德国增材制造媒体采访了3D科学谷创始人王晓燕，王晓燕就中国3D打印的现状与机会的话题进行了深入的介绍。该文章已在国外发布，以下是采访原文（德文）。

采访以英文形式进行，以下为原始内容。

Q: Could you summarize how is everything going with the 3d printing market in China in 2017?

A:It seems especially difficult for 3D printing companies in China to reach out to the local manufacturing industry. In China today, relatively few companies are aware of the power of 3D printing and the Chinese market lacks the openness and the understanding for the role this technology can play. This is because till recently, China is transforming from low value added manufacturing to high value added manufacturing, and this takes time and a lot of effort. It is very noticeable today and probably reasonable for the high export shares in revenue for many Chinese 3D printing companies.

According to 3D Science Valley’s market research, the 3D printing market totaled about 8.2 billion RMB (1.3 billion USD) in 2017. China’s current 3D printing market are still depend on sales of 3d printing equipments. Some of the equipments sold did not get good use. After the current scientific research equipment procurement demand reached a certain degree of saturation status, the 3D printing market in China meet with a callback, but this does not affect 3D printing long-term upward trend in China.

But since the application market in China is under pressure of transforming from low end to middle or high end. We can still see that after the struggling, the 3D printing market in China will keep up the pace of growth.

Q: What is the trend of 3d printing service market in China? and what is the broad view of the 3d printing market in terms of materials, equipment and else?

A:More and more companies started to provide 3d printing service in the year of 2016 and after.Some of them are still struggling to find their own core strength and market position. Some of them, especially those who entered to the 3d printing service market before the year of 2012 have developed their knowhow in some highly specialized application areas such as conformal cooling mould, teeth aligner, automotive prototype, aerospace light weighted components and else.

Image: Companies in China emerged to provide 3d printing service, statistics from 3D Science Valley (www.51shape.com)

According to the 3D Science Valley market research, Currently resin curing systems dominated China 3D printing market and occupied 39.8% of the market, followed by selective laser melting and material extrusion systems.

Currently China market demand of 3D printing materials are resin, nylon, PLA, ABS, titanium, stainless steel, tool steel, aluminum alloy, cobalt-chromium alloy, nickel based alloy and else.

Currently the industrial level 3D printer brands are mainly including UnionTech, EOS, Farsoon, Bright Laser, 3D Systems, GE, Stratasys, HP and else.

Currently the bottleneck set 3d printing development in behind is about not aware of industrialization opportunities, lacking of human resources, and the high cost of 3d printing.

Q：Could you give us some example about those companies who are active in 3d printing dental industry?

A: For dental aligner, we have Angelalign, Smartee, iROK, Mega and esle.

Take Angelalign for example, Angelalign is a professional company engaged in oral orthodontics technology research and development, invisible appliances production and sale. Angelalign has also introduced an online 3D printing platform in order to facilitate the communication with the clients.

Take Smartee for example, Smartee® invisible treatment technology combines 3D printing technology, 3D computer-aided design technology (CAD), and digital 3D modeling (CAM) technology together. After wide-ranged and long term researches combined with clinical practices, Smartee® developed an unique orthodontical system and possessed a complete independent intellectual property rights.

For denture 3d printing, one good example is Dengte. Dengte was founded in 1994 in Hainan, and relocated to Chendu in 1999. After 20 years of development, Denture Denture has become recognized as a well-known brand in the industry today. It is currently one of the leading manufacturer of high-end dentures in the forefront of digitalization, mechanization and automation in CAD / CAM in China.

For dental implant 3d printing, we have Huamei dental, Triup, Trandomed, Reborn, Trausim and else. Take Trausim for example, Trasim is established in 2010 and is specialized in R&D, design, processing, manufacture, and sales of dental implant and surgical instrument. In order to ensure the product quality, the company collaborates with German research institute, imports the advanced manufacture equipments, cutting edge surface treatment and processing technologies. So those are developing quickly in China and we can foresee an industrialization trend of 3d printing technology in dental application.

Q：Could you give us some example about those companies who are active in 3d printing orthopedics implant market?

A: Sure, in commercialized medical implant printing, currently Beijing AK Medical is the Chinese market leader. In August 2015, AK Medical received the CFDA approval for its 3D ACT artificial hip joint system based on 3D metal printing technology and in July 2016 received another approval for the vertebral cage based on 3D ACT technology. Also to be the first metal 3D printed interbody fusion cage product licensed by the CFDA in China. 3D ACT technology is a combination of various technologies from clinical medicine, computer technology, material science and mechanical design, such as electron beam molten metal 3D printing technology (EBM) and precision 3D reconstruction technology. With the commercialized medical implant competence, AK Medical has successful listed in Hongkong stock market.

Another company HuaTai 3D which is founded by professor Wu Xinhua has done some improvement in artificial vertebral body / lumbar intervertebral disc implantation. In February 7, 2018, Hua Tai 3D together with the Southern Hospital’s spinal surgery and the Monash University Additive Manufacturing Research Center successful implemented the 3D printing personalized artificial vertebral body / lumbar intervertebral disc implantation.

Q: You have introduced some highlights in specific application market, anything else impressed you in other application markets?

A: Yes, there are a lot. For example, in space technology, the China Academy of Space Technology has gained many years of experience in 3D printing, especially regarding design for additive manufacturing (DfAM).The academy has developed a systematic approach for the study of lattice cell structures for lightweight satellite components, and with this has achieved to be internationally competitive in this field.

Image: CubeSat framestructure designed by China Academy of Space Technology, printed by Xi’anBright Laser.

