近年来，航空航天制造领域对材料的要求不断提升。碳化硅（SiC）基陶瓷复合材料（CMC）因具有高比强、耐高温、低膨胀等众多优点，被广泛应用于航空航天、光伏电子、半导体等国家重大战略装备、核心支柱产业。

但CMC-SiC属于高硬度、高脆性且各向异性的难加工新型材料，传统制造工艺存在复杂构件成形难、废品率高、工序长、成本高等诸多问题，复杂结构难以甚至无法制造，严重制约了其在高新技术领域的发展步伐。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

华中科技大学材料科学与工程学院史玉升教授团队专注于增材制造材料、设备、工艺及软件的系统化研究。该团队的李晨辉教授从事陶瓷材料研究20余年，自2013年开始聚焦于3D打印陶瓷材料的制备、成形、烧结全流程技术的开发、研究与技术服务。目前，李晨辉教授采用SLS增材制造+反应熔渗方法，在华曙高科403P系列设备上成功实现复杂碳化硅陶瓷零件打印和后续烧结工艺，取得重大突破。

3D打印碳化硅基陶瓷材料可以稳定做到抗弯强度≥250MPa，密度≥2.95g/cm³，可实现米级大型构件和毫米级精细结构的增材制造，并成功开发涵盖材料、工艺、后处理全套工艺技术，在某些重要领域取得实质性应用。

 3D打印碳化硅陶瓷典型应用

随着光伏电子、半导体行业的崛起，科技的发展对芯片的需求量日益剧增。李晨辉教授等人采用华曙SLS设备，可直接成形大跨距、小杆径等复杂精细结构SiC陶瓷构件，成形尺寸精度高（变形小于1%），满足半导体等领域对SiC构件高纯度要求，且纯度最高可达99.999%。

在节能环保领域，SiC陶瓷构件可实现无焰充分燃烧，节约能源并减少排放，负载催化剂会大幅降低污染物分解温度，在低热值气体利用、废气处理和垃圾焚烧等领域有很大的应用前景。

 华曙高科SLS解决方案优势

作为工业级3D打印领航企业，华曙高科充分发挥自身在金属、高分子增材制造领域的技术优势，提供涵盖设备、材料、工艺、技术支持于一体的全产业链解决方案，助力高校科研用户在新材料、新应用等领域不断深入探索，不断实现碳化硅陶瓷等新型材料在不同应用领域的创新突破。

• 材料范围广：对于材料适用性强，打印成功率高。
• 多区温控专利技术：403P系列设备采用动态聚焦技术，同时配置华曙独创多区独立温控专利技术，热场十分均匀稳定，温差严格控制在±4℃以内，确保碳化硅基陶瓷材料烧结过程的稳定性和均匀性。
• 深度开源：主要的温场和能量参数开放用户，适合科研培训和新材料的研发应用。

碳化硅陶瓷制备技术的高速发展，使得其性能不断提高，这将进一步推动碳化硅市场的发展。3D打印技术作为高端装备制造领域的重要技术手段，始终致力于解决传统制造工艺提出的挑战，在实现陶瓷材料无模成形、缩减产品设计周期、精细陶瓷微结构等方面发挥着极其重要的作用。华曙高科也将持续技术创新，助力科研事业创造更大的价值和效益。

8月28-30日，华曙高科亮相深圳Formnext+PM South China，现场展示华曙高科碳化硅陶瓷、PEEK、PPS等新型材料增材制造解决方案和创新应用。华中科技大学李晨辉教授还将现场分享《SLS打印碳化硅工艺及其应用》主题演讲，欢迎莅临华曙B01展台现场交流！

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近日，表面技术和增材制造解决方案的领先供应商欧瑞康，在 SEMICON West 2024 上推出突破性的增材制造解决方案，以高效和精确的方式彻底改变半导体设备制造。

▲ 3D打印热交换组件
© 欧瑞康

热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破以及对后处理、产品机械性能的预测与控制。

3D科学谷

▲ 3D打印热交换器
© 3D科学谷白皮书

 让设备更好用

在今年的 SEMICON West 贸易展上，欧瑞康 AM 自豪地推出了其在增材制造 (AM) 技术方面的最新进展，有望彻底改变半导体设备制造。增材制造通过为资本设备制造商提供前所未有的设计灵活性以及从原型设计到定制零件生产的无缝过渡，正在改变行业。这一突破带来了立竿见影的好处和显著的竞争优势。

欧瑞康增材制造的突出优势之一是改进了关键部件（如基座或卡盘）的热管理。这种改进可提高设备精度、加快处理速度并提高整体生命周期价值。此外，欧瑞康的增材制造技术正在优化复杂歧管内的流体流动，从而进一步提高设备性能。

