在光束整形技术的最新发展中，德国弗劳恩霍夫 IAPT与合作伙伴一起显示了通过激光束的改变以更快地进行金属3D打印。

激光束整形用于L-PBF激光粉末床金属3D打印过程© Fraunhofer IAPT

获将深刻影响当前现状

 突破当前限制

根据3D科学谷的市场观察，德国弗劳恩霍夫 IAPT（增材生产技术研究所）在一个令人惊讶的公告中展示了一个正在进行的项目结果，该项目质疑高斯激光光束轮廓是否真的是L-PBF 激光粉末床金属3D打印的最有效路径。

© Fraunhofer IAPT

在光束整形技术的最新发展中，德国弗劳恩霍夫 IAPT与合作伙伴一起显示了通过激光束的改变以更快地进行金属3D打印。

激光光束一般为能量非均匀分布的高斯光束,因此,在诸如激光加工、激光焊接、激光雕刻、激光打孔、激光核物理、生物医学工程以等技术领域,因能量非均匀分布将引起局部温度过高而影响激光与物质间的相互作用,进而限制了其应用。因此,需要将高斯光束整形成为能量均匀分布的平顶光束,以消除能量不均引起的不良效果。1

目前,已发展了非球面透镜组整形法、衍射光学元件法、长焦深元件法、液晶空间光调制法以及自聚焦透镜法等多种技术。在众多整形技术中,非球面整形技术具有结构简单、损伤阂值高、易于实现等优点,具有重要的工程应用价值。传统非球面整形系统设计过程比较复杂,需进行大量的数值计算。

通过将 nLIGHT / Optoprim Germany GmbH 公司的环形模式激光器集成到市售的 L-PBF 激光粉末床金属3D打印系统中，并通过 Materialise Control 平台和 Materialise Build Processor 软件的开放系统架构进行控制，以进一步挖掘金属3D打印如何提高质量控制和提升生产力的潜力。

© Fraunhofer IAPT

Fraunhofer IAPT 的光束整形技术可以改变我们今天所知的 L-PBF金属3D打印现状，与 Materialise 和 Optoprim 的合作正在进行中，但初步结果令人印象深刻。目前可以清楚地看到激光如何改变其直径以更快地生产所有不同的形状，使生产零件的层看起来更容易、更快。如果光束整形技术可以显着提高 L-PBF 的生产力及其精度和可扩展性得到了更充分的证实，那么这种看似简单的解决方案往往能解决一些最复杂的问题。

根据ASTM International 增材制造咨询服务主管 Shane Collins，这项技术将创造机会，投资回报率将是引人注目的，而且不再因锁孔孔隙而限制激光功率。在加工效率上，譬如说镍合金将能够以 700W -800W/2500 毫米/秒的速度进行加工，层数减少了一半。

根据3D科学谷的了解，合作伙伴中的nLIGHT单模机架式光纤激光器可提供 500 W 至 1200 W 的输出功率，光束质量 M² ≤ 1.1。多模型号提供 500 W 至 1500 W 配置。这些激光器为先进的切割、焊接和增材制造性能提供优质的光束质量。

nLIGHT光纤激光器的重要特性包括：

• 先进的切割和焊接性能
• 高反射材料的无差错和稳定加工
• 自主开发的设计可实现机器稳定的正常运行时间和高效的现场服务
• 耐受极端环境条件
• 提供 500 W 至 1500 W 的性能等级
• 具有可编程脉冲形状和 100 kHz 高调制频率的特定型号。
• 具有上升和下降时间 <5 µs 和出色光束质量（单模）<1.1 mm*mrad 可用的增材制造选项

 或带来更好的质量控制

激光光束整形技术一般是指调制入射激光光束的波前分布,得到所需要的强度分布和传播特性。激光光束整形技术具有提高3D打印质量的可能性，在激光熔化金属的过程中，加工微小位置的金属吸收激光热量熔化并蒸发，在微小孔底部产生高压蒸汽。蒸汽从底部喷射而出导致材料损失，也就是飞溅。整个过程类似烧水不断产生气泡的过程。当采用整形光束时，外环光纤在微孔周边创造了一个更大区域的“缓冲区”，允许高压蒸汽逸出。外环光束有助于创建一个更稳定的深熔焊接过程。

根据3D科学谷的了解，激光功率的调节对于避免干扰粉末床和产生激光遮蔽很重要，根据这一机制能够减少孔的形成，并使3D打印零件更具均匀性。高保真多物理场仿真是对当前实验的补充，研究人员能够以极高的速度捕获粉末床与熔池中发生的事情，为解决打印质量可变性问题提供必不可少的工具。

此前，为了减少粉末床金属3D打印中“飞溅”引起的质量缺陷，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员将仿真结果与高速X射线和光学成像技术在激光熔化增材制造过程中所捕获真实的实验数据进行了比较，开发了一种稳定性标准-“功率地图（power map）”。

“功率地图”可以理解为一种智能化的激光扫描策略，作用是沿激光轨迹调整激光功率输出以稳定熔池，这是建立粉末床激光熔化工艺“智能前馈”的关键组成部分。也就是说，这种将先进的建模和仿真与实验分析相结合的技术，能够“教会”3D打印设备如何有效地创建无缺陷的零件。

根据LLNL, 研究人员发现，这种稳定性标准可以减少或完全消除粉末床激光熔化3D打印零件中的孔、小孔（深而狭窄的熔池）和其他可能导致缺陷的现象出现。在稳定性标准的研究过程中，研究人员还发现，通过多激光束以低功率在粉末上运行，将颗粒融合在一起的金属粉末预烧结方式，可以帮助减少飞溅并最大程度地减少出现大飞溅的“雪球效应”。这种激光扫描策略将提高整体零件的可靠性，并有助于粉末床激光熔化增材制造技术的广泛应用。

那么除了LLNL通过“功率地图”这种智能化的激光扫描策略来控制L-PBF 3D打印质量，Fraunhofer通过激光光束整形技术是否能切实有效的减少飞溅，减少空隙的产生，这项研究还在进行中。3D科学谷将对德国弗劳恩霍夫 IAPT及其合作伙伴的研究进展保持持续关注！

 创新与合作

Fraunhofer的研发实力来自于每家研究所独树一帜的建树，还来自于研究所之间的合作，Fraunhofer旗下研究所之间的合作是一种常态，在增材制造领域，Fraunhofer IAPT研究所还参与了位于亚琛的Fraunhofer ILT激光研究所发起的futureAM项目。

futureAM项目© Fraunhofer IAPT

futureAM – 新一代增材制造”是于2017年11月推出的，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。重点呈现从订单到完成金属3D打印组件的数字和物理增值的整体视图，目标是向增材制造的新一代技术迈进。在亚琛Fraunhofer ILT的领导下，另外五个Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）参与该项目。