For nano or micro 3D Printing, there is BMF Material Technology which is a Boston/Shenzhen-based startup firm that manufactures nano or micro 3D printers and materials, as well as custom products for other companies using its equipment. Their printers have the capacity to perform high-volume manufacturing. What sets BMF apart, according to MIT technology review , is the equipment’s level of rigor and the exceptional choice of materials and processes. BMF can produce small mechanical and highly complicated parts with examples ranging from tiny springs to cardiac stents.

In terms of R&D, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics is at the forefront in academic research of numerical simulation methods for active tracking of the solidification behavior of the laser 3D printing melting pool, for the laser-powder and particle-optical coupling process as well as laser 3D printing composite material such as special alloys and composites.

Furthermore, for fashion industry, Shanghai-based design studio Xuberance never ceases to impress the consumer industry with its stunning 3D printed fashion pieces and accessories. Now, in its continued effort to push the boundaries of 3D printed design objects, Xuberance has created a series of titanium pens named Infinity which belongs to Xuberance’s Brighten series of metal 3d printing artworks pieces. Those titanium pens are designed to reflect elegance and infinity.

Image:Xuberance brighten series of metal 3d printing artworks pieces – Infinity – titanium pens, printed by Xi’an Bright Laser

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在超过5,500种合金材料中，绝大多数材料仍无法通过金属3D打印技术制造。美国HRL 实验室指出，影响合金材料在增材制造工艺中使用的原因是，打印过程中材料的熔融和凝固产生了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室表示，可以通过在增材制造材料中引入纳米颗粒成核剂的方式来解决这一问题。 本期，3D科学谷就与谷友共同了解一下HRL 实验室在这一领域的科研成果。

扩展金属3D打印材料种类与应用

HRL 实验室的相关研究论文 3D printing of high-strength aluminium alloys 已发表在2017年9月21日的《自然》杂志中。

在研究中，科研人员使用的铝合金材料为Al7075和Al6061。在激光高能环境中进行金属3D打印将导致金属部件遭受严重热裂纹，因此HRL 实验室研究的首要目标是弄清楚如何彻底消除热裂纹。

通过选择性激光熔化技术进行金属合金的增材制造，图片来源：nature.com

3D科学谷了解到HRL 的思路是控制微观结构。实验室的研究人员根据晶体学信息选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组装到了7075和6061系列铝合金粉末中。

增材制造金属原材料的纳米颗粒组装，图片来源：nature.com

在用成核剂进行功能化之后，HRL 的研究人员发现这些先前与增材制造制造不相容的高强度铝合金可以使用粉末床选择性激光熔化设备进行成功的加工。成型后的材料无裂纹，等轴（即，其长度，宽度和高度上的晶粒大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度。

增材制造铝合金的凝固行为，图片来源：nature.com

HRL 实验室表示，这一技术可用于研发更多种类的3D打印合金粉末材料，这些材料不仅可以应用在粉末床选择性激光熔化3D打印设备，还可以用于粉末床电子束熔化和基于定向能量沉积3D打印技术的设备中。

这种方式将使金属3D打印设备能够加工更多的合金材料，并将扩展金属3D打印技术的应用范围，例如可以加工镍超合金和金属间化合物。此外，该技术还可以用于接合，铸造和注射成型这些传统加工技术中，在使用这些技术加工的过程中也存在凝固裂纹和热撕裂等问题。

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德国voxeljet-维捷与法国Sogeclair合作通过Binder Jetting粘结剂喷射3D打印技术成功制造了铝制的仿生学结构舱门。

图片：铝制舱门的设计效果图，来源voxeljet-维捷

舱门是飞机上的运动功能部件，它的功能、使用寿命、安全性、维修性和可靠性，直接关系到飞机的出勤率。若舱门设计不当，飞机在高空中飞行的时候，可能发生舱门的意外打开，会造成压力舱泄压，并严重影响飞机飞行姿态。

为了达到高度的可靠性，舱门的设计上需要防止飞行中因机构损坏或任何单个结构元件损坏而打开的可能性，这就为舱门的设计带来了高度的复杂性。而为了满足这一复杂性的设计，也给加工带来了相当的挑战。不仅仅数量众多的连杆、铰链结构带来了加工的难度，还需要满足各种力学性能的要求，包括门框部位的抗拉和抗弯性能，抗剪切和抗压缩的构件，都需要满足严苛的力学要求。

法国航空供应商Sogeclair希望通过3D打印技术为飞机生产舱门，从而解决传统加工方式所面临的加工复杂性的挑战。此外，Sogeclair希望通过3D打印技术节省材料，降低制造成本，并且大幅减轻舱门重量。

Sogeclair的这一需求可以说是顺应了航空航天领域的发展需求，能源的紧张使得飞机需要不断提高燃料效率和经济性，以降低其对环境的影响。而飞机的轻量化是实现降低燃料消耗的关键方式之一，减重带来明显的经济性成为航空供应商的一致追求。

不过，对于3D打印技术来说，加工飞机的舱门同样面临着挑战，一是舱门结构的复杂性，如何避免使用支撑材料从而实现近净形的加工结果；二是舱门结构尺寸大，如何能够满足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。这都为Sogeclair向工业级3D打印设备及服务商voxeljet-维捷寻求合作提供了必然性。

voxeljet-维捷的Binder Jetting粘结剂喷射3D打印技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘结剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。Binder Jetting的技术优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且对于voxeljet-维捷来说，大尺寸正是他们所擅长的。

图片：3D打印的PMMA材质精密铸造模具，来源voxeljet-维捷

在对飞机舱门所要达到的机械性能进行深入的研究之后，项目团队决定摒弃传统的舱门设计，而是采用了仿生学结构设计理念。通过仿生力学结构来减少材料使用，从而将重量减轻30％，并且不牺牲舱门所需要达到的力学强度。