可以见得，增材制造通过改进热管理和优化流体流动来增强半导体设备制造。

欧瑞康通过3D 打印技术实现结构一体化的优化设计，生产出具有更高强度和强度重量比的轻质高强度部件。增材制造技术可以优化关键部件的热管理，提高设备精度和处理速度，延长设备使用寿命。这些部件还具有耐腐蚀性，可提高耐用性并延长设备的使用寿命。此外，欧瑞康增材制造通过消除劳动密集型钎焊和多部件组装的需求，简化了制造流程。这种简化不仅缩短了生产时间，还降低了成本，加快了新半导体设备的上市时间。

 长期向上

金属3D打印已被认为是传统半导体生产的潜在长期替代方案，鉴于其令人难以置信的复杂性，半导体芯片的3D打印还需要一段时间，但随着世界努力去创造足够的GPU来推动人工智能的繁荣，英伟达和其他公司有动力加速这一发展。利用现有的芯片处理技术，即使是非常小的设计变更也需要几周的交付时间：下一代 3D 打印技术旨在消除这种延迟，从而减轻供应链的压力。

© 3D科学谷白皮书

3D打印还可以成就更好的产品性能，根据《创成式设计和增材制造重定义芯片光刻机晶圆台的热管理性能》一文，在下一代增材制造晶圆工作台部件的设计开发中，正在从人工设计向计算机生成（即创成式设计）和人工辅助设计（相对于计算机辅助设计）过渡。举例来说，3D打印可以最大限度地提高晶圆台的热均匀性，同时不引起系统中的流体压力下降。先进冷却策略的一个额外好处是缩短热稳定时间，提高生产效率。通过新颖的创成式设计方法（使用Diabatix的 ColdStream平台）可以自动生成最佳的自支撑冷却结构，降低了整体温差，将流体压力保持在系统要求的范围内，并使整个系统生产晶圆产品的周期缩短。

此前另一个案例是通过3D打印晶片卡盘，可以提高定位速度，降低半导体行业的成本。对于ASML这类公司来说，每小时可以移动的晶圆数量非常重要。晶片台越轻，加速越容易，因此生产率越高，这对ASML来说具有很高的价值。一个典型的解决方案是Additive Industries提供的，Additive Industries制作了ASML卡盘的两个原型，已经实现了30％的重量减轻，并且平台仅重约8公斤。

 抢滩生态圈布局

3D科学谷认为半导体相关产业链正在“抢滩”3D打印技术，“半导体光刻机”被称为“史上最精密机器”之一，在这方面，尼康作为全球为数不多可以生产光刻机的制造商，无独有偶，尼康早先就通过资本投资进入到金属3D打印领域。在尼康长达一个世纪的尖端光电和精密技术基础之上，2019年，尼康成立专门事业部加速推进先进制造等新增长业务。从那时起，通过利用战略投资产生的协同效应，包括收购全球金属增材制造解决方案提供商 SLM Solutions Group AG (SLM)，以及在此之前收购端到端增材制造解决方案提供商 Morf3D Inc. (Morf3D) ，尼康向数字制造产业化迈出了重要一步。

关于尼康收购 SLM Solutions的战略出发点，3D科学谷曾给出了两个判断，一个是尼康的测量技术将进一步提升SLM Solutions设备的智能化水平；另一个战略出发点是金属3D打印将提升尼康在光刻机领域的技术地位。

正如轮胎巨人米其林投资了3D打印企业Addup, 阿迪达斯投资了Carbon，随着3D打印对重塑下游企业竞争力的重要性显现，这一价值链的变化也在影响和重塑投资逻辑。

欧瑞康在材料开发和生产方面拥有超过 85 年的经验，为增材制造提供了全面的金属粉末产品组合。这些高品质粉末包括镍、钴、铁和钛合金，每种粉末都经过严格设计、测试和制造，以满足严格的行业标准。欧瑞康的开创性 AM 增材制造解决方案代表了半导体行业的一项改变游戏规则的进步，在这方面，欧瑞康正在为效率、精度和创新设定新标准。在3D科学谷看来，欧瑞康将这些创新带入半导体市场也进一步验证了包括尼康、英伟达等半导体芯片领域巨头抢滩3D打印产业链布局的商业逻辑。

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▲ Keene增材制造公司创始人Chris Dubriske
© Raise3D

随着对3D建模和打印技术的深入学习，他的团队开始为当地企业提供打印服务，进而发现了3D打印在实现定制设计创新方面的独特价值，这促使Keene应运而生。Keene不仅为当地机加工车间提供合同服务，包括原型设计和定制设计工作，还专注于为渔业设计和制造专有产品。

 3D打印如何改变Keene的游戏规则

在传统制造中，泳池航道浮球通常采用塑料或塑胶材料，特定的浮球由上下壳体组成，通过二次注塑熔接形成空腔。上下壳体的外壁环设有凸沿环，通过密封中环紧密覆盖连接处。而高韧性固体浮力材料由环氧树脂、固化剂和弹性微球混合而成。

凭借之前在照明设计和制造领域的丰富经验，Dubriske 利用 Raise3D 打印机对父亲的浮球产品制造进行了改进，通过3D打印技术将原本分散的多个组件合成为一个完整的单元，简化了生产流程，省去了传统工艺中泡沫雕刻和环氧树脂覆盖的复杂步骤。