Fraunhofer的六家研究所于2020年11月结束了futureAM项目，并共同实现了系统技术、材料和过程管理以及连续数字化方面的技术飞跃，从而提高了整个过程链中金属增材制造的效率和成本效益。

futureAM项目© 亚琛Fraunhofer ILT

ACAM亚琛增材制造中心

亚琛举办的2021年AMTC大会

1. 参考内容来源：高斯光束整形技术研究/中国知网

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更多关于3D打印市场发展趋势的洞察，欢迎参加10月21日，formnext法兰克福展览的展会活动前预热，3D科学谷创始人&ACAM中国代表Kitty Wang将与VDMA德国机械设备制造业联合会的Dr. Markus Heering，Renishaw-雷尼绍EMEA总裁Rainer Lotz，Gerhard Schubert的供应链总裁Marcus Schindler一起分享行业洞见！

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可以说无气轮胎将是人类面向更节约、更可持续发展的必然。那么无气轮胎到底什么时候能够进入到人类的生活中呢？近日，米其林宣布其无气轮胎将于 2024 年上市，与传统轮胎相比，它们具有更高的耐用性、更少的维护和更少的浪费。

© 米其林

 更可持续发展的轮胎

无气轮胎已经制造了几十年，每个原型都遇到了一个或另一个问题。现在，米其林似乎取得了突破，因为他们已经公布了用于实际测试的 Uptis（独特的防穿刺轮胎系统），并计划在 2024 年之前将成品推向市场。根据3D科学谷的了解，目前测试车手的初步反馈已经基本上是积极的，表示他们的经历与他们习惯的感觉没有任何不同。最终，这就是 Uptis 的目标——成为传统轮胎的自然替代品，同时消除维护和与穿刺相关的风险。

迄今为止，无气轮胎主要用于低速应用，例如滑移装载机、UTV 和骑乘式割草机。为了将这些轮胎用于主流车辆，它们需要能够以更高的速度运行更长的时间。这是测试的最后阶段发挥作用的地方。为此，米其林与通用汽车合作，给自己几年时间在现实世界中运行其 Uptis 轮胎并解决最后剩下的问题。如果成功，这些耐用轮胎有望比传统轮胎的使用寿命长三倍，同时减轻驾驶员与充气轮胎相关的头痛。

无充气轮胎© 米其林

其实，米其林要商业化无气轮胎的意图已久，在 2019 年年中的新闻稿中首次展示 Uptis 时表示，这些新型无气轮胎以两种不同的方式减少浪费，从而为汽车行业的可持续发展做出贡献。

首先，从直接意义上说，Uptis 的原材料比传统轮胎少，因此减少了施工过程中的浪费。第二种理由听起来不太直接，这与目前提前报废的轮胎数量有关。米其林估计，在每年丢弃的大约 10 亿条轮胎中，12% 的轮胎出现无法修复的刺破或撕裂，8% 的轮胎由于轮胎内气压不当而出现不规则磨损。有了这些数字，Uptis 可以节省 2 亿个轮胎，避免提前退役。

© 3D科学谷

为了使 Uptis 正常工作，构成轮胎外圈的辐条需要能够保持灵活。雪或泥等越野条件对无气轮胎是巨大的挑战，恶劣的地况会阻止轮胎在需要时弯曲，但米其林保证这些条件已经过彻底测试。从厚厚的积雪到结块的泥层，再到积水，Uptis 似乎已经克服了所有自然障碍。为了进一步满足在某些天气条件下对更深胎面的需求，米其林正在开发一种通过 3D 打印翻新 Uptis 的方法，这将使他们能够更新旧轮胎并轻松应用于“冬季轮胎”。

就价格而言，米其林希望对比漏气保用轮胎的价格，每个 Uptis 更长的使用寿命弥补了传统轮胎的溢价，而且携带备用轮胎的额外成本也将被节省，如果未来可以轻松使用 3D 打印技术进行翻新，这将进一步降低总成本。除了金钱之外，翻新还可以极大地改善资源的可持续性利用，米其林希望利用其与 Uptis 的合作开发第一个 3D 打印且可持续发展的无气轮胎为汽车业创造价值。

 想象从未有过的产品

不像传统的轮胎那样需要空气，无充气轮胎可以具有同样的承能力、舒适性和安全性。传统的充气轮胎已经统治了汽车界百余年的时间，而且我们已经习惯了这种充气轮胎的存在。但是，充气轮胎一旦爆胎，将是十分危险的事情，尤其是对于高速驾驶情况来说。

无充气轮胎是一种不依靠空气实现支撑力的轮胎。现在的大多数轮胎通过物质结构来实现轮胎的支撑与缓冲，这样就从根本上解决了爆胎情况的发生。根据3D科学谷的市场观察，法国轮胎制造商米其林是第一个试水无空气轮胎的企业。

无充气轮胎能够使车辆行驶安全且乘坐舒适，因胎面橡胶带根据其弹性特性在纵向、横向和垂直方向都有控制。轮胎具有由高性能复合材料制成的放射状结构，其上连接着橡胶胎面。在胎面花纹磨损严重的时候，只需将胎面翻新，而辐射状构造设计的寿命与汽车寿命一样长。子午向合成带即使有一个或多个放射状弓架结构破裂或者损坏了，也不用将汽车停下。 由于其特殊设计，米其林无充气轮胎不仅适合配在轿车上，同时也适宜装在两轮车上。

根据3D科学谷的了解，Uptis轮胎是根据今天的乘用车重新设计的，它也非常适合新兴的移动形式。未来的车辆和车队 – 无论是自动驾驶，全电动，共享服务还是其他方式 – 将要求轮胎维护需求接近零，以最大限度地提高汽车的行驶能力。

国内，根据3D科学谷的市场研究，徐州阿波罗新材料科技在进行轮胎3D打印生产线的开发工作，这种生产线包括打印机器人、打印控制器、打印喷头、串联式密炼机和热挤出机。

想象从未有过的产品，无充气轮胎理念的推出到Uptis轮胎，米其林将无充气轮胎商业化的决心是显而易见的。或许有一天，我们将认为无充气轮胎是再自然不过的事情了，而道路安全将因为无充气轮胎获得进一步的改观。

更多内容，请参考3D科学谷发布的《3D打印与模具行业白皮书2.0》-上篇，《3D打印与模具行业白皮书2.0》-下篇，上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》，下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》。

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本期，3D科学谷结合英国制造技术中心-MTC为为增材制造而重新设计的航空航天液压歧管的案例，与谷友共同了解3D打印液压歧管与传统液压阀块在设计和性能方面有哪些不同，并为广大液压元件制造企业在利用增材制造技术进行液压元件产品设计优化升级提供参考。本文为第二部分。第一部分主要介绍了初始设计，从侧重于组件级重新设计出发。在第二部分中，将探讨该设计项目的第二次迭代，考虑了系统级重新设计方法。

© Gen3D

基于系统水平的设计

在这篇文章中，3D科学谷将从系统级重新设计的角度来看MTC英国制造技术中心如何重新设计该液压歧管。通过消除设计过程中的一些限制并移动歧管入口和出口的位置，MTC克服了在初始设计中遇到的一些除粉挑战。

在第一部分中，MTC考虑了为增材制造重新设计的歧管。具体来说，在第一次歧管重新设计中，MTC将歧管的入口和出口的位置保持在同一位置。这然而，在检查打印的歧管时，发现由于 EBM 过程中“烧结饼”的形成，粉末去除是一个重大挑战。