图片：3D打印的PMMA材质精密铸造模具，来源voxeljet-维捷

设计完成后的挑战是使这种三维设计成为现实，在这个过程中，项目团队采用了voxeljet-维捷的3D打印系统来制造大型精密模具。VX1000 3D打印机具有1,000 x 600 x 500 mm的构建体积，成为该项目的合适选择。通过层层打印PMMA粉末颗粒，并使用粘结剂喷射法将粉末颗粒相互粘结在一起，飞机舱门的精密铸造模具就制造出来了。

PMMA的材料特性帮助Sogeclair了获得关键的加工结果，与其他3D打印塑料材料相比，PMMA非常适合用于铸造。其主要原因是粉末材料的负膨胀系数，在烧毁薄壁模型的过程中不会导致涨壳，从而不会导致铸造模具的破损，不仅降低了制造中的风险，还满足了近净形的要求。

图片：铸造完成后的飞机舱门，来源voxeljet-维捷

最终3D打印的PMMA材质的精密铸造模具被送到铸造厂，最后完成了铝质材料的舱门铸造。

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图片：EOS学术项目——深入理解并挖掘增材制造的无限潜力（来源：EOS）

EOS GmbH首席执行官兼企业管理发言人Adrian Keppler博士表示：“作为科技和市场领导者，我们必须现在就开始着力培养科学家和学生，为未来的专业需求做好准备。因此，我们通过学术推广计划专为高校和研究机构提供最好、最先进的设备来推动更好的发展。”

图片：入门级粉末材料3D打印系统S1 Sintratec（来源：Sintratec）

20多年来，EOS已成功借助学术项目支持研究人员和学者，让他们能以优惠条件购买EOS系统。目前已有超过300套EOS系统在全球各高校和研究机构中投入使用，其中包括慕尼黑工业大学、伍尔弗汉普顿大学（英国）、加州州立理工大学（美国圣路易斯-奥比斯波）和仁川理工大学（韩国首尔）。在中国，包括清华大学、上海交通大学、吉林大学、昆明理工大学、北京工业大学、南京工业大学、江苏科技大学以及四川大学在内的多所高校已配备EOS系统。

 深入理解并挖掘增材制造的无限潜力
在未来的几年内，工业3D打印（亦称“增材制造”）将在高分子和金属元件类大规模制造中发挥综合性作用。任何想要推动创新和影响未来发展的人都需要了解增材制造的原理和潜力。因此，开始培养第一代“增材原住民”比以前显得更为重要。除了EOS自身的设备和两个来自Sintratec公司的入门级设备以外，EOS还在项目中加入了各类在线研讨会、培训课程和继续教育选项。整个项目致力于更高效地建立增材制造专业知识库，以期未来更好地受益于科研与教育的优势。

伍尔弗汉普顿大学先进制造技术教授Mark Stanford如此评价增材制造：“自2004年起，我们学院就开始采用EOS金属3D打印设备作为研究和教学的工具。丰富的相关经验使我们能够为学生适应未来制造场景打下基础。同时，这也成为我们与其他大学相比更出众之处。”

 EOS学术推广计划的基本元素
依据不同需求，目前EOS学术项目提供了快速熟悉增材制造世界的适用方法。教育机构可以通过注册该计划，前提是至少50%的EOS设备将用于教学课程中，并且该设备不会被用于商业生产。EOS将从截止于2017年10月20日前注册的所有机构中抽取10家提供一套Sintratec入门级设备套件。注册机构不仅能免费获得宝贵资料，还能按照实际需求从以下三种方案中作出选择：

“初学者”模块——专为有意学习3D打印基础知识并将它们融合到课程中的机构所设计。Sintratec套装包含了粉末3D打印系统的基本设备，可帮助讲师们运用并传授增材制造的技术及应用层面的基本原理。

“毕业生”模块——机构能够通过该模块立即开始使用并教授3D打印技术实操。他们将在优惠条件下获得一台Sintratec S1激光烧结系统，同时也能获得EOS培训课程，结业后由EOS授予学业证书。因此，用户可以在更短的时间内熟悉3D打印世界，并在设计和生产增材制造组件过程中获得初步实践经验。

“科学家”模块——专为致力于探索工业3D打印研究和教育所有潜在可能性的机构所设计。它包含精选的EOS设备（金属和高分子材料）以及在EOS进行的多日程培训课程。高校可以在这一项目的范畴内，运用工业3D打印系统进行广泛的技术研究。

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 图片：借助 EOS 技术，ArianeGroup成功制造出采用一体化设计 (AiO) 的 Ariane 6 VINCI 上面级助推器喷嘴头。（来源：ArianeGroup）

“关键任务组件”可贴切地描述用于航空航天行业的 1 类组件。耗资数亿的任务由这类组件决定成败与否。因此，工程师们持续致力于开发品质、功能性和坚固性最为卓越的组件，同时简化制造链并减少各个组件的数量。借助 EOS 技术，ArianeGroup成功将其推向全新水平：Ariane 6 火箭 VINCI 上面级助推器中使用的此型号火箭发动机喷嘴头从原来的 248 个组件减少为仅 1 个组件。喷嘴头已经简化为真正的一体化 (AiO) 设计。

 面临的挑战
欧洲航天局 (ESA) 希望借助高效的运载火箭技术在航天运输领域占据强有力的独立地位。为此，委托欧洲航空航天公司 Airbus Group 与法国 Safran 集团联合成立的合资企业 ArianeGroup 打造 Ariane 6。Ariane 是欧洲航天局研制的一系列运载火箭，旨在将通信卫星等重型有效载荷送入地球轨道。Ariane 6 计划自 2025 年起代替目前的 5 型火箭，设计的目的是以颇具竞争力的成本助力欧洲进行空间探索。为该项目设定的目标为，通过消除对公共资金的需求来降低成本。项目的重点在于火箭离开轨道后负责推进的上面级助推器。