Dubriske特别赞赏3D打印技术在设计变更上的便捷性，它不仅可以迅速响应设计需求的变化，为产品的创新设计提供了更多可能性，还大幅提高了生产效率。

 数字化制造创新解决方案

Dubriske选择 Raise3D 打印机的原因有很多，包括可靠性、技术支持、IDEX独立双喷头和大构建体积等多重优势，Raise3D E2 的 IDEX 独立双喷头系统尤其吸引了他。

它允许在打印小零件时，使用复制模式左右挤出机同时打印两个零件，镜像模式下对称部件同步打印，基本上相当于花一台打印机的钱买了两台。

▲Raise3D E2 近程挤出机构，更适合柔性材料的3D打印

随着公司业务的扩展，Dubriske还选择了 Raise3D Pro3 打印机，以满足更大的构建体积和Z轴容量需求，Pro3 的高精度、稳定运行等特点为Keene提供了强有力的支持。

 Hyper FFF® 高速生产

通过升级到 Hyper FFF® 高速打印技术，Keene大大提高了生产能力。“它真的使我们的挤出量增加了两倍多，”Dubriske说。一个曾经需要30小时的零件现在可能只需要14小时甚至12小时就能打印完成。

最近，Keene收到了一份高打印请求的紧急任务，本该需要50小时的打印任务被Pro3 3D打印设备和 Hyper FFF® 技术 缩短至仅16小时，Keene 能够在第二天就发出打印件。Dubriske表示，如果没有Hyper FFF® 升级，他们很可能无法接受这项工作。

 Raise3D生态系统建立高效工作流

Raise3D 生态系统的无缝集成，包括ideaMaker® 切片软件、Raise3D 打印机和 RaiseCloud 系统，实现高效的打印过程，为 Keene 增材制造公司节省了大量时间和精力。

“拥有已经为所有 Raise3D 机器设置好的 ideaMaker® 配置文件，适用于所有不同的材料，真的是一个巨大的时间节省。你从一个非常好的起点开始，失败率非常低。”他补充说，由于这种集成，零件出来的质量非常高。

“ideaMaker®和 RaiseCloud 与所有机器的集成使一切都非常高效，”Dubriske说。

“你可以远程控制它，监控整个打印生产过程，你也可以看到是否有任何机器存在问题。因此，这些对我们来说都是巨大的好处，我非常满意使用 Raise3D 打印机。”

 携手Raise3D 迈向柔性制造新未来

展望未来，Keene计划继续购买新的 Raise3D 打印机，包括E2CF型号。Dubriske对通过 Raise3D 样品打样收到的 E2CF 打印的玻璃填充尼龙样品零件的质量印象深刻。

他欣赏零件附带支撑材料，这样他可以了解材料的感觉、外观以及它与零件的适配度，并期待在未来的业务扩展中使用更多 Raise3D 产品。

▲多样化应用：从产品设计阶段到工装治具

“我们对 Raise3D 打印机非常满意，”Dubriske说。Keene 从只有一台 E2 扩展到8台打印机，团队利用了整个 Raise3D 生态系统。

Dubriske表示，客户技术支持响应非常迅速，帮助解决问题，并尽快提供新零件。他补充道：“我们期待未来有更多的打印机推出！”

总体而言，Raise3D 提供的可靠性、速度、客户支持和无缝生态系统为Dubriske创造了一个全新的增材制造业务，并在定制设计创新上取得突破。

随着3D打印技术的不断进步，Keene有望继续在制造业的下一代中发挥重要作用，无论是快速原型制造、夹具和固定装置，还是终端零件的生产。

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▲ 支持高通量3D打印
© ORNL

 提高效率与精度

Slicer 2的更新版软件旨在提高大幅面3D打印的切片效率和精度。Slicer 2通过优化切片算法和处理大型数据集的能力，显著提高了3D打印过程中的效率和可靠性。它能够与多种类型的3D打印机连接，创建集成平台并与传感器通信，以提高打印精度。ORNL Slicer 2具有500多种设置，能够控制单个零件、层或区域的内部结构、形状、温度和其他参数，并且能够与模拟软件连接，模拟增材制造过程中的热量和应力关系。该软件适用于颗粒热塑性塑料、长丝热塑性塑料、热固性塑料、混凝土、激光丝焊接、MIG 焊接和送粉定向能沉积AM增材制造系统。

ORNL Slicer 2的更新版本在GitHub上发布，它提供了易于添加的语法、网络功能、闭环反馈机制、完全控制路径过程的能力、对实验系统的支持，以及面向未来目标的开发计划。ORNL Slicer 2是一个开源计算机程序，已有50多家设备制造商、工业终端用户和大学在使用。这款软件的推出，有助于推动3D打印技术在金属和复合材料制成的大型物体上的应用。