 重新设计的液压歧管

对设计进行了根本原因分析，MTC确定可以通过减少流体通道的长度并确保粉末不被困住，以促进更容易的粉末去除来克服粉末去除挑战。

l 流体通道重新设计

考虑到这一点，Gen3D 和 MTC 的设计团队对设计进行了试验，并测试了如果采用系统重新设计方法会发生什么。如果查看下图的承诺-收益曲线图，可以看到系统级重新设计需要对流程做出最大的承诺。这是因为可能需要移动子装配中的其他组件，但是，这也为任何为增材制造而重新设计的歧管的重新设计提供了最大的收益机会。

承诺与收益曲线显示如何为增材制造过程重新设计零件。© Gen3D

与更传统的 CAD 软件相比，Gen3D 的 Flow 模块允许用户快速重新设计流体通道。这意味着可以在不到一天的时间内将组件级重新设计从第一部分快速修改为系统级第二代部分。

两种模型之间的比较可以在下图中看到。

歧管比较 – 基于组件的重新设计（左图）和系统级重新设计（右图）的比较。

© Gen3D

从两张图片中可以看出，系统级的重新设计是一个更加紧凑的设计。此外，通过利用补偿功能必要时在流体通道的顶部添加了泪珠形状，并且还在流体通道的底部添加了泪珠形状以减少所需的支撑结构总量。

l  后处理设计

在流体通道之后，3D科学谷了解到MTC采用了与第一部分类似的方法，在 Autodesk Fusion 360 创成式设计程序中定义了载荷、约束、设计空间和空隙空间。

不过，在后处理方面设计人员设置了一些关键差异。

首先，设计人员在设计中添加了两个额外的除粉口。这些被放置在第一次迭代中发现被困粉末的位置，液压歧管上增加了除粉口，便于除粉。这对于 EBM 工艺尤其重要，因为在构建过程中会形成烧结饼。

© Gen3D

这有点违反直觉，因为增材制造的好处之一是可能减少组件中的组件数量。但是，有时保留额外的特征（例如除粉口）可能会有益，以减少零件后处理时的时间、精力和成本。

第二个区别在于CNC加工和夹具的设置。3D科学谷了解到在这种情况下，由于可以选择移动一些通道的设计，因此可以将所有夹具保留在零件底部，并在一次设置中通过5 轴机床加工液压歧管上的所有端口。

© Gen3D

机加工液压歧管© Gen3D

在这种情况下，对于单个原型零件，后加工处理的成本差异并不大，但对于生产运行而言，由于设计所带来的后加工的便利性，这种变化可能会显着节省成本。最后，MTC还通过将流体通道的内部形状修改为适用的菱形形状来减少库存材料消耗量。

 歧管的测试和检查

MTC 对歧管进行了一系列检查方法。这些包括条纹投影，使用 GOM 扫描仪和 X 射线 CT 扫描来检查流体通道内是否存在被困粉末。

叠加在 CAD 模型上的流形的条纹投影扫描© Gen3D

在这种歧管设计的情况下，粉末能够从歧管中完全去除，去除所有粉末意味着可以沿着增材制造工作流程，继续进行对端口接口的后处理加工。

 加工端口接口

为了实现与接口组件的正确配合，歧管的端口必须进行后加工。在该歧管设计中，夹具设计用于将歧管向下连接到 CNC 工件夹具。然后使用触发式探针测量端口以准确确定其位置，然后在 CNC 铣床上按照规格加工端口。

在这篇文章中，MTC从系统级重新设计的角度研究了航空航天液压歧管的重新设计。通过消除对设计过程的一些限制并开辟移动歧管入口和出口位置的可能性，就有可能克服除粉方面的一些挑战，然后对歧管进行机械加工以确保接口部件可以与歧管组装。

在第三部分中，3D科学谷将与谷友一起领略MTC如何检查该歧管的实验结果，并确定原来的歧管设计转移到增材制造的歧管所带来的功能性能优势。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书》，《下篇-3D打印与液压白皮书》。

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本期，3D科学谷结合英国制造技术中心-MTC为为增材制造而重新设计的航空航天液压歧管的案例，与谷友共同了解3D打印液压歧管与传统液压阀块在设计和性能方面有哪些不同，并为广大液压元件制造企业在利用增材制造技术进行液压元件产品设计优化升级提供参考。本文为第一部分。第一部分主要介绍初始设计，从侧重于组件级重新设计出发。

© Gen3D

基于组件水平的设计

Gen3D 和制造技术中心 (MTC) 最近合作开发了一个为航空航天重新设计的液压歧管。液压歧管是增材制造 (AM) 的理想选择，因为3D打印-增材制造具有减少质量和改善流量的巨大潜力。该项目表明，增材制造可以显着减少液压歧管的质量，同时确保增材制造工艺适合提供所需的机械性能。

© 3D科学谷 www.ganjiayu.com

这项工作是 DRAMA项目的一部分，DRAMA项目由英国研究与创新中心通过工业战略挑战基金 (UKRI) 资助，并得到航空航天技术研究所的支持。

 歧管的重新设计

原钢制液压歧管设计，如下图所示，重 28.5 公斤。歧管的最大工作压力为 250bar，在测试过程中必须进行 450bar 的爆破压力测试。

原液压歧管块设计，由钢坯加工而成© Gen3D

根据3D科学谷的了解，MTC决定在第一次设计迭代中，将歧管的入口和出口保持在同一位置。

这是即插即用的解决方案，只需将旧的歧管更换为 AM 增材制造的歧管，所有部件都可以无缝地装回原位。

不过当歧管的入口和出口保持与原来设计的位置相同时，虽然通过3D打印-增材制造技术提供了使用拓扑优化和创成式设计等技术来显着减少歧管质量的空间，但仍然受到组件整体位置的限制。

承诺与收益曲线显示如何为增材制造过程重新设计零件。© Gen3D

根据液压回路图，设计工程师重新设计了流体通道网络。Gen3D 软件内的点击和拖动用户界面使这个过程非常快速和简单。外部组件从相关目录中下载并在组装到原始歧管中的坐标处导入。

使用 Gen3D Flow 模块设计的内部流体通道© Gen3D

l 歧管的流体通道

流体通道的设计考虑了最大水平圆尺寸，最大水平圆尺寸由材料和 AM 增材制造工艺本身决定。歧管是在 MTC 英国国家制造技术中心使用 Arcam Q20 机器打印的，使用电子束熔化 (EBM) 工艺和钛合金 Ti-6Al-4V。与激光粉末床相比，EBM 工艺的好处之一是可以实现圆形通道尺寸的更大自由度，无需支撑结构即可生产。

对于较大的通道，Gen3D 的自动支撑补偿工具用于将圆形通道的几何形状修改为泪珠形状，确保无需内部支撑结构即可打印通道。此外，流体通道被平滑以减少急弯并减少连接处的角度，从而改善流体流动特性。

在这个设计中，通道在与原设计相同的位置连接，不同的是堵头被移除，因为堵头是CNC机加工过程中需要钻孔所带来的导流设置，而在3D打印中，留到可以自由取向，并不需要堵头来进行流体流动导向。