图：包含 122 个喷油器组件的火箭发动机喷嘴头采用 EOS NickelAlloy IN718 材料通过增材制造技术生产而成。（来源：EOS GmbH）

在推进模块中，会在极端条件下产生巨大推力。这需要在较小空间内实现最高级别的可靠性和精确度。喷嘴头是助推器的核心组件之一，负责将燃料混合物输送入燃烧室。在传统设计中，该组件由 248 个零部件构成，而这些零部件通过各种制造步骤生产、装配而成。采用铸造、铜焊、焊接与钻孔等不同的工艺步骤可能会带来缺点，从而可能导致在极端负荷下产生风险。此外，生产如此多的零部件也是一个十分耗时的复杂过程。在喷油器组件领域，传统的生产过程需要在铜套管中钻出 8000 余十字孔，然后用螺钉将铜套管精确地固到 122 个喷油器组件上，以便将其中流动的氢气与氧气混合。这些数据清晰地表明，从风险角度来看，实现集所有零部件于一体的功能集成组件显然是一项宏伟的目标。特别对于 1 类组件，这还有助于发挥巨大的经济潜力，减少工艺步骤并缩短生产时间。

 解决方案
增材制造为这些挑战提供了 应对方案。“若要生产一体化 喷嘴头，只能采用 EOS 技术，” ArianeGroup 材料与工艺生产技术主管 Steffen Beyer 博士表示，他解释了选择工业 3D 打印技术的原因，“只有增材制造可以将集成功能、轻量化结构、更为简单的设计以及更短的交付周期等特性融合于单一组件中。”项目团队再次选择了耐高温、耐腐蚀的镍基合金 (IN718) 材料。材料在高温下可呈现出出色的抗拉伸性、耐用性、抗蠕变性和抗断裂强度，并将与全新的生产技术搭配使用。

“成功开发出组件后，我们将我们的注意力转向如何提高成本效益。”材料与工艺生产技术部门 Fabian Riss博士称。ArianeGroup的关键需求是缩短交付周期并降低单位成本。最初，采用 EOS M 290 通过增材制造技术进行生产。

初步试验成功后，采用更大型的 EOS M 400-4 系统扩大生产。借助 4 激光器技术，推进模块的制造速度可达原来的四倍。“采用生产率较高的 EOS M 400-4 系统扩大生产，是我们为提高 Ariane 6 项目的工业化和竞争力迈出的重要一步。凭借 EOS 员工的丰富经验和行业专业知识，协作得以高效展开。结果不言而喻，同时也有力证明了团队的卓越表现。”Steffen Beyer 博士补充道。

 成果
采用增材制造技术生产出的全新喷嘴头令人惊叹：并非 248 个零部件，而仅由 1 个组件构成，功能相同，但最大程度缩短了所需的时间。
借助 EOS 基于粉床的工业 3D 打印技术，可将 122 个喷油嘴、基板和前面板、带有相应进料管的圆顶氢气氧气燃料输送头打印为单个集成组件。以 AiO 喷嘴头为例，与单激光器系统相比，EOS M 400-4 多激光器系统生产率明显更高，可将成型时间缩短至 1/4，并将成本降低 50%。
项目团队还取得一系列成功。与铸件相比，设计得以简化，材料属性得以提升，采用增材制造技术可大幅减小壁厚，而不会对强度造成任何损失。此外，组件重量减轻 25%，也能进一步缩短成型时间，从而降低成本。

最后但同样重要的是，增材制造工艺可大幅加快创新周期。开发阶段中的结构改进、设计修改和测试件的制造均可基于 CAD 数据直接投入生产，工程师无需像铸造零部件时那样花时间准备模具。因此，工业 3D 打印可大幅缩短交付周期。过去，每次更新换代通常需要半年左右的时间，而现在只需要几天。除此之外，整条制造链现已部署于 ArianeGroup 工厂内部。简而言之：任务成功完成！

来源：EOS

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谷白皮书是基于3D科学谷使命：提供有价值的洞见，并结合相关社会资源转化为驱动产业发展的力量。结合3D科学谷所拥有的国际化的资源，基于精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷在中国市场建立了增材制造洞察力体系，并通过近年来的市场研究和分析工作推动了中国市场在实施方面的进展。

3D打印与注塑竞争的可能性有多大？无疑，注塑工艺的优势在于大批量，而3D打印的优势在于小批量或者是用于非常复杂的设计。目前，要替代掉注塑工艺，3D打印的发展空间要么是小批量简单设计，要么是大批量非常复杂的设计。

而3D打印技术要想在小批量简单产品的生产工艺上取得一席之地，就需要在打印价格方面更便宜。3D打印技术要想在大批量复杂产品的生产工艺上获得比注塑工艺更大的优势就需要打印速度更快。

而推动塑料3D打印技术进入生产领域的将不仅仅是设备厂商，材料方面像陶氏化学公司，巴斯夫，帝斯曼和沙特基础工业这些大企业一直在幕后研发他们用于3D打印领域的新材料技术。

《3D打印塑料白皮书》通过深度研究塑料的3D打印全产业链，分析常用的3D打印塑料上游市场产量与下游市场的需求情况，分析3D打印材料的市场状况以及常用的塑料的应用情况，分析塑料3 D打印设备的发展与趋势，分析3D打印材料的打印特点，来揭示塑料3D打印市场空间。

