其优化效果。该研究成果以题为“Dynamics Optimization of Coupling Atomization Process in an Injector Achieved by Novel Micro Laser Powder Bed Fusion”的论文发表在2024年10月7日的国际权威期刊《流体物理》（Physics of Fluids）上。

▲FIG.4 (a) Computational grid. (b) Y-plus for prototype injector.

▲FIG.11 Swirl groove and gas–liquid distribution of prototype swirler. (a) Prototype swirler. (b) Gas–liquid distribution.

▲FIG.12 Comparison between prototype swirler and optimized swirler. (a) Prototype swirler. (b) Optimize swirler.

研究首先利用了Volume of Fluid-Discrete Phase Method耦合多相流算法，结合大涡模拟湍流（Large-eddy Simulation）模型，针对某型燃油喷喷嘴发现了其在低流量条件下遇到的周向雾化不均匀的问题，这可能对发动机启动性能产生负面影响。

通过细致剖析，研究人员发现，原型喷油器由于结构因素，在喷嘴旋流器支撑结构下方和旋流槽内产生了涡流和毛细化气泡。这些气泡随燃油流动下游，不断拉伸、变形并最终破裂，导致液膜产生显著波动，从而在原型喷油器中引起较大的周向不均匀性。

为应对这一挑战，研究人员利用增材制造技术的优势，以下游喉道横截面壁面压力和流速分布为监测目标，对喷嘴的旋流器结构进行了三维结构优化。通过设计多扭度旋流槽，构建了空间三维流道，有效缓解了毛细气泡空化现象。对比计算结果表明，优化后的喷嘴在多数上下游气动参数方面与原型喷嘴保持相似，但在低流量条件下的周向均匀性显著改善，从41.48%降低至14.69%。

▲FIG.21 Numerical results of no airflow. (a) Non-uniformity phenomenon. (b) Gas–liquid distribution.

优化后的旋流器结构采用μ-LPBF技术进行制造，实现了流道结构的高尺寸精度（±0.025 μm）和出色的表面粗糙度（Ra优于3.2 μm），符合工况要求。在雾化性能测试中，比较了传统旋流器结构与μ-LPBF成型的旋流器燃油喷嘴。

测试结果显示，优化后的结构在低流量条件下燃油分布的均匀性显著提升，均匀性偏差从42.31%降低至28.76%。这一成果进一步验证了增材制造技术赋能结构优化设计的有效性。

该跨学科研究不仅展示了增材制造技术在微细结构制备方面的潜力，还为优化燃油喷嘴结构设计提供了新的思路。随着增材制造技术的不断进步，预计其将逐步应用于航空发动机和燃气轮机领域的先进喷射系统设计与制造中。

上海科技大学是该研究的第一完成单位，北京航空航天大学、中科院金属研究所分别为第二、第三单位。智造系统工程中心赵荣发和翟梓融老师为共同第一作者，王韦昊老师为通讯作者。

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

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近日，根据德国卡尔斯鲁厄理工学院的发现，通过启用更精确的预补偿，有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。技术的核心在于通过高分辨率成像来识别并补偿打印过程中的偏差，从而提升微光学元件的形状精度和光学性能。借助MNTech纳微领航的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

3D科学谷洞察

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。”

这项研究是由德国卡尔斯鲁厄理工学院的Jannis Weinacker所在团队进行的，发表于Advanced Functional Materials。他们致力于开发一种利用共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术，以提高打印精度和光学性能。

近年来，3D激光纳米打印技术在制造具有光学级表面质量的透明聚合物结构方面取得了显著进展，为微光学元件的灵活制造开辟了广阔的应用前景。这项技术利用飞秒激光诱导光聚合，将液态光刻胶材料在焦点处固化，通过精确控制激光束的路径和能量，逐层构建出所需的微光学结构。团队使用了Nanoscribe Quantum X仪器，这是一款高精度3D激光直写设备，能够实现纳米级的分辨率和亚微米级的结构精度。然而，即使是最先进的3D双光子激光打印系统，仍然存在打印结构与目标结构之间的偏差，限制了其在对精度要求较高的应用中的性能。团队提出了一种创新的预补偿方法，该方法利用共聚焦光学显微镜对打印结构进行高分辨率成像，并通过迭代反馈循环改进打印精度。