在下面的 CFD 速度剖面结果中可以看到通过平滑 90° 角而改善的流体特性。

CFD 仿真结果显示（左）急弯和（右）圆角, 圆角结果显示流体特性更均匀。© Gen3D

这些结构很容易从 Gen3D 的软件中导出为 STEP 文件，然后导入回 CAD 软件，以便继续设计过程并准备打印设计。

l 创成式优化设计

设计工程师将流体通道从 Gen3D 导出到传统的 CAD 软件中，然后使用 Autodesk 的创成式设计解决方案来优化歧管的整体结构。

© Gen3D

为实现这一目标，设计工程师考虑了使用中部件的内部流体压力以及在后处理阶段需要进行的加工余量。Autodesk 的创成式设计解决方案考虑到了后加工的衔接，绿色部分显示设计中必须保留的余量空间，红色部分显示不能放置材料的区域。

© Gen3D

 液压歧管的3D打印

零件通过创成式设计程序完成设计，并添加了额外的支撑，文件被发送进行3D打印。这时候，在将被加工的接口区域还添加了加工余量设计，以通过后期的后处理加工达到所需的装配公差。

EBM技术打印的 Ti6Al4V 合金液压歧管，两个图片中都移除了支撑，但没有进一步的后处理

© Gen3D

 检查分析

后处理阶段包括移除构建板，然后是手动移除粉末。此外，还需要进行 CT 扫描以确定是否所有粉末都已从通道中清除。在这个案例中，扫描结果表明，一些被困粉末仍留在通道中。

CT 扫描图像可视化内部通道。尽管存在一些噪音，但很明显一些粉末仍被困在非视线通道内

© Gen3D

 化学蚀刻以去除被捕获的粉末

一种用来探索去除被困粉末的方法是化学蚀刻。通过化学蚀刻可以去除大部分被困的粉末，也显着改善了表面光洁度。然而，一些被困的粉末仍然留在歧管内。

（左）显示化学蚀刻槽中歧管的照片和（右）显示化学蚀刻过程后液压歧管的照片。可以看到组件表面粗糙度有显着改善

© Gen3D

在下一篇文章中，将探讨该设计项目的第二次迭代，该项目考虑了一种系统级重新设计方法，可以修改入口和出口的位置。

更多信息，请参考3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书》，《下篇-3D打印与液压白皮书》。

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在本文中，3D科学谷将结合GE的案例来进一步揭示电子束熔化 (EBM) 和新兴的不断发展的材料如何迅速成为医疗植入物和设备领域所青睐的技术。

© 3D科学谷《3D打印与骨科植入物白皮书》

更微观、更一体化

 EBM 3D打印材料和医疗应用

根据GE，已经有几种可以 3D 打印的材料——基于现有的植入材料，如不锈钢、Ti-6Al-4V (Ti64) 和钴铬合金——这些材料可以通过多种不同的方式进行定制，以适应每个患者的需要。

由于 3D 打印提供了一种创建定制植入物的方法，与定制现有材料相比，获得新材料认证的时间和费用是不太理想的选择。未来的变化将是使用相同的批准材料，但可调整材料微观结构。

Ti64 钛仍然是医疗客户的常见材料选择之一，因为钛为增材制造的用户提供了灵活性。未来的一种潜力是创造不同的微观结构，使合金在某些植入物和应用中变得坚固，同时在其他植入物和应用中变得更柔软和可扩展，例如脊柱融合器。

钴铬合金是另一种仍然需要用于植入物的“主力”合金，特别是用于股骨膝关节部件和双活动髋关节杯，目前临床上仍然没有其他材料可以反映其特性。不过虽然钴铬合金和 Ti64 都非常适合通过EBM来加工，但并非所有患者都适合钴铬合金植入物。

另一种正在使用的植入材料是用于骨板（以及手术工具）的不锈钢。然而，虽然可以使用 EBM 创建这些植入物，但需要执行额外的表面处理步骤以获得合适的产品。因此，目前不锈钢通常通过选区金属激光熔化金属3D打印技术来加工。

 医疗植入物市场的可定制解决方案

尽管在体内临床环境中可以使用哪些材料存在限制，但与现成的植入物相比，定制适合患者的现有材料可以带来增强的功能。

可以采用抛光或粗糙表面的形式，以及定制植入物结构特性的不同微结构。使用现有（和临床批准的）材料制造可满足每位患者确切需求的植入物的能力还有助于减少与寻找适合所有手术场景的新临床合适材料相关的时间和成本。

今天，外科医生和医疗设备设计师正在寻求采用他们过去使用过的先前植入产品，从头开始重新设计它们，使其更具功能性，并根据患者的需求定制特定的特性。就定制而言，根据具体情况创建定制部件的能力是可以实现的最高级的定制级别之一。

在使用 EBM 定制植入物时，通常可以采用两种方法：

方法一：改变材料的化学性质

通过改变材料的化学性质来优化植入物的特性，使其仍然符合所需的规格，但具有增强的性能。预计未来这将通过调整零件的微观结构或在打印过程中更改工艺参数来实现，从而实现不同的化学成分。一个例子是实现更硬、耐疲劳的特性，以及具有多功能性的植入物。

方法二：植入物结构一体化实现

采用传统制造的产品并为其增加独特性，预计这在未来会更加普遍。这可能会导致将几个不同的植入物组件整合到一个单一的植入物中，而无需在手术过程中将它们组合起来。这种方法已经在航空航天工业中成功部署，数百个零件被提炼成少数零件。这种方法很可能在未来几年渗透到医疗器械领域。

定制植入物以满足每位患者的特定需求的能力不仅可以减少以后进行的修复手术，而且还可以减少患者在手术时的不适感，从而缩短住院时间。在宏观层面上，为每位患者定制植入物不仅有助于为患者提供更好的手术体验，还可以节省资金。

© 3D科学谷《3D打印与骨科植入物白皮书》

 端到端的解决方案

从最初诊断到外科医生能够将植入物插入患者体内所花费的时间至关重要。除了使设计师能够定制植入物外，EBM 电子束金属3D打印技术还提供了一种方法来减少外科医生接收植入物所需时间的优势。

由于许多后处理步骤可能需要很长时间（尤其是在将运输时间也考虑在内的情况下），因此需要根据应用程序来确定是否需要进行后处理或花费更长的时间进行打印。这通常也取决于其他可用的设备。

在这里，外科医生、设计师和增材制造机器制造商之间建立更密切的关系可以帮助那些想要使用金属 3D 打印植入物但不一定知道从哪里开始或将精力集中在哪里的人。由于定制植入物需要高度定制，因此这种协作比其他应用程序更为重要。目前，一些用户可能会在试图了解如何使用金属3D打印的过程中迷失方向。

在传统的批量生产制造环境中，有经过验证的测试有助于对不同植入物的特性进行分类。然而，个体植入物的定制性质——以及将植入物植入患者体内所需的较短交货时间——意味着必须验证生产过程以适应定制植入物的每一种变化，而不是依赖于部分测试结构。

拥有经过验证的工艺窗口，可以自信地打印应用程序的这些不同变体，而无需测试实际零件。当前的3D打印-增材制造专家现在致力于统计过程控制，这将能够帮助外科医生为不同场景创建零件——无论是为了快速生产还是优化过程。