根据ORNL 研究员Alex Roschli ，3D打印物体的质量与控制机器运动的刀具路径的准确性和复杂性直接相关。ORNL Slicer 2 软件可直接与各种类型的3D打印机连接，以创建集成平台，并与传感器通信以提高打印精度。Slicer 2 软件可提高增材制造过程的可靠性和可重复性，结果是增材制造商能够以比传统加工方法更少的机器和更低的成本生产大型工厂零件。

3D科学谷了解到目前ORNL Slicer 2 的研究在 ORNL 的能源部制造示范设施中进行。MDF 由能源部先进材料和制造技术办公室支持，是一个全国性的合作者联盟，与 ORNL 合作创新、启发和催化美国制造业的转型。ORNL Slicer 2 是一个开源计算机程序，可在 GitHub 上获取，并被 50 多家设备制造商、工业终端用户和大学使用。

 突破进行时

根据德国ACAM亚琛增材制造中心，3D打印极具潜力，然而当前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，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指数级别的增加，这反过来使得要实现盈利成为非常具有挑战的事情。

如何实现高通量3D打印的智能化是突破两难境地的必须要经历的挑战。

在高通量3D打印方面，设备端呈现出越来越大、越来越快速的3D打印设备，材料端呈现出高通量快速合金开发解决方案，而Slicer 2这样的软件配合是应趋势而生。根据3D科学谷的市场观察，3D打印实际上是软件和数据驱动的自进化智造技术。增材制造软件正在由作为协调者的平台驱动实现更深入的合作，软件具有更多的模块化以及对自动化和数据库的更多关注，这是当前典型的发展趋势。通过生态系统平台支持的软件解决方案，将充分发挥其潜力。

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▲ 西屋电气3D打印将底部喷嘴抗碎片能力从65%提高到96%
© 3D科学谷

▲ 3D打印在核能发电领域的应用
© 3D科学谷白皮书

 更安全

根据3D科学谷的市场观察，核能发电燃料组件的制造是一个复杂的过程，涉及到多个方面的技术挑战：

材料选择：核燃料组件的材料需要具有极高的耐腐蚀性和耐高温性能，以承受反应堆中的恶劣环境。选择合适的材料并确保其性能满足要求是一个挑战。

精密加工：燃料组件的制造需要精密的加工技术，以确保组件的尺寸和形状符合设计要求。底部喷嘴作为组件的一部分，其精度直接影响到整个燃料组件的性能和安全性。

质量控制：在制造过程中，必须进行严格的质量控制，以确保每个部件都符合核安全标准。这包括对喷嘴等关键部件的检测和验证。

由于3D打印技术可以成就复杂的产品形状并制造更加特殊的材料，研究和开发不同类型3D打印技术在核能领域的应用对下一代核能的发展变得越发重要。

西屋电气有限责任公司已使用增材制造技术制造底部喷嘴，以提高核燃料组件内的碎片捕获能力和燃料耐久性。据报道，这些喷嘴是核工业的首创，它们被集成到四个铅测试组件中，这些组件于 2024 年第一季度交付给阿拉巴马电力公司的 Joseph M Farley 核电站，该核电站由南方核电公司运营。

燃料棒包层上的碎片磨损作用（称为碎片微动）是压水反应堆 (PWR) 燃料组件泄漏的主要来源。增材制造技术通过增强的设计自由度显著改善了碎片过滤，从而减少了可进入反应堆的碎片直径。

西屋电气通过增材制造实现的这项针对压水反应堆重大技术创新减轻了燃料棒因碎片堆积而泄漏的风险，增强了客户运营的安全性和效率。

 更可持续

如果说发动机是飞机的“心脏”，那么核反应堆堪称为核电站的“心脏”了。与航空工业发生的3D打印产业化进展类似，3D打印正在开发中永久性地改变核能技术的过程中，3D打印和先进的制造技术可能彻底改变核能工业，以小型堆推动能源系统的低碳转型。

3D科学谷

根据3D科学谷的市场了解，核能发电是用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带动发电机一起旋转而发电，并通过电网输送给消费者。核能发电是解决2050年全球达到二氧化碳排放为零的重要支柱，然而，在未来 30 年内，许多现有的核反应堆可能会退役，因为它们基于 70 年历史的轻水技术。

西屋电气正在获得一系列的技术突破。通过引入增材制造技术-3D打印技术，可以在不进行进一步组装或焊接过程的情况下打印西屋电气开发的隔离栅。西屋电气设计的间隔栅具有沿着细长燃料组件的竖直轴线的轴向尺寸，核燃料组件格栅包括多个管状燃料棒支撑单元，具有四个横截面通常为正方形的壁。在相邻的燃料棒支撑室或控制棒支撑室中，每个壁的内部支撑垂直弹簧。西屋电气还考虑了一种混合叶片，该混合叶片在燃料杆支撑单元之间的区域中，连接至燃料杆支撑单元的外部。