3D激光打印作为一种先进的制造技术，允许以高精度和复杂性创建三维物体。在微光学领域，它被用于制造各种元件，如微透镜、衍射光学元件和光栅。然而，该过程的精度受到打印结构和目标结构之间偏差的影响，这些偏差可能由多种因素引起，包括材料收缩、激光束轮廓变化以及打印过程中的环境条件。为了解决这个问题，预补偿技术应运而生。预补偿是一种广泛使用的技术，用于提高3D打印精度。它涉及在打印前修改设计，以补偿预期偏差。

传统的预补偿方法通常依赖于对简单几何形状（如立方体）的测量。然而，这些方法对于复杂的微光学元件来说是不够的，因为它们的精度可能会受到元件复杂几何形状的影响。共聚焦光学显微镜作为一种高分辨率成像技术，可以提供有关3D打印元件表面形貌的详细信息，为更精确的预补偿提供了可能。通过使用共聚焦光学显微镜测量打印结构和目标结构之间的差异，可以获得有价值的数据来改进预补偿过程。

尽管共聚焦光学显微镜提供了高精度的测量数据，但仍然存在一些挑战需要克服。首先，即使使用预补偿算法，打印结构与目标结构之间的系统偏差通常仍大于不可控或“统计”偏差。其次，表征测量本身的噪声和系统误差，以及表征装置和打印机坐标系之间不必要的平移和旋转，都会影响预补偿的精度。此外，设计坐标系和测量数据的精确对准也至关重要。对准不正确会导致计算错误，并在后续打印步骤中引入伪影。局部偏差，如拼接误差和打印光束路径中的高阶光学像差，可能难以纠正。另外，共聚焦测量中的局部误差（例如灰尘颗粒）不应进行预补偿，因为它们与打印过程无关，并且不会系统地出现。

团队提出了一种利用反射共聚焦光学高度测量作为反馈的预补偿技术。该技术针对2.5D结构进行了优化，这些结构在工业中特别受关注，因为激光打印结构可以作为大规模复制的“母版”。预补偿程序包括以下步骤：首先，使用Nanoscribe Quantum X仪器和IP-S光刻胶打印2.5D微光学元件。然后，使用光学显微镜测量打印和显影后的样品的形貌。最后执行预补偿计算。

这项研究的关键创新在于：首先，通过设计数据与共聚焦光学测量数据的图像互相关，确定两个数据集之间的位移，精确到单个像素级别。该算法还可以考虑两个坐标系之间的旋转以及横向方向上的轻微拉伸。其次，由于不假设任何解析模型，因此差异不是针对任何函数参数计算的，而是在两个数据集之间逐像素计算的。因此，该方法还可以校正局部偏差。最后，为了消除测量误差对下一次迭代打印结构的不利影响，应用特定滤波器以特定顺序减少此类误差和测量噪声的大小，而不会消除来自打印本身的偏差。

为了评估所提出的预补偿技术的有效性，团队对两种不同类型的微光学元件进行了实验：折射光学元件（微透镜阵列）和衍射光学元件（DOE）。结果表明，即使是单次预补偿迭代也能显著提高形状精度和光学性能。对于衍射光学元件来说，这种质量提升对其预期应用至关重要。虽然第二次预补偿迭代可以进一步改善结果，但进一步的改进目前受到可用的器件形貌表征方法质量的限制。

总而言之，这项研究提出了一种灵活且有效的预补偿3D激光打印微光学元件的程序。该方法利用共聚焦光学显微镜和图像互相关分析来实现高精度对准和像素级校正。通过减少测量误差的影响并解决局部偏差，该技术可以显著提高打印元件的形状精度和光学性能。此研究成果对3D激光打印微光学元件的制造具有重要意义。通过启用更精确的预补偿，该技术有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。此外，所开发的程序Quandalf可供社区公开使用，促进该领域的进一步研究和开发。

来源
MNTech微纳领航 l

共聚焦显微镜引导的3D激光打印微光学元件迭代预补偿

链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

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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

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当然，数米级设备并非意味着设备越大越好，如何实现经济效益的平衡，如何实现质量管理的高要求，在这方面，铂力特的BLT-S825诠释了设备体积减小，成形精度提高的能力进阶。