根据GE，当前整个医疗领域有 100 多台 EBM 电子束金属3D打印设备在使用，该技术在定制植入物领域具有未开发的潜力。关于EBM电子束金属3D打印技术的应用发展，3D科学谷将保持持续关注。

更多信息，欢迎参考3D科学谷发布的《3D打印与骨科植入物白皮书》。

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随着3D打印技术的发展，3D打印从打印电动机外壳，到定子绕组，到电动机，在获得不断的突破。3D科学谷曾在《福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件》一文中分享过由福特、蒂森克虏伯、亚琛工业大学（ACAM亚琛增材制造中心研发联合体成员）组成的工业联盟的一项研究项目，以开发下一代电动汽车的灵活、可持续的生产工艺。本期，3D科学谷将分享Fraunhofer IFAM将金属3D 丝网打印工艺应用到新电力驱动，以及Höganäs 加入的Connactive平台所研究的新 eDrive 概念。

壳牌在其阿姆斯特丹技术中心的粉末床熔化3D打印零件
© 壳牌

新电机的新制造工艺

 更高效的电气驱动器电气板

通过3D丝网打印制造的定子叠片

© Fraunhofer IFAM 德累斯顿

位于德国德累斯顿的Fraunhofer IFAM弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所启动了一个高效生产用于电力驱动的电气板的项目。

在西门子的协调下，“EffiBlech”项目通过Fraunhofer与Friedrich Alexander大学制造自动化和生产系统学院以及 EKRA Automatisierungs GmbH、MUT Advanced Heating GmbH 和 Optonic GmbH 公司的合作伙伴共同实施，以开发具有生产和测试方法的完整工艺链，最终结果将是实现更高效的电气驱动器电气板。

Fraunhofer IFAM 在“EffiBlech”项目中的主要任务是选择合适的低成本粉末、开发浆料以及优化单层的打印工艺。

根据3D科学谷的了解，该项目的动机是通过减少能量转换过程中电力驱动器中出现的不需要的涡流，从而提高电机效率。涡流是导致机器发热的损耗，必须将其消散。通过减少板材的厚度，可以显着减少这些损失。

这种电工片通常采用复杂的多阶段成型和热处理工艺生产，然后加工成转子或定子叠片。由于轧制和冲压工艺步骤，要加工的最小厚度受到限制，标准在 0.2 至 0.65 毫米之间。这意味着无法进一步降低涡流损耗。此外，在形成电工钢板的叠片时，会出现高达 50% 的材料边角料。

在“EffiBlech”项目中，解决了薄板生产所有子过程中的挑战。这包括从糊料生产和丝网印刷到热处理。纸叠中的处理和绝缘也得到优化，并开发了一个检查系统，以确保近系列原型生产的高质量。在优化所有工艺步骤后，电气板最终安装在电机中并进行测试。

可以通过结果实现的潜在节省的一个具体例子是异步电机中的软磁组件。在这里，磁芯损耗可降低 10%，生产中的材料成本可降低 20%。各种措施，例如使丝网打印过程完全自动化和增加可用的丝网面积，提高了整个过程的生产率。因此，异步电机生产中的二氧化碳排放量可减少约 20%，在片材包装中可减少约 40%。

 基于金属粉末的新 eDrive 概念

根据3D科学谷的了解，Höganäs 已加入 Connactive 项目，以开发基于使用金属粉末的新电力驱动概念。Connactive 项目成立于 2019 年，该项目致力于实现高速、高频和功率密度的 eDrive 解决方案。这种跨公司合作将利用每个成员的不同专业领域，其结果将推动现代电动发动机的发展。

© Connactive

Höganäs 的金属粉末用于 Connactive 的第一个项目：双驱动系统、动力分流行星齿轮组和匹配的 RX II 单元，结合高扭矩 AX 电机和高度集成的电子设备。通过合作伙伴公司 Dontyne Gears、Moteg 和 Vishay 的合作能力，双驱动系统在六个月内从蓝图变为批量生产标准原型。

目前，根据3D科学谷的了解，该项目的解决性成果预计这将把电驱动带到一个新的水平，并以最低的总成本加速市场引入。

根据Connactive 项目，团队在短短几个月后展示的第一个结果确实令人惊讶：通过原型 eDrive，他们成功地最大限度地减少了安装空间，同时几乎将性能提高了一倍。在传统 20 kW 电动机通常需要的空间中，现在可以容纳提供 50 kW 令人印象深刻的整体性能的驱动器。

在这里，输出功率为 35 kW 的径向磁通电机与提供额外 15 kW 功率的附加轴向磁通电机相结合。两者都在高频下工作，但功率损耗最小。

径向和轴向磁通电机的组合创建了一个整体系统，高扭矩轴向磁通电机和高速径向磁通电机可确保整个范围内的动态驾驶性能。此外，在较低速度下，轴向磁通电机还可用作空调循环等系统的辅助驱动。更重要的是：如果一个电机出现故障，另一个将保证紧急备用操作。

该系统的紧凑结构和最小的能量损失是唯一可能的，因为它使用了一种特殊的原材料：它们不是用金属板冲压出不同系统组件的零件，而是由软磁复合材料 (SMC) 制造的。这意味着不会浪费任何原材料，因此可以更可持续地使用。

新设计还提供了更大的几何设计自由度，因为没有传统冲床的二维限制，三维设计没有问题。结果是显着更高的可集成性，但设计相对简单。

紧凑的设计不仅可以集成两个驱动器，还可以容纳系统内 eDrive 的其他组件。除了节省宝贵的空间外，这还开辟了新的技术可能性。整个电力电子设备——包括控制单元——都是系统的一部分。例如，这使得可以直接在电机本身中测量电机电压和相电流。

 多头并进的新电机研发趋势

从世界范围来看，根据3D科学谷的市场观察，推动3D打印用于新电力驱动的前沿研究正在形成多个发展趋势：一种趋势是福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点是铜金属；一种趋势是Fraunhofer IFAM或者是exone通过更为经济的打印方式所实现的新型电动机零件，其聚焦点是丝网打印或binder jetting粘结剂喷射3D打印；一种趋势是英国制造技术中心MTC所致力的完全3D打印的电机，其聚焦点是产品重新设计；最后一种趋势是Connactive 项目或者保时捷与GKN所合作的项目，其聚焦点是新材料与新设计的结合。

© 3D科学谷：上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》

当今的汽车制造商面临着提高电动汽车效率的不断增长的需求。制造商已经从各个角度解决这个问题：减轻重量、创建更高效的动力传动系统、降低噪音。不过这个过程是不断迭代且永无止境的。关于3D打印在电机领域的应用，3D科学谷将保持持续的市场关注，更多内容请参考3D科学谷发布的上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》。

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3D打印为这些挑战带来了解决方案，保有零件的图纸而不是保有大量的零件库存，成为3D打印贡献给地球的可持续发展的一个方式。