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著名感应加热设备制造商GH Induction 则将铜金属3D打印技术应用在了民用设备制造领域。目前，GH Induction已推出了3D打印铜金属产品-3DPCoil感应器。本期，3D科学谷就与谷友共同来了解一下这个3D打印的铜感应器在感应加热设备中的应用价值。

 
GH Induction 公司为航空航天、汽车、机床工具、造船等制造业用户提供零件热处理解决方案。例如在汽车行业，GH Induction的感应加热设备已为宝马、沃尔沃、丰田、标志等众多汽车制造商所使用，在车身、电机、传动系统、车轮轴承等零部件的热处理中发挥着作用。

感应加热热处理是一种用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。

这种工艺的原理是，将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流──涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小, 这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。

GH Induction 对其感应加热处理设备中的感应器进行了设计迭代，并使用电子束熔融（EBM）金属3D打印技术来制造迭代后的感应器-3DPCoil。GH Induction 已为其3D打印铜感应器申请了专利。

GH Induction 与西班牙一家3D打印服务企业合作进行3DPCoil的设计与打印。针对增材制造技术在制造复杂结构方面所具有的优势，双方对铜感应器进行了优化设计，优化后的感应器是一个整体式的零件，可通过EBM 3D打印设备进行制造, 制造材料为纯铜。

在使用3D打印技术之前，GH Induction 在制造感应器时需要通过钎焊工艺对感应器部件进行焊接。

GH Induction公司表示，3D打印技术的主要优势在于无需使用钎焊就可以制造出一体式的铜感应器，铜感应器的密度是均匀的，感应器的冷却效果得到优化。

GH Induction公司还表示，3D打印铜感应器给感应加热设备带来的优势是明显的，因为3D打印铜感应器的使用寿命与上一代感应器相比得到了显著的提升，对于使用感应加热设备的制造业用户来说，这意味着能够减少更换感应器的频次，继而减少生产时间，节省每个零件的制造成本，提高对设备的投资回报率。

3D科学谷Review

铜是一种导热性和反射性极佳的材料，这一属性也使铜的增材制造充满了挑战。除了本案例中GH Induction所使用的电子束熔融3D打印技术，选择性激光熔化（SLM）3D打印技术也可以用于制造铜金属粉末材料。铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。

根据3D科学谷的市场研究，西安铂力特公司和上海悦瑞公司已在铜金属激光成形领域取得了进展。其中，西安铂力特公司研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管。

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本期，3D科学谷将通过增材制造专家分享的一个3D打印金属零件机械加工案例，与谷友们共同对3D打印零件机械加工中的挑战和解决方案进行探讨。

3D打印是一种具有灵活性的技术，对设计的约束较少，借助3D打印技术设计师能够实现一些复杂的设计方案，例如：轻量化结构、功能集成的一体式结构。但是增材制造技术的这些优势，有时会因为要顾及到后续机械加工中所产生的挑战而被减弱。如果在最初设计与制造增材制造零件时没有充分考虑到后续机械加工中所面临的挑战，则可能因为零件加工失败而产生损失。

3D打印的零件通常需要通过机械加工来实现精确的圆孔和光滑平坦的表面，然后与其他零件装配在一起。然而，3D打印零件所具有的复杂轻量化结构有时会由于刚度不足而不能很好的适应加工过程。此外，复杂的结构也增加了对工件进行安全装夹的难度。

精加工的挑战

1. 3D打印零件的刚度是否足以满足机械加工过程中所承受的负载？零件是否会偏离刀具以及产生振动，使得刀具振动并导致较差的机加工效果？如果3D打印零件的刚度不足以满足机械加工的要求，有哪些解决方案可以解决这些问题呢？

2. 如果刚度的问题得以解决，接下来面临的挑战是如何在机床上进行对准。3D打印零件在打印过程中可能存在一定的变形，缺少清晰的基准，这意味着对3D打印零件进行机械加工时，需要首先找到零件中“”好“”的部分。获得零件的最优5轴对齐是非常重要的。

雷尼绍（Renishaw）公司通过一个金属3D打印的微波导杆，对3D打印零件精加工中所面临的挑战以及解决方案进行了探索，从进行机械加工前的准备到最终完成零件的精加工，总共包括9个步骤。

左图是用传统设计思路和制造方式制造的导杆，由几个部分装配而成；右图是3D打印的导杆，这是一个一体式的零件，与原始零件相比，重量降低一半。

这是一个为电信卫星而设计的零件，对该零件主要的性能要求是轻量化和提高微波的传播效率，以及减少该零件对卫星有效载荷的空间要求。

解决方案
第1步- 建立预期的切削力
首先，通过实验来评估3D打印零件是否具有机加工所要求的足够刚度。

动力数据（Dyno Data）显示了重复通过的负载，可以看到峰值力大约是中间值的两倍。还可以尝试不同深度的切削，了解它是如何影响零件上的负载的。

第2步-模拟切削力

通过模拟过程，发现在零件自由端周边的法兰边缘加工导致明显的偏转（大于150微米），有限元分析也显示出明显的扭曲，这种情况可能导致切削不均匀。

第3步-初次切削试验

如果在以上这种情况下进行机械加工，将遇到零件偏离刀具并回弹，表面产生振动，刀具振动等问题。出现这些问题的结果是，产生差的表面光洁度。

解决这些问题的方法是提高零件在切削过程中的刚度。有两个步骤能够提高刚度，一是调整3D打印零件的设计，第是改变机械加工过程中的夹持方式。首先我们来了解一下，如何通过调整设计来解决这些问题。