2015 年，西屋电气进行了首次增材制造核部件的材料辐照研究之一。2020 年，西屋公司在一个正在运行的商业反应堆中安装了其首个安全相关的 AM 组件——顶针封堵装置，这一成就突显了3D打印技术在核工业等严格监管环境中部署经过认证的组件的可行性。2024 年，西屋电气成功生产了第1000块用于VVER-440燃料组件的3D打印燃料流板，这标志着该公司在增材制造技术方面取得了又一重大进展。这些3D打印的燃料流板对VVER-440反应堆的运行至关重要，并且已经成功集成到组件中，显著提高了整体性能。

总之，通过西屋电气的案例可以看出由于3D打印技术可以成就复杂的产品形状并制造更加特殊的材料，研究和开发不同类型3D打印技术在核能领域的应用对下一代核能的发展变得越发重要。

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根据公安部交通管理局的统计数据，截至 2023 年底，全国新能源汽车保有量达到 2041 万辆，占汽车总量的 6.07%。仅在 2023 年，就有743 万辆新能源汽车登记注册，同比显著增长 38.76%。

© 3D科学谷白皮书

电池支架作为承载并保护动力电池的主要构件，具备电池系统支撑、散热、防撞、防底部接触等重要功能。它在新能源汽车中属于最为重要的大型部件，在电池组系统里占据关键地位。目前，企业所使用的铝合金电池支架，存在重量大、成本高的严峻问题。再者，这些电池支架需承受重载。然而，铝合金的疲劳性能仅为钢的一半，其弹性模量仅为钢的三分之一，所以在设计层面存在很大的优化空间。

▲3D Systems先进的生成式设计和拓扑优化软件，工程师可以设计具有有机几何形状的支架、连接器和其他部件。

伴随电池组能量密度的市场需求逐步提升，尤其是在新能源纯电动汽车的情境下，车辆总质量降低 10%，电力消耗就会降低 5.5%，续航里程则增加 5.5%，因此我们对于电池组支架开展更多轻量化设计优化的需求愈发迫切。

3D打印技术涉及到运用专门的软件对三维模型实施切片分层，生成横截面数据，而后将其输入快速成型设备。这项技术采用逐层制造的方法来制造实体部件。鉴于这种增材制造手段，3D打印能够高效地生产近乎任何几何形状的部件。其优势涵盖能够处置单件或小批量生产、适应复杂的几何构造，并实现密集的部件组织。凭借3D打印技术的上述优势，其在新能源电动汽车电池组支架开发中的应用，对于加快开发周期以及降低相关成本具备极大的潜力。

周口师范学院机械与电气工程学院的张国庆博士在Scientific reports期刊发表了《Optimization design of battery bracket for new energy vehicles based on 3D printing technology》，在3D打印技术助力下，探究了新能源电动汽车电池组系统的性能强化潜能。

▲论文链接:
www.nature.com/articles/s41598-024-64393-x

 材料和方法

l 设计方法

电池组支架的轻量化策略主要包含轻质材料的应用以及轻量化结构设计的施行，电池组支架的轻质材料应用涵盖铝合金、高强度钢以及复合材料的采用。在众多选择里，鉴于铝合金材料的轻质特质，其成为主流之选。针对于轻量化结构设计，例如碰撞减震、散热、防水、防尘以及绝缘等方面的要素务必予以考量，尤其是在下支架设计方面。就国内纯电动汽车而言，轻量化设计通常涉及降低支架底部的厚度，同时在支架下方融入轻质孔洞来达到预期效果，拓扑优化设计正是基于上述原则。

▲某种电动汽车的电池组系统

l 制造和分析方法

由于此设计旨在开发高性能的轻量化电池支架产品，因此在产品开发阶段属于小批量零件生产的范畴。传统的制造方法，如机械加工、铸造和焊接会极大提高成本，主要依靠3D打印来制造这类复杂零件。为此，使用了联泰科技的Lite600工业高精度3D打印机。

3D打印的支架、外壳和轻量化电池支架需要先表面处理，进行支撑去除，接着用砂纸进行粗抛光，最后用抛光布进行抛光。表面处理过程完成后，将完成的电池组系统组件进行组装以验证配合度。

l 电动汽车下电池托架的强度分析

为便于分析，将设计的下支架模型按比例缩小 0.2 倍。采用 Inspire 软件对下支架进行强度分析。具体的模拟参数如下：导入零件后，单位设置为毫米、千克、牛顿和秒，分析材料为铝合金Al 6061。由于电池支架上的力主要来源于电池，并且此模型中电池的重量约为 100 千克，因此确保电池安装的可靠性十分重要。

因此需要系统且全面地研究电池支架在诸如颠簸道路和急转弯等典型工作条件下的受力情况和变形情况。为了模拟电池支架在颠簸道路条件下的承载能力，在支架底面（Z 轴方向）垂直施加5倍电池重力的表面载荷。考虑到模型按比例缩小，该载荷约为 980 牛顿。固定孔被约束，并选择“更准确”的计算速度/精度进行单载荷分析，同时将分析单元尺寸设置为 5 毫米。