壳牌在其阿姆斯特丹技术中心的粉末床熔化3D打印零件© 壳牌

简化打印工艺准备过程

库存中的零件通常与最初设计设施时选择的零件相同，制造商可能不再提供替代品。随着操作要求的变化或下一代设计的引入，升级组件设计或材料的机会是有限的。

使这些问题更加复杂的是，许多石油和天然气站点还位于偏远或难以进入的位置——例如近海和北极——这使得服务和现场支持成为问题。除非在每个地点都有库存，否则如何能够可靠且快速地向世界遥远角落的设施提供关键零件？

 AM 增材制造潜力和障碍

油气运营商越来越愿意考虑将金属增材制造（AM，又名 3D 打印）作为应对此类挑战的潜在答案，以实现更高效、更具成本效益的解决方案，以解决持续的库存和地理障碍。

然而，在油气行业广泛采用增材制造仍然存在一些重大障碍。

大多数现有的金属增材制造技术需要广泛的3D打印参数开发知识，这有时可能是一个劳动密集型的过程，并导致在高效快速地适应不断变化的几何形状和特征方面面临挑战。这些系统还需要对部件进行大量的重新设计，以使其可打印，而不是允许按照最初设计的方式打印部件。此外，整个打印过程的数据对于评估最终部件的质量至关重要。

更重要的是，当前市场上很多增材制造设备的一个限制是：在一台 AM 增材制造设备上设置的打印文件通常不能在另一台机器上直接使用——有时即使它们是相同的品牌和型号——没有用户干预；结果可以是基于单个机器校准的不断变化的文件。这造成了数字库存挑战，类似于油气运营商已经在处理的当前实物库存挑战。

迄今为止，根据3D科学谷的市场观察，美国石油协会 (API) 还没有发布关于 AM 材料采购或规格的指南。对于有兴趣将更先进的工业 AM 技术应用到其可提供的速度和质量有益的应用中的用户来说，这一直是一个挑战。

 增材制造 API 指南

然而，目前正在以 API20S 的形式提供指导，这是有史以来第一个油气行业认可的金属 AM 规范。目前正在投票中，这将阐明对所有类型的油气设施中使用的金属 AM 组件制造商的流程、测试、文档和可追溯性以及其他要求。

API20S 草案是在数百家公司（从运营商到原始设备制造商到 AM 机器制造商）的意见下起草的，现在处于最后阶段，但仍有可能发生变化。虽然没有详细说明完整的成功标准（即所需的机械或无损检测验收标准），但 API20S 确实概述了根据油气作业中的不同风险级别需要进行哪些类型的测试和验证。

在一个案例中， IMI Critical 现已交付了最高关键性增材制造规范级别 3 (AMSL 3)，即用于现场服务的首件组件构建零件，还符合 API20S 草案要求，是在由合约制造商 Knust-Godwin 运营的 VELO3D Sapphire AM 系统上打印的。

AM增材制造系统制造商VELO3D 为 IMI Critical 提供所需水平的先进 AM 技术。与同时也是 API 委员会成员的主要油气运营商合作，

VELO3D的该解决方案包括自动预构建系统校准和端到端构建质量监控和报告——这些功能提供的数据类型正是 API20S 的许多目标所基于的数据类型。该联合项目的长期目标是建立一个现场测量数据纲要，以支持 AM 生产部件认证的路径，以及未来建立更精确的材料特性和测试方法规范。

对于团队项目，O&G 操作员选择了一个常用的节流阀笼。该部件制造时带有用于端口的简单槽孔，由于高压降操作中的修边腐蚀，这些槽孔可能会出现振动和损坏问题。

从创建这个部件到今天，流量控制行业已经发生了很大的变化。一项创新是 IMI Critical 的技术改进 DRAG®，DRAG®由一系列离散的多级流路组成，可以更好地控制流体速度并防止振动和修剪侵蚀问题。多年来一直生产金属 AM 部件的 IMI Critical 看到了一个商机，不仅可以“按需”更换部件，还可以通过 DRAG 提高其性能。

下一步是评估 Inconel 718 的 3D 打印新设计（图 1）。后处理机加工零件，

图 1. 使用 IMI 的 DRAG 技术优化的两个节流阀

 打印与制造要求看齐

随着零件的 CAD 设计完成，现在是转向增材制造的时候了。与其他金属 AM 增材制造打印系统不同，VELO3D 的 Flow 打印准备软件可自动响应零件的几何形状，无需开发任何复杂的零件特定参数，这使得设计工程师能够首先专注于他们所需的最终部件功能，而无需进行复杂的预打印参数操作。

图 2. 使用 VELO3D 的 Flow 软件的三种表面光洁度测试条件。

整个打印过程的质量控制——以及任何地方的再现性是重要的，在项目期间始终牢记 API20S 要求，VELO3D 的内部质量控制软件 Assure 提供的自动化非常有益。根据3D科学谷的了解，在构建前一键校准后，VELO3D的Assure质量管理系统会逐层编译该数据以及在构建过程中收集大量信息，然后自动生成包含重要信息的构建报告。

原始数据和高度映射器图像（图 3）对于评估和评估零件的关键区域以供未来生产也很有用。结合 Flow 预打印软件，这允许在任何 VELO3D 系统上打印相同的打印文件，无论是谁在操作它或它在世界上的哪个地方——具有相同的预期最终部件质量。先进 AM 的这些功能现在可以实现数字仓储和按需更换零件。”

图 3a、b、c、d。（上）逐层构建：（a. 左）重涂后的粉末床和（b. 右）激光后的粉末床。（下）单层高度图软件图像显示（c. 左）重涂后的粉末床，确保激光表面均匀，（d. 右）激光后的粉末床，提供观察零件性能和下一次重涂的安全环境。

最终，节流阀组件被成功打印（图 4）。从那里，阀门与 API20S 测试样本一起从构建板上移除。然后将阀门加工至最终成品（图 5），同时根据 API20S的要求对样品进行测试。

图 4. 使用 IMI 的 DRAG 技术优化的两个节流阀

图 5. 完成后的两个阀门。

这些阀门随后在 IMI Critical（图 6）进行了流量测试，然后交付给 O&G 运营商用于即将进行的现场试验。流量测试结果深刻证明了 Flow 软件提供的通用过程的一致性。

图 6. 在 IMI Critical 的设施中完成的节流阀流量测试。

在现场安装和测试新的节流阀笼之后，IMI Critical 下一步计划制造更大尺寸的流量控制元件，或更大体积的更小流量控制元件。

 采用步伐加快

根据3D科学谷的市场观察，石油天然气领域对3D打印技术的采用步伐正在加快，其中Howco公司2020年还购买全新的SLM Solutions的SLM®500选区激光熔化设备。Howco公司是全球领先的石油、天然气行业原材料分销商，这台增材制造设备将用于Howco公司新建于得克萨斯州休斯顿的增材制造工厂。

而国际质量保证和风险管理公司DNVGL还在新加坡推出全球增材制造中心，致力于石油天然气，海洋和海洋（O＆M）领域3D打印技术的研发。

DNVGL通过新加坡的增材制造中心，通过3D打印硬件，工艺，材料和3D打印部件认证的技术标准和指导方针，加速O＆M行业中3D打印的应用。

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而在3D打印加工复合材料的时候，Impossible Objects面临着与其他家3D打印企业相同的挑战：如何处理复杂的建模零件所产生的海量的打印数据？