第4步-通过改变3D打印零件的设计应对机加工的挑战

改变3D打印零件设计的目标是使零件变得更加坚硬，在本案例中，设计师使用的方式是，为零件添加了连接零件两端部件的支撑结构，以减少在切削试验中看到的缺陷。

或者是在两端部件之间添加连接的桁架结构，这种方式较为复杂。

通过调整设计方案来提升刚度的弊端是增加了零件所占的体积，这可能会影响到其他组件所需要占用的空间，降低设计的整体效率。还有一个值得注意的问题是，在常规的工件装夹方式下，调整设计后的零件往往仍无法满足机加工要求，这时就有必要重新考虑零件的装夹方式。

第5步-重新考虑零件的装夹方式
在本案例中，重新装夹方式的具体方案是，为3D打印零件设计一个定制化的夹具，并用3D打印设备直接将定制化的夹具制造出来，减少了零件变形和表面被损伤的风险，使3D打印零件更加靠近加工特征，减少偏转和振动。

第6步-进行定制化夹具的建模

在对夹具中的3D打印零件进行有限元分析时，设计师发现可以通过对零件中“直”的结构进行更好的夹持来进一步提升刚度。

第7步 机加工准备
完成3D打印零件的设计调整和定制化夹具的设计、制造之后，就可以进入到机械加工的准备阶段了。

图为拓扑优化的3D打印零件在柔性量规上测量，以产生5轴对准，用于后续加工。

在此过程中，当机械轴的线性和旋转运动超出制造精确零件所需的公差时，就会出现错误。在本案例中，工程师使用了的Renishaw 接触式测头和计量软件NC-Checker 来识别和监测这些问题。

第8步-零件设置
在常规的机械加工中，往往是先创建基准面，然后使用这些特征来对齐和定位零件，以用于随后的加工操作。但是对于本案例中的3D打印零件，没有按照常规方法来进行，这是因为精度基准必须在生成所有其他表面之后被添加到最终加工操作中。

3D打印零件设置的挑战是，通过零件的实际形状来设置，这涉及到在所有计划切削精密特征的区域理解零件的材料状况，同时考虑到机械加工留量，零件的变形等因素。在本案例中，设计师试图寻求在所有这些位置留下足够材料，从而允许一致和有效的切削。在这一步骤仍可使用测头和计量软件，找到精加工的“最佳拟合”设置。

进行精加工3D打印零件设置的另一种方式是，使用车间可编程的规格来测量零件并执行对齐。此方法更适用于更大批量的应用。

第9步-机械加工
通过上述8个步骤的的准备，所得到的组件具有在公差范围内的临界尺寸，并且表现出良好的表面光洁度。与早期的加工切削试验相比，刀具振动和磨损大大降低。

机械加工通常是金属3D打印工艺链中的一部分， 这也是一个具有逃战和风险的过程，如果机械加工失败，将导致一个有价值的3D打印零件报废。如果在设计3D打印零件之初就能够考虑到机械加工中所面临的挑战，将有助于降低失败的风险。欢迎各位3D打印零件机械加工方面有探索经验和心得的谷友，通过留言的方式或在3D科学谷的微信群和QQ群中分享这些经验。

案例来源：雷尼绍全球方案中心总监Marc Saunders
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从原型到生产，3D打印的挑战升级
很久前，奥迪就已意识到增材制造/3D打印技术对于汽车行业的潜能。工业级的3D打印技术最初被运用于奥迪的快速原型制造以及赛车制造领域。

奥迪逐渐基于工业3D打印技术革新了模具制造的生产过程，当部件几何构造或装配非常复杂时，3D打印技术便使得其几何造型的实现成为可能，而以往则受限于传统制造方式。

奥迪为了在材料和生产流程上获得更多经验，并进一步实现批量化生产，建立了自有的3D打印中心。曾经通过传统制造方法打造的模具所无法实现的内部结构和功能整合，现在都可以依托增材制造技术得以实现。特别是在小批量部件的生产方面，奥迪现在可以基于3D打印技术，以快速且经济的方式用轻量型材料生产部件。

奥迪采用增材制造技术生产出的模具和零部件（由奥迪提供）

在增材制造技术的应用上，奥迪同样关注压铸模具和热加工部件的内部嵌件生产。如今，奥迪可通过随形冷却技术，以更高的成本效益实现部件和汽车配件生产，进而优化批量化生产过程。实现随形冷却离不开3D打印设备所实现的模具内部高度复杂的冷却通道，这些复杂的随形冷却通道以往通过传统手段是无法实现的。带有随形冷却通道的模具冷却效果更好，生产周期缩减了20%，这不但降低了能源消耗，亦同时提升了零部件的成本效益。

奥迪在3D打印技术的生产应用过程中，借助了3D打印合作伙伴EOS的增材制造经验。德国奥迪股份公司与德国工业级3D打印制造商EOS 建立了伙伴关系，双方的合作涉及到奥迪全面部署工业增材制造技术，并奥迪在英戈尔斯塔特建立相应的3D 打印中心。通过这种合作关系，奥迪从EOS 获得的支持包括：提供适合的增材制造系统和生产流程，共同进行3D打印的应用开发，构建内部的增材制造知识，将奥迪工程师培训成为内部增材制造专家。

EOS表示，在公司成立的前二十年中（即：1989年-2009年），用户主要是将3D打印技术应用于快速原型制造领域，目的仅仅在于加快产品开发和上市速度。而近年来越来越多的制造业用户开始探索如何将3D打印技术用于真正的批量生产。由于3D打印技术应用目的不同了，用户所面临的挑战以及需要3D打印企业提供的支持与早期快速成型时期的要求已完全不同。如今，成功应用增材制造技术，特别是金属3D打印技术的关键在于用户是否能够确定一个或者多个最能够通过该技术受益的应用。同时，用户必须积累相关了知识和经验。用户在应用增材制造技术之后，需要随时准备以灵活的方式来适应最终客户对3D打印零件的要求。