▲电动汽车电池托盘的装载和固定位置

基于前期所述的分析参数设定，将下电池托盘支架的初始模型导入 Altair Inspire 软件开展初始强度分析。经观察可知，下托盘支架的最大位移为1.62 毫米，依据位移分布规律，最大位移出现在电池支架的中心部位。最大米塞斯等效应力为 182.90MPa，体现出存在一些不均匀的应力分布状况，最高应力主要集中在电池支架向上折叠的凸耳部分。此外，最小安全系数大于 1.3，测定的质量值为 0.685 千克，弹性模量为 1.11 MPa，以上各项均满足设计强度标准。鉴于安全系数与弹性模量，在质量减轻方面依旧存在显著潜力。

▲电池载体的受力分析结果：（a）位移云图；（b）应力云图；（c）安全系数。

l 下电池托架的拓扑优化设计分析

为拓展新能源汽车电池托盘下支架的设计潜力，于开展拓扑优化设计之前，预先对电池托盘下支架的轻质孔进行填充可谓至关重要。在拓扑优化改良前后，为下托盘支架设定相同的力分析参数。在 Altair Inspire 软件里，将电池托盘除固定孔以外的部分指定为设计空间，于图4 中以红色凸显，其余部分视作非设计空间，于（a）中以灰色展现。为达成最优的拓扑优化成果，对电池托盘部分实施了形状控制。鉴于该模型的形状特性，设置了对称 + 单向拉出约束。优化目标确立为最大化刚度，质量指标为 30% ，优化的厚度限制为5毫米。

▲拓扑优化参数设置：（a）填充模型；（b）负载和约束设置。

铝合金电池下托盘支架的拓扑优化结果于如下图呈现，从中可观察到托盘在拓扑优化后展现出树枝状结构，诸多区域依旧未相连。即便通过调整平滑结果滑块尝试对这些缺陷予以优化，却发现毫无成效，以致难以执行 PolyNURBS 拟合。再者，鉴于模型本身所固有的复杂性，手动重建亦不可行。正因如此，怎样在保证新能源电动汽车电池组托盘的可加工性之时，切实化解与拓扑优化后模型重建相关的挑战，依然是当前新能源电动汽车电池组托盘轻量化设计的一个阻碍。

▲电池托盘拓扑优化结果：（a）调整前；（b）调整后

l 拓扑优化部件的重建解决方案

基于对拓扑优化后的电池托盘支架结构的进一步分析，托盘支架呈现为树枝状形态，枝干相互交织。传统的逆向重建方法被证明无法取得理想的重建效果。在此研究基础上，相应地提出了一种基于图像的逆向重建方法。该方法包括将拓扑优化后的模型导出为图像，并在其他 3D 软件中运用切割技术去除枝干，保留主干。这种方法以实现拓扑优化模型的可加工性，并在必要时允许重新设计。

为验证该方法的有效性及可行性，将导出的图像和模型同时导入 3D 建模软件 Rhino 6 中进行划线和切割。随后通过布尔运算进行切割，由此可以了解到重建的电池支架结构清晰。支架的下部能够通过冲压制造，而凸耳可以通过铣削或冲压生产。可以使用焊接将支架和凸耳连接起来，以符合企业要求并实现大规模生产。

▲拓扑优化模型的重构：（a）图像和模型的导入；（b）切割线的划分；（c）重构效果。

l 拓扑优化模型的 RecStrength 校准

为便于分析，电池托盘支架的重建模型以 0.2 倍比例缩小。运用 Inspire 软件对电池托盘支架进行强度分析的拓扑优化。具体的模拟参数包括：在导入部件后将单位设定为毫米、千克、牛、秒，并选取铝合金 Al 6061 作为分析材料。作用于电池托盘支架的力主要源自电池，于模型中预估其重量为100 千克。为确保电池安装的可靠性，有必要深入探究电池托盘支架在典型工况（如颠簸道路和急转弯）下的受力和变形情形。

为模拟电池托盘支架在颠簸道路条件下的承载状况，在托盘底面（Z 轴方向）垂直施加相当于电池重力 5 倍的面载荷。鉴于模型的缩放系数为 0.2，该载荷约为 980 牛。载荷于固定孔处受到约束，将计算速度/精度设置为“更准确”，并选择工作条件为单载荷条件分析。

▲电动汽车电池拓扑优化托盘的负载和约束位置

此外，最大米塞斯等效力矩的测量值达 240.7 MPa，相比未开展拓扑优化之时有所提升。不过，底部的分布更为均匀。将最小安全系数设定为 1，符合设计要求。历经拓扑优化后，支架的质量记为 0.348 kg，显著低于未优化前的 0.656 kg，降幅达 50.8%。需要留意的是，在缩放前，支架的初始质量为 85.63 kg，优化后减少了 50.8%，这表明支架的质量减轻了 42.07 kg。模量的测量值为 0.75 MPa，相较于未优化前下降了 67.6%。电池托盘底部的拓扑优化设计意在保证强度与安全性能的基础上降低整体质量，同时保证制造成本处于合理范畴，进而在安全和经济考量之间达成平衡。