本期，3D科学谷与谷友近距离了解铂力特BLT-S825是如何重新定义大尺寸零件制造成本效益性价比的。

▲ BLT-S800系列
© 铂力特

 光曜九霄，折桂登高

2021年TCT，铂力特重磅推出面向航空航天发动机回转体结构零部件制造的十激光设备BLT-S800。依托铂力特西安总部智能制造工厂40余台BLT-S800连续多年稳定运行经验，铂力特于2023年推出聚焦于大尺寸长轴型零件的平台化方案BLT-S815，成形高度增加至1500mm，并在同年TCT上推出BLT-S800全新 20光方案。经过进一步的进行技术研发与迭代优化，铂力特于第十五届中国航展首发针对超高尺寸零部件一体化制造的数米级24光设备BLT-S825。

BLT-S825的成形尺寸为850mm×850mm×2500mm（W×D×H），净成形高度突破2.5m，满足超高尺寸零部件一体化成形需求。BLT-S825设备经过工程化应用检验，其最新工程化应用概念设计案例“吊挂”也亮相航展铂力特展位。

吊挂为大尺寸框架类零件，以往多由铸造、焊接的方式制造，随着零件尺寸的增加，利用压铸机及模具一体式压铸成形的难度与成本也大大增加。铂力特对吊挂零件机进行了结构优化设计，采用了大量的镂空结构，选用了重量低强度高的BLT-TA15钛合金材料，在保证功能性与强度的前提下大大降低了零件重量，实现了大跨度的连接功能。吊挂零件尺寸为500mm×200mm×2350mm，利用BLT-S825设备一体成形，体现出设备的工艺稳定性。

▲高度超2m的吊挂

01 24激光配置，成形更高效

BLT-S825配备有24个激光器，相当于在400mm幅面设备上布置六激光，BLT-S825支持100μm大层厚打印，最大成形效率可达870cm³/h，成形更高效。

BLT-S825搭载的BLT-BP可实现超高尺寸零部件的一次性高效剖分，缩短打印前的剖分时间和准备时间。以某高度2.4m零件为例，零件的剖分数据量为32.56G，而剖分用时仅1.5小时。

BLT-S825沿用了大尺寸设备单刮刀双向变速铺粉策略，解决了大型设备双刮刀调平费时费力的问题。在打印过程中，BLT-S825可智能识别零件轮廓调整铺粉速度，实现多段变速铺粉，单层铺粉效率较定速铺粉可提高近30%。最终，利用BLT-S825成形该零件的时间仅9天。

02 成熟方案再升级，确保成形质量

铂力特分别于2023年TCT展示了20光BLT-S800-配合顶部吹风的方案， 2024年TCT展示了20光BLT-S800现场20光同步出光打印。第十五届中国航展的现场也带来了16光BLT-S600光配合顶部出光的吹风方案，现场高效打印。

BLT-S825沿用铂力特成熟的光学方案和顶部吹风方案，可实现4排光同时出光高效成形。BLT-S825气密性良好，工作进气消耗低于10L/min，设备配置的顶部吹风方案，风场均匀性高，镜头洁净保持超700小时，成形更稳定。以吊挂为例，BLT-S825可实现吊挂零部件的一炉多件打印，成形零件一致性高，不同区域零件各项性能指标偏差5%以内。

BLT-S825成形高度超高，深径比将近3：1，传统拼缸方式生产的成形缸变形风险高，在成形过程中更容易造成成形平台精度丢失，进而造成零件加工尺寸超差。铂力特对成形缸进行了结构优化设计，在加固缸体的同时，实现缸体大幅减重，优化后的缸体通过3D打印技术一体成形，保障了成形缸的强度和制造一致性。此外，BLT-S825内部广泛经过优化设计的金属3D打印设备件，提升了设备集成度与耐用性。

铂力特从2017年开始储备超高Z轴的设计经验，先后开发了BLT-S515、BLT-S615、BLT-S815、BLT-S1000等成形高度高达1.5m的设备。基于200余台高成形高度设备的长期运行经验，不断迭代，铂力特于2023年设计开发出成形高度高达2.5m的装备。

BLT-S825设备沿用铂力特多年积累和优化迭代的成形平台设计经验，使用双轴伺服驱动配合高精度光栅尺实现成形平台的闭环控制。在保证超高成形尺寸、运行精度的同时，铂力特设备研发团队控制设备整机高度，设备的外形尺寸高度仅5.5米，满足一般厂房的装机要求。

BLT-S825配置了高品质质量监控系统，包括BLT-铺粉检测、BLT-三维重建、BLT-视频监控等，可以实现打印过程中关键参数监控、图像采集、数据分析和全程视频监控，便于过程干预与事后质量追溯。