慕尼黑Additive Minds（增材思维）团队（由EOS 提供）

然而，真正具备深厚的增材制造技术知识的公司寥寥无几，只有少数公司能够利用增材制造开发出真正革新性的创新。对于刚刚接触该技术的公司而言，开发用于批量生产的应用颇具挑战。因此，像奥迪这样的大型企业现在会与经验丰富的3D打印行业伙伴共同走过这段开发之旅，行业伙伴不仅提供支持服务，还能助力他们实现增材制造批量生产，由此为企业带来优势。

为德国奥迪提供全面部署工业增材制造技术服务的是EOS的咨询部门——Additive Minds （“增材思维”）。Additive Minds（增材思维）从咨询服务、创新中心和客户研究院三个核心领域为初涉金属增材制造领域的企业提供支持，其中包括从直接的员工培训到完备的应用开发支持以及全面的生产基地规划等各种服务。

Additive Minds（增材思维）咨询服务可解决各个客户的个性化需求。提供的咨询服务涵盖从技术基础、适合增材制造生产的零部件选择、设计以及增材制造兼容工程设计到生产规模调整及验证的整个周期。

Additive Minds（增材思维）研究院额外提供一系列增材制造培训课程和研讨会持续时间为 2 天至 6 个月不等。这些课程涵盖增材制造技术的方方面面，从部件筛选及选择到参数调整、晶体结构以及熔池监控等均有涉及。

克赖灵总部和园区，位于距慕尼黑市中心30 分钟车程的市郊

（由慕尼黑的Mayr | Ludescher |Partner 提供）

3D打印用户可派遣一支工程师及技术人员团队到EOS Additive Minds（增材思维）创新中心，Additive Minds（增材思维）的专家团队将在6到 18 个月的时间内对用户的技术团队进行培训和提供发展指导。在此期间，双方有可能共同开发新的3D打印应用，直至该应用进入生产阶段。在此阶段结束后，用户的技术团队能够将所掌握的知识立即应用于生产。通过这种合作，用户会掌握充足的知识，帮助他们在以后自行开发更多增材制造应用。在EOS克赖灵总部的创新中心，在全球不同区域的 EOS 创新实验室以及客户现场（即客户私有的‘卓越中心’）都能见到这种合作。

第一次经历内部3D打印应用开发流程的企业都能够意识到，3D打印应用开发周期的长短对于项目的成败至关重要。所有企业能够给到一项新的3D打印应用项目的预算和时间都是有限的。EOS表示，通常用户将3D打印技术应用于一项新的批量生产任务的探索周期为2年，与Additive Minds（增材思维）创新中心合作的用户，则可以在 6 到 18 个月内采用增材制造技术进行批量生产。

近年来，金属增材制造的流程、技术、应用以及材料方面都在快速的发展。对于计划将3D打印技术用于批量生产的公司而言，需要经历实质性的转型才能成功的将这项新技术融入到日常的业务中。EOS 表示，通过提供Additive Minds (增材思维)服务，用户将在向增材制造转型的过程中得到充分支持，从而成为所在行业应用3D打印技术的佼佼者。

文章来源：EOS
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那么，voxeljet这家德国公司“接盘”美国麻省理工发明的3DP技术发展得怎么样了? voxeljet的产品线布局遵循什么样的思路？voxeljet基于3DP技术在做哪些更深层次的研发？对于voxeljet的另外一项应用技术-HSS高速激光烧结技术，voxeljet进入这个市场的理由是什么？面对中国市场，voxeljet如何把握机遇？

3D科学谷特别与谷友分享《Insights.视角》人物采访系列之voxeljet篇，本期对话的嘉宾是voxeljet创始人Ingo Ederer博士。

图片：从左到右（ 王晓燕/3D科学谷,Ingo Ederer博士/voxeljet)

 商业价值观：客户喜欢

3DP技术-粘接剂喷射3D打印技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。技术优势在于成型速度快、无需支撑结构，而且能够输出彩色打印产品。

到2016年底，voxeljet累计装机量为124台，这其中的销量冠军是VX1000。VX1000是在2011年推向市场的，目前装机量大约为56台，几乎占掉了所有装机量的一半。根据Ingo Ederer博士，VX1000在市场上受到了广泛的欢迎是因为这台设备可以满足大多数应用的需求，客户喜欢这台设备还因为它可以打印多种不同的材料，既可以打印砂模，又可以打印塑料；不仅可以用于铸造业这样的工业领域，还可以用在《星球大战》等电影道具这样的娱乐产业。

比VX1000更大的尺寸是VX2000, VX4000。那么，为什么介于VX1000与VX2000之间，voxeljet并没有推出一个居间型号，例如VX1500？voxeljet布局产品线的思路是什么？Ingo Ederer博士认为目前需要更大打印尺寸的市场需求落在了VX2000可以满足的区间，如果市场的需求足够支撑新型号的市场投入成本，让voxeljet认为有必要推出类似于VX1500这样的型号，那毫无疑问，voxeljet会根据市场的需求来推出新型号的设备。

图片：从左到右（Ingo Ederer博士/voxeljet, 王晓燕/3D科学谷，Johannes Pesch/voxeljet, 金天拾/voxeljet） 

“客户喜欢”是Ingo Ederer博士经常提起的一个词，短的交货时间和高度的灵活性对企业的竞争力很重要，如何合理地把这两者联系起来，同时又很经济？拿voxeljet的3D打印砂型和型芯设备来说,相比于传统的生产方法。其设备的灵活性包括没有必要担心传统方式无法实现的干涉和角度问题。而且对组件的更改也不需要重新开模具，可以快速和更容易地进行。满足薄壁及复杂的几何形状，灵活的修改调整，3D打印对传统的制造模式形成有力的补充。