© Impossible Objects

更好的速度，更好的结果

根据3D科学谷的市场观察，在提高3D打印数据准备速度方面，Impossible Objects与Dyndrite合作，Dyndrite™ 是用于创建下一代数字制造硬件和软件的核心加速计算引擎的供应商。通过合作，Dyndrite将CBAM 打印过程中基于 GPU 的自动化 CAD 打印流程提高了生产力并显着降低了运营成本；先进的自动化嵌套例程优化了构建块利用率，降低了每个零件的成本并改进了材料使用；基于规则的流程减少了构建失败并提高可重复性和零件质量。

 加速计算引擎释放制造潜力

近日，双方的联合项目达到了初步结果，该项目将 3D 打印碳和玻璃纤维复合材料部件的构建准备速度提高了 10 倍。

© Impossible Objects

Impossible Objects 的基于规则的自动掩码打包和切片软件项目：ON-RAMP，由 Dyndrite 提供支持，通过不依赖STL这样的数百万个三角形来定义打印，Dyndrite的解决方案避免了“数据膨胀”，并可以提高打印零件的质量。这意味着通过消除需要修理STL的耗散动量的步骤，从而提高了可重复性并提高了生产速度。将 Dyndrite 的多线程、GPU 加速、基于 Python 的加速计算引擎与 Impossible Objects 的专有软件融合，以驱动Impossible Objects独特的 CBAM 流程。

Impossible Objects 基于复合材料的增材制造 – 或 CBAM – 是一种独特的专有工艺，旨在生产与尼龙和 PEEK 搭配使用的碳纤维和玻璃纤维部件。Impossible Objects的CBAM技术类似于熔融沉积成型（FDM）技术，但是，与FDM直接在一个空的打印床上层积材料不同，该技术在一种纤维板上打印。通过这种打印工艺中，打印机的喷头将聚合物粉末堆叠起来，并用内置热源把它们融合在一起。最后，由一名技术人员将不需要的材料移除，打印过程就完成了。CBAM 打印过程中可以使用多种类型的聚合物粉末，从而产生不同的复合材料。

根据3D科学谷的了解，Impossible Objects 公司的3D打印PEEK 碳纤维复合零部件可以应用在航空航天、国防、油田服务、汽车、医疗等行业。相比使用热塑性材料3D打印出来的零部件，这类零部件强度要高2倍—10倍。与同样具有气密性、水密性的尼龙碳纤维材料相比，PEEK碳纤维材料的拉伸强度更强。

通过与Dyndrite的合作，Impossible Objects 整体工作流程的改进是显着的。通过自动化，手动构建准备从 3 小时减少到几分钟，3D打印数据处理基准从 56 分钟减少到 5 分钟，这意味着整个 4 小时的过程现在可以在不到 10 分钟的时间内完成。

Dyndrite 正在彻底改变Impossible Objects 的CBAM技术制造零件的用户体验。重点是 API、CAD 导入功能，结合基于 GPU 的体素数据处理以及 Python 自动化，为整个 CAD 到 CBAM 打印工作流程带来累积优势。

自动化提供了许多好处，包括更快地处理 3D 数据，同时减少繁琐的手工劳动，优化构建空间并最大限度减少废料的自动嵌套，以及可显着缩短第一部分时间的可定制工作流程。此外，自动化构建块上的最佳实践设计规则允许嵌入 QA/QC 数据跟踪，以提高可追溯性并降低零件错误率。最后，Dyndrite 快速处理非常大的 3D 数据集的能力简化了整个过程。

 根本上影响创建、转换、传输

根据3D科学谷的了解，Dyndrite 的使命是从根本上影响几何在计算机上的创建、转换和传输方式。Dyndrite的加速计算引擎 (ACE) 为硬件和软件公司提供了发挥数字制造潜力所需的能力、自由度和控制力。

Dyndrite 加速计算引擎 (ACE) 是世界上第一个多线程、GPU 加速的几何软件开发工具包 (SDK)。Dyndrite Engine 可通过 C/C++ 和 Python 接口访问，Dyndrite将引擎授权给硬件、软件和企业客户。软件正在吞噬整个世界，获得谷歌人工智能基金投资的Dyndrite的解决方案也是基于GPU的，根据3D科学谷的市场判断，GPU与CPT的应用结合将渗透到从建模仿真到数字孪生体技术，再到过程控制等3D打印工艺链的方方面面，而由GPU这种算力所支撑的人工智能算法将统治3D打印的方方面面。

3D科学谷相信GPU与CPT的应用结合将为3D打印行业带来巨大的新效率和机遇。很快，3D打印行业会发现，一家3D打印企业最好团队中有一些人可以编写代码，否则这样的企业将变得寸步难行。

根据ACAM亚琛增材制造中心在2021年formnext深圳展会上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》的分享，3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面，当前的一大发展趋势包括自动化的发展，量产的一大关键是自动化，在自动化方面包括系统硬件的自动化和软件实现的流程自动化。ACAM亚琛增材制造中心与世界上领先的应用企业合作，将增材制造往自动化+过程自主的方向推动，这其中包括减少手工处理程序避免加工过程的中断，实现多材料制造，实现零件整合，以及自主后处理加工等等。ACAM亚琛增材制造中心科研联合体正在为各个过程开发各种自主技术模块，由机器人负责工件的处理和后加工。

增材制造自动化的脚步渐行渐近，从打印文件的准备、到打印流程、到车间管理，增材制造正在进入软件主导的新时代！

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据悉，这是一种先进的大型铸造砂模3D打印机，被称为ACC 3D打印机（Advance Casting Cell-ACC 3D Printer）。这一设备的研发将得到德国联邦经济事务和能源部的财政支持，它将能够打印单个重量超过60公吨的砂模，为GE Haliade-X的机舱[1]提供铸件，并将砂模的生产时间从10周以上减少到仅需2周。此外，由于不再需要将大型部件从一个集中制造点运输到应用地点，这一3D打印机预计减少产品的碳足迹。

合作伙伴们预计将在2021年第三季度启动该项目，并在2022年第一季度开始进行初始打印机试验。

图1 – 粘结剂喷射的原理，在一个成型平台上先铺设一层粉末，随后打印头将粘结剂有选择性的喷射到所要打印的零件上。然后再铺设一层粉末，不断重复上述过程直到打印出最终的零件或模具。

大幅减少全套模具组件数量

该项目涉及开发一款全新的大幅面3D打印机，能够生产砂模用于铸造构成海上风力发电机舱的不同形状和尺寸的高度复杂金属部件。基于voxeljet-维捷公司核心的 “粘结剂喷射 “技术模块化3D打印工艺，将能打印直径为9.5米、重达60吨多的铸造用砂模。