03 成熟配置，助力连续生产

BLT-S825配备并联长效过滤系统，在打印过程中当前工作滤芯达到清灰条件时，可以实现自动反吹清洁，并自动切换另一组滤芯继续打印，实现真正的连续不间断运行；灰渣桶等配置采用安全设计，可以在惰性氛围下湿化处理，实现不停机安全更换灰桶，有效避免滤芯反吹清洁和灰渣桶处理导致的停机风险，满足大尺寸设备连续生产的需求，提高制造效率，降低制造成本。

BLT-S825可配备集成式或分体式粉末循环系统。集成式粉末循环方案一套系统实现打印过程中的自动粉末回收、筛分和供应，更有效实现资源配置，降低成本与能耗；分体式粉末循环系统支持一对多灵活配置，满足多样生产需求。

▲集成式粉末循环系统

▲分体式粉末循环系统

04 安全冗余设计，生产过程更安全

BLT-S825沿用设备整机安全冗余设计，构建了全面的安全防护体系。设备采用整机防爆设计，搭配双氧含量检测系统与压力传感器的冗余设置，可以进行全方位氧含量、压力和温度监测，并在检测到超压时自动安全泄压。过滤器、粉末循环系统、取件舱等子模块均具备独立的氧含量、压力、温度检测，全面监测保证整机系统安全运行。BLT-S825具备氩气洗气安全互锁机制，避免氧气意外进气和氩气泄漏，在保证安全生产的同时确保人员操作安全。

BLT-S825设备配备密封性取件舱，在连接BLT-WL400或BLT-XH300后,通过配套的多工位和手套箱，可以实现满高度2.5m的零件在惰性气氛保护下清粉捞件。实现人粉隔离，和惰性气体保护下的高效粉末回收。

光曜九霄，折桂登高！铂力特研判空天领域用户创新发展的需求、尽心护航、用心服务，航空航天领域对大型、高性能的金属构件需求不断增长，数米级增材制造设备能够制造一体化、复杂结构的零部件，满足轻量化和高性能的需求BLT-S825应运而生。

重新定义中国企业在增材制造领域的国际竞争力，铂力特于珠海航展（2024年11月12-17日）H5B12展位现场展示BLT-S825的工程化应用创新概念案例，全方位诠释BLT-S825在空天零部件“大”、“优”、“特”、“精”等方面的工艺技术能力。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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根据3D科学谷的市场研究，铂力特S600在全球市场的竞争优势主要体现在技术创新、产品质量、市场认可、研发实力以及产业链布局等方面，这些优势使得铂力特能够在激烈的国际竞争中占据重要位置。

2024年11月12日珠海航展期间铂力特宣布其BLT-S600再升级！升级后的BLT-S600设备因其高精度、高效率和大尺寸成形能力，在航空航天、汽车、医疗、消费电子和学术科研等多个行业奠定了更强的应用潜力。

本期，3D科学谷与谷友近距离了解铂力特BLT-S600实现了哪些显著改进，来深度理解这款设备如何能够更好地满足大尺寸零件批量生产的需求。

▲ BLT-S600
© 铂力特

 提质提效，实力出圈

铂力特于航展现场隆重发布升级款BLT-S600设备。作为铂力特技术精粹的集中体现，升级款BLT-S600不仅继承了前代产品的高效稳定特性，更在多个维度实现了突破性升级。

自2014年研发启动以来，BLT-S600型设备（BLT-S600/S615）凭借出色表现在金属增材制造领域奠定了坚实基础。2016年航展，BLT-S600打印的首个工程化应用零件——航空发动机机匣成功亮相，成为当时世界上最大的回转体型设备。

如今，历经多次优化迭代，BLT-S600型设备全球装机数百余台，广泛应用于航天航空、发动机、汽车等领域，助力行业客户实现复杂大尺寸高精零部件的快速、优质、安全、智能批量制造。

看点一：大幅面多光束，打印效率升级！

BLT–S600此次成形尺寸扩大至650mm×650mm×850mm（W×D×H），成形体积增至原1.66倍，可满足更大尺寸零件的制造需求。同时，升级版BLT–S600的激光器最高可配置16光，整体效率较4光束提升3.45倍，为大型金属部件高效高精度制造提供强大支撑。