▲电池载体的受力分析结果：（a）位移云图；（b）应力云图；（c）安全系数。

l 拓扑优化模型的装配分析

在装配过程中，首先借助 Altair Inspire 软件将几何重建模型导出为“.stp 格式”。而后，把重建模型导入 Rhino 6 软件，在其中用优化后的电池托盘支架替换原始模型的下托盘支架进行装配。在进行全面检查装配冲突后，确认各结构之间不存在冲突。固定支架能通过焊接与电池下托盘支架无缝衔接。另外，电池托盘支架可通过冲压实现批量生产。这种制造方法不但满足企业对可焊性、耐腐蚀性以及抗冲击性的要求，还契合自动化和大规模生产的需要。

▲电池组、托盘和支架的装配效果

 拓扑优化模型的3D打印和装配验证

l 3D打印部件的数据处理

在一定程度上讲，于零件加工里运用3D打印技术能够显著地缩减产品开发周期，并且降低相关成本。在 3D打印流程中，用于放置零件以及添加支撑的各类方法会引发各异数量的支撑和成型层厚度，这或许会对零件生产的质量与效率形成直接作用。更为关键的是，电池包系统零件最初被导入至 Materialise Magics 22 软件之中。具体而言，成型零件与基板间的角度设定为75°，用于尽可能削减特别是在上托盘、下支架和下托盘支架的内部等重要区域过度添加支撑的需求。

对下图中a、b 加以观察，可以发觉3D打印完毕后电池包托盘和支架组件的表面光亮，而且粗糙度较低。确切而言，表面未呈现显著的悬垂熔渣。此外，不存在明显的翘曲或变形缺陷。虽说在固定孔等部分区域增添了一些支撑，或许会对表面光洁度产生一定轻微影响。但仍处于可接纳范围内。其后，把成品零件自基板上拆卸下来，同时开展诸如去除支撑、抛光、打磨、去除表面毛刺以及用酒精清洁等后续处理任务来达成最终的零件模型。

▲3D打印电池包装分析：（a）上托盘；（b）下托盘；（c）下托盘支架；（d）整体组装效果。

如图中c、d 所呈现的组装完成的 3D 打印电池包托盘和支架明确显示，上述两部分彼此紧密贴合，这两部分之间不存在显著的装配矛盾。该观察结果表明，所设计零件的尺寸精确性和对齐程度符合规定要求。

 结论

(1)拓扑优化后的电池托盘支架最大位移为 3.20 毫米，高于拓扑优化前的情况。不过，其改善程度未达预期理想水平。最大米塞斯等效应力为 240.7 兆帕，较拓扑优化前有所升高，然而该应力在底部的分布更为均匀。最小安全系数1 满足设计要求。0.348 千克的质量相较拓扑优化前降低49.2%。拓扑优化后的电池支架最大位移同样为 3.20 毫米，低于优化前，降幅达 49.2%。

(2) 经过几何重构的电池支架结构明晰。支架下部能够借助冲压方式制造，而凸耳能够通过铣削或者冲压工艺予以生产。可运用焊接手法将支架与凸耳进行连接，以此满足大规模生产的需求。

(3) 通过3D打印的电池包托盘和支架部件能够形成具备超低粗糙度的光亮表面。换而言之，在打印表面未能观测到显著的渣块、翘曲、变形或者其他缺陷。在进行组装时，3D打印的电池包托盘和支架验证件相互之间展现出紧密对齐的状态，组件之间不存在显著的装配冲突。

为了增强新能源电动汽车电池包系统的综合性能，后续的实验至关重要。这类实验或许涵盖电池采用高性能冷却水路的3D打印、电池系统抗冲击能力的评定以及其他相关研究。这些举措旨在为优化设计及量产高性能轻量化的电池包系统筑牢根基。

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近日，作为在3D打印中实施AI 的先行者，Aibuild 推出了该公司软件平台的最新版本 Aibuild 2.0，引入了增强的功能、新的战略合作伙伴关系，旨在加速大幅面增材制造行业的创新。

▲ Aibuild从切片到过程控制
© Aibuild

 单个云平台

Aibuild 代表了一个独特的软件类别——在单个 AI 驱动的云平台内无缝集成从切片和优化到实时控制和监控的整个制造过程。

▲ AI赋能3D打印
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Aibuild 平台深受福特、波音和尼康等世界领先制造商的信赖，可在机器人和龙门系统上为各种工业AM-增材制造技术提供全自动加工路径生成，包括聚合物挤压、金属DED定向能量沉积、WAAM、冷喷涂以及混凝土挤压。