图2 – ACC打印机将被设计用来打印风力发电机关键零部件的模具，最大直径为9.5米，重量为30至60吨。

通用电气可再生能源公司的高级增材设计工程师Juan Pablo Cilia说：”3D打印模具将带来许多好处，提高铸件质量，包括改善铸件表面光洁度、提高零件精度和一致性。此外，由于优化的设计，砂型粘结剂喷射模型或增材模型可通过减少加工时间和其他材料成本来节约成本。这种前所未有的生产技术将改变生产效率，允许在高成本国家进行本地化生产，这对于希望最大限度地发挥海上风电进而带来地方经济发展效益的客户来说是一个关键的好处。”

弗劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所IGCV负责铸造和材料技术问题，以及工艺过程数字化监控。”我们正在密切关注铸造过程中的热管理，我们将评估打印材料的理想比例，”弗劳恩霍夫 IGCV 的成型工艺和成型材料部门主管 Daniel Günther 博士说。“此外，作为项目的一部分，我们还将开发和测试新的工艺监测方法”。根据以往的经验，该团队预计Haliade-X型风力发电机生产过程中的环境足迹将大大改善。可持续性是弗劳恩霍夫研究所工作的一个坚定的指导原则。该研究所所长Wolfram Volk教授/博士补充说：”我们的目标是优化模具打印，以避免成本极高的误打印甚至误浇铸，节省粘合剂和固化剂，并改善铸造过程中的机械和热行为。通过开发一种尽可能节约资源的工艺，我们希望帮助改善风力发电机制造中的环境平衡和成本平衡。”

voxeljet-维捷市场和销售总监Christian Traeger说：”2019年我们为通用电气打印的测试模具由几十个单独的零件组成。有了ACC打印机，我们将致力于大幅减少全套模具的零件数量。除此之外，模具还可以在功能和材料消耗方面进行优化。这种优化使得全新的铸造设计成为可能，可以进一步提高风力发电机的效率”。

“虽然场外按需3D打印服务为小批量铸件制造提供了许多好处，但在现场运行3D打印设备可以最大限度地利用该技术的潜能。鉴于海上风力发电机的持续增长的市场，这将对按时完成项目进度和满足需求有很大帮助，”voxeljet-维捷首席执行官Ingo Ederer博士补充说。”凭借富有成效的粘结剂喷射技术并结合在大幅面工业3D打印方面的经验，我们为铸造行业客户提供服务已逾20年。将3D打印带入真正的工业制造领域是我们的使命，因此我们非常高兴能成为这个开创性项目的成员。”

国际能源署预计，由于成本下降、政府的支持政策和诸如GE Haliade-X海上风力发电机项目的技术进步，到2040年，全球海上风能容量将提高15倍，成为一个1万亿美元的产业[2]。GE可再生能源公司已中标欧洲和美国5.7GW的项目，为其提供Haliade-X风力发电机。该公司是海上风能工业委员会（OWIC）的成员，作为该委员会的一部分，该委员会支持旨在提高可持续风能生产的各种举措。

[1] 机舱是风力发电机塔顶的一个外壳单元，包含其机械部件。

[2] 来源Source: https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019

来源：https://www.iea.org/reports/offshore-wind-outlook-2019

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硬质合金刀具是一种以超细颗粒碳化钨为主要原材料，以钴、钇等金属元素或其它难熔碳化物粉末为辅助材料的精加工合金，具有硬度高、强度大、韧性好、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，因而适合应用于数控机床中。近日，根据3D科学谷的市场观察，国际上通过粘结剂喷射3D打印技术成就了结构更加复杂、带冷却内流道的硬质合金刀具。

3D打印技术与刀具制造

© 3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

更加精细、更加复杂

 挑战更出色

碳化钨是由粉末冶金生产的最广泛使用的高速加工（HSM）工具材料，由硬质碳化物（通常为碳化钨WC）颗粒和较软的金属粘合剂组成。目前，有数百种具有不同组成的WC基碳化钨，其中大多数使用钴（Co）作为粘合剂。镍（Ni）和铬（Cr）也是常用的粘合剂元素，可以添加其他添加剂。一些合金元素。

现代加工操作的严酷条件要求刀具具有出色的硬度和断裂韧性，同时对耐磨性、表面质量和尺寸公差要求很高。硬质金属如碳化钨钴 (WC-Co) 和工具钢如 M2 是此类应用的理想选择，因为它们具有出色且均衡的硬度/断裂韧性、耐高温性和耐磨性，但可能难以制造，甚至对于某些 3D 打印技术来说也是充满挑战的。

传统加工工艺， 通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的。

那么按照这个逻辑去思考，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是否可以替代金属注塑成型工艺或粉末冶金工艺，成就无需模具，且内部结构更为复杂的硬质合金工件呢？

 灵活自定义参数设置

根据3D科学谷的市场观察：西班牙TECNALIA 利用其科学研究知识帮助公司通过颠覆性粘合剂喷射技术取得更大成功。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

粘结剂喷射增材制造克服了需要支撑的增材制造工艺的局限性，可用于加工所需但难以加工的硬质金属和工具钢，设计自由度使提高性能的冷却通道能够直接集成到设计中。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

在这个案例中，ExOne Innovent 机器可以灵活地自定义参数设置，结合 TECNALIA 团队的工艺和材料专业知识，为该应用定制属性，从而实现了突破，交付具有所需属性的最终部件。

3D打印技术硬质合金刀片© exone

烧结后，获得了密度与传统制造的商业部件相当的部件。此外，该材料的硬度和断裂韧性也相当。

 3D打印释放刀具制造自由度

根据3D科学谷的市场研究，使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具在国内外早已有。国际上，早先，德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员就成功地使用3DP粘合剂喷射三维打印技术生产硬质合金刀具。通过3DP打印硬质合金粉末，研究所能够轻松创建复杂的设计。在这个过程中，陶瓷硬质材料的粉末颗粒，包括碳化钨颗粒通过含钴、镍或铁的粘结材料层层打印粘结起来。这种粘合材料不仅是粉末层之间的粘合剂，还使得产品具有良好的机械性能并能生产完全致密的部件，甚至可以选择性地调整弯曲强度、韧性和硬度。后续的处理包括烧结处理，得到与传统加工方式一致的硬质合金模具紧实度。

而不仅仅Fraunhofer研究所运用的3DP技术，另外一种3D打印技术LPBF也被频繁的用于刀具的制造方面。高迈特公司还使用了LPBF金属3D打印技术和机械加工技术用于制造铣刀。铣刀中拥有密集出屑槽的刀体部分是通过金属3D打印技术制造的定制化非标产品，刀柄部分则是通过机械加工技术批量化生产的标准产品。

刀具制造公司积极探索3D打印技术应用与刀具制造
© 3D科学谷《3D打印与金属切削刀具白皮书》

另外一家，玛帕公司还通过3D打印技术创造出QTD系列刀具复杂的螺旋冷却通道，从而提高了冷却液到钻头顶部的流动过程中的热传导能力。玛帕的钻头与之前的钻头相比使用寿命更长、运转速度更快。

无论是3DP技术用于硬质合金刀具的制造还是LPBF技术用于金属刀头和刀柄的制造，3D打印技术在刀具领域的制造方面占有越来越重要的位置。

更多3D打印在刀具领域的应用，请参考3D科学谷发布的《3D打印与金属切削刀具白皮书》

l 参考来源：mcctcarbide，为什么碳化钨是理想的刀具材料？

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