© 铂力特

此外，BLT–S600采用的是铂力特专利的单刀双向铺粉技术，成倍缩短刮刀安装调平时间，且能根据零件轮廓智能制定铺粉策略，实施多段变速铺粉，较传统定速铺粉方式提高效率近30%，实现铺粉质量与效率双提升。

看点二：一体打印成形缸，生产可靠性升级！

BLT-S600采用3D打印一体成形的成形缸，并经过结构优化，显著增强了缸体强度，有效规避拼缸带来的密封性差和力学性能削弱问题。并且设备的成形平台具备100℃均匀预热与精确控温能力，防止缸体受热变形，为设备生产的稳定性与安全性提供有力保障。

▲ BLT-S600成形舱内部
© 铂力特

BLT-S600内部广泛采用高强度、耐腐蚀的金属打印件，不仅提升了设备集成度，更在复杂工业环境中展现出卓越的可靠性和耐用性。

看点三：智能检测功能，成形质量升级！

BLT-S600融入了多项智能化技术以提升成形质量，包括铺粉检测、扫描检测及生产监控等，为全过程质量控制与追溯提供数据基础。

铺粉检测功能可以智能识别并处理异常情况，常规生产工况中，缺粉检出率可达到99%以上。BLT-S600已配备升级后的缺陷检测自学习平台，可支持用户根据生产场景自主训练识别模型，更智能地保障生产质量。扫描检测功能通过逐层扫描和三维重建技术，可快速准确地定位高风险区域，保障零件成形精度与一致性。生产监控功能不仅能实时收集数据，还能自动录制监测成形室画面，进一步提升生产过程的透明度和可追溯性。

看点四：省气省粉自循环，经济环保升级！

BLT-S600凭借多项高效节能设计引领行业绿色趋势。相较于市面同类产品，BLT-S600气体消耗显著降低：在工作压力状态下，进气量低于5L/min。同时，其镜头洁净时长高达700小时，为连续成形保驾护航。BLT-S600采用了阻燃材质的长寿命过滤系统，可在打印过程中自动反吹清洁，其过滤面积与成形幅面、光学数量相匹配，实现最大化资源利用。经过方案优化，过滤系统可以有效避免滤芯反吹清洁和灰渣桶处理导致的停机风险，可确保连续打印，减少经济与人力损失。

在粉末的自动循环利用方面，BLT–S600也展现了出色的兼容性，可供用户根据生产场景搭配分体式或集成式粉末循环系统。分体式系统支持一对多灵活配置，节省空间；集成式系统则高度集成，可实现一机筛分、回收、供应等功能，避免了多机协作的能耗与资源分散问题。

看点五：人机交互友好，安全便捷升级！

升级版BLT-S600深度优化人机交互的友好性与安全性，进一步提升用户体验。设备的气路柜门升级为透明观察窗，用户无需开门即可直观监控气路面板数据。取件舱则采用了脚踏式Z轴升降控制，让取件与清理更加流畅从容。同时，BLT-S600配有折叠式触摸显示屏，其收纳友好设计不仅节约空间资源，也赋予用户更多的自主性与舒适度。除主机外，其配套粉末供应设备同样支持远程控制，真正做到为劳动者减负、增效、保安全。

通过智能化软硬件协同，BLT-S600将生产流程化繁为简，大幅增强作业效能。设备支持一键式操作，包括打印准备、打印件进出舱、振镜自动校正、粉末循环等功能。其中，设备采用的BLT-AutoCAL（铂力特多振镜自动校正产品）校正精度可达到0.05mm以内。搭配使用BLT-MES系统，用户可将零散生产环节串联成一条高度集成的智能链路，为打造现代化的“黑灯工厂”提供强有力的支持。

铂力特秉承以人为本的设计理念，用实力守护劳动者职业健康。BLT-S600设备涉粉区域均采用优选防爆元器件，搭配氧含量检测系统，确保惰化环境稳定，在拓宽材料加工范围的同时有效规避爆炸风险。其激光防护玻璃与安全互锁机制能有效防止激光外泄，保护人员免受辐射伤害。此外，急停开关、接地保护、压力及温度监测等安全设计相辅相成，共同为使用者筑起一道坚不可摧的安全防护体系。

更高的生产效率、更好的打印质量、更低的运营成本以及更安全的操作环境，使得BLT-S600升级款成为性价比之选。本次航展BLT-S600将在现场实时打印，更多关于BLT-S600的精彩看点，等待用户来H5B12展位发现！一起携手让制造更简单，让世界更美好！

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