图片：voxeljet-维捷大型3DP设备，适合重工业

在大尺寸的砂模打印方面，铸件尺寸越大，需要制造的砂芯数量就越多。3DP技术用于大型铸件砂模制造方面存在着砂芯排气、砂芯固定，以及外冷铁设置和固定等挑战。例如，在柴油发动机的铸造中对于砂模的要求是很高的，需要保证砂型的形状尺寸，以及形状之间的相对位置，能够保证铸件的壁厚均匀。一个典型的例子，voxeljet在满足客户曼的柴油发动机缸盖的砂型模具制造需求的时候，挑战还来自于紧迫的时间压力——曼希望在两周内完成砂型模具的制造并将发动机缸盖铸造出来。模具由一个顶部和底部的外框以及19个核心部分组成，其中7个核心部分具有不同的几何形状，砂型模具被分为两半，还包括了溢流口、冒口和排气孔等部分。满足曼的要求是挑战巨大的，此外曼选择通过3D打印来制造砂型还因为这个发动机缸盖的设计包括了很多干涉部分，而3D打印的自由造型能力可以充分克服这些挑战。voxeljet所用的打印成型材料为190μm平均晶粒尺寸的沙粒，打印层厚为0.4毫米。这样的系统工作了29个小时将两块砂模打印完成，满足了曼严格的交期和制造精度要求。

 开拓精神：与客户一起探索

毫无疑问，打印材料开启设备的无限潜能，voxeljet正在花费精力开发诸如铸造用铬铁砂、PMMA塑料、陶瓷、碳化硅、硬质合金和水泥等新材料，那么，这些新材料的应用空间有多大？

Ingo Ederer博士认为这些材料为voxeljet本身和用户提供了许多探索开发的空间，你永远不知道结合着材料与打印技术将揭示出多么神奇的市场空间。拿陶瓷来说，voxeljet正在出售越来越多的设备是用来打印陶瓷的，而且相比于市场上其他的陶瓷3D打印技术来说，voxeljet的陶瓷打印优势在于尺寸大，速度快，对于一项技术是否有市场前景来说，答案很简单，那就是客户说“Yes”。

关于硬质合金的打印，德国弗朗霍夫（Fraunhofer）研究所的研究人员已经成功地使用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，能够轻松创建复杂的设计。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。

虽然通过3DP技术来打印硬质合金刀具并未进入到产业化领域，Ingo Ederer博士认为voxeljet要做的是一方面持续性的做新材料的研发，另一方面重视与市场交流，新应用的开发与客户有至关重要的作用，有时候你的设备到了客户那里，他们将应用发挥到另一个级别，这是一个相辅相成的过程。

除了深耕3DP技术与应用，voxeljet还在进入与注塑工艺竞争的塑料件直接打印。对于voxeljet所获得授权使用的HSS高速激光烧结技术，HSS被认为是降低SLS零件成本的手段，以使3D打印与诸如注塑等大规模制造技术具有竞争力。通过更换SLS中使用的昂贵的激光器并增加机器的生产能力，可以达到与注塑成型竞争的速度和成本来烧结零件。之所以进入到这一领域，Ingo Ederer博士认为原因很简单，为了进入生产领域。

图片：voxeljet的HSS高速激光烧结技术制造的New Balance鞋中底

面对未知的未来，保持开放的心态。在笔者看来，Ingo Ederer博士身上有一种创业者与企业家的特质，那就是技术之外，保持对未知的好奇心。这种好奇心驱动着他肯于持续性的投入研发。在美国纽交所上市无疑将voxeljet放到了多重的股评与分析师审视之下，企业的利润与股价直接相关，如何平衡短期利益与长期发展之间的矛盾，是每个企业在经营核心业务之外所面对的挑战。

 服务步伐：正在加快

2017年第一季度，voxeljet的服务销售同比增长了35.9%。2017年5月16日，voxeljet-维捷中国在苏州吴江区完成新工厂的奠基仪式，新厂房建筑面积约7500平方米，将服务亚洲的砂模与精密铸造模具3D打印需求。

图片：voxeljet维捷中国服务中心奠基

目前全球范围内，voxeljet服务的客户群包括奔驰、宝马、福特、保时捷、大众等。下一步，Ederer博士认为一方面这种设备采购和打印需求呈现出延伸的趋势，更多中等规模的客户加入到这一群体中来，voxeljet正在围绕着其核心技术为客户提供一揽子交钥匙解决方案，其中包括自动化解决方案。另一方面，中国的国土很大，有着不同的地区特点，voxeljet充分尊重其客户的需求，配合客户的发展需要，进行中国服务战略的升级。

关于德国，关于中国，有多少差别？一方面，Ingo Ederer博士觉得德国在发生着转变，很多事情值得破除我们对德国所定义的自我、保守的印象。一切皆有可能，一切都在变化中。同样对于中国的市场，Ingo Ederer博士感到这是个安全、上进的国家，毋庸置疑，中国市场对voxeljet很重要。深知中国的市场对价格的敏感程度更高的同时，Ingo Ederer博士认为没有必要惧怕竞争，更没必要止步不前，因为竞争本身是一件对客户来说更加公平的事情，而客户对价格的认可来自于对品质的认同，voxeljet要做的就是将品质贯穿在价格中，让客户感到物有所值。

服务好客户，看到“客户喜欢”是voxeljet心之所向。

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