新版本的主要功能包括：

完全自动化：平台上的每个操作都是可跟踪和可重复使用的，允许用户定义一次制造策略，只需单击一下即可生成可打印的加工路径。

AI 副驾驶：Aibuild 的内置 AI 助手可自主推荐和执行操作，使所有经验水平的工程师都可以使用 AM。

无缝集成：该软件与不断扩展的AM硬件和材料网络无缝集成，为整个制造过程提供统一的平台，无需反复试验。

无限灵活性：开放平台架构和可视化编程界面允许无限制地创建高级加工路径。

随处访问：Aibuild 安全的、经 ISO 27001 认证的云基础设施无需安装、升级或文件管理 – 使 AM 增材制造工作流程可从任何设备和位置访问。

除了软件增强功能外，Aibuild 还建立了新的合作伙伴关系，以推动行业创新。其中一个值得注意的合作伙伴是意大利大幅面 3D 打印机制造商 WASP。Aibuild 与 WASP 合作，将新的 Cerebro 硬件无缝集成到其平台上作为数字孪生。Cerebro 在 Aibuild 软件上的实施已成功完成，展示了两个系统的完全兼容性，并为利用 WASP 的所有挤出系统（包括颗粒和陶瓷挤出机）开辟了无限可能性。

 进入现实的未来主义图景

把跨时代的转变看作一个缓慢的过程大有裨益，每个微小的变革都让我们更接近于范式的转变，突然之间，物换星移。我们常常忽略的微小变化在逐渐积累，可以把它想象成正在填满容器的缓慢滴落的水滴，滴滴答答的声音让人想起了时钟，传递出一种时光流逝的感觉。当水突然从容器中溢出来的时候，我们惊醒，闹钟铃声大作。

《趋势2030》

根据3D科学谷《洞悉数据与软件赋能增材制造走向智造的发展》一文，机器视觉和机器学习算法就像3D打印设备的眼睛与大脑，赋能设计者与制造者更敏捷的设计与制造能力，赋予3D打印设备监测和控制打印质量的自进化智能制造属性，降低发生打印错误的风险。

在过去十年中，关于 AM-增材制造加工过程监测的论文和专利数量急剧增加。这是因为AM-增材制造加工过程是一个动态过程，更是个数字化的过程，在构建过程中具有改进的潜力。

▲ AI赋能3D打印
© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷的市场研究，人工智能在每个特定领域发挥着越来越重要的作用，包括：缺陷检测和纠正、在构建过程中和构建之后减少残余应力和故障、原位计量和设计精度、微结构设计、合金设计和优化。

根据3D科学谷的市场研究，目前所有算法，包括监督、无监督和强化算法都已在 AM-增材制造中使用。无监督和强化算法可以从过程中本地学习并开发模型，并在同一构建中改变参数以减少错误、最小化缺陷或定制微观结构。在这种情况下，本地监控、本地数据处理、结果分析和本地控制反馈是必不可少的。这需要广泛的数据收集、数据的快速分析和处理以及大的存储空间。

这种快速生产的未来主义图景会从根本上改变整个行业，根据3D科学谷的市场判断，曾经耗时数月的复杂零件的制造，质量保证和后处理方法可以缩短为几天。而这一切，随着类似于 Aibuild 这样的平台化解决方案的完善，一切都在发生。

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这款末端夹具的设计采用了最新的增材制造技术，结合了数字化双胞胎的概念，从设计、仿真到优化，每一个环节都经过了精心的计算和模拟。与传统的大型、复杂且能耗高的末端效应器相比，这款3D打印的末端夹具不仅体积更小、重量更轻，而且操作更为灵活，适用于各种精密的装配任务。

在整个产品生命周期中，这款末端夹具的优势显而易见：成本和二氧化碳排放量降低了90%，小型机器人的使用进一步降低了能耗，能源和维护成本节约了50%。此外，新型末端夹具的生产周期大大缩短，零件数量的减少简化了装配过程，重量减轻超过90%，这不仅提高了生产效率，也使得产品的维护更加便捷。

相关数据
每个构建板上的部件：在 EOS P 500 上制作4 套（=20 个部件）
材料：减碳型 PA2200
每个部件的体积：
夹具抓手：171,13 cm3
末端执行器：1.063.58 立方厘米
连接器：13.54 立方厘米
生产时间：15.33 小时/4 套
后加工步骤：平滑处理
能源消耗：每年 3.614 千瓦时

1. 产品设计与模拟

利用最先进的人工智能自动化拓扑优化技术，可快速生成新的创新设计，实现优化的质量和性能目标。利用聚合建模技术，可以轻松修改这些模型。

以前的机械手由金属制造，重量较大，而且需要组装 30 多个部件，既复杂又耗时。新的夹具是 3D 打印的，只有5个塑料部件。

2. 计算增材制造部件的产品碳足迹

该机械手由 PA 2200 减碳粉末制成。这为将二氧化碳排放量从300千克减少到28千克做出了一定贡献。

解决产品碳足迹问题正在成为企业可持续发展的一个重要方面，对于希望在环保意识日益增强的市场中保持竞争力的公司来说，这应该是一个优先事项。

3. 使用 NX AM 和 EOS 3D打印驱动程序高效、无缝地准备构建作业

将NX作为完整的 “设计-制造 “解决方案，将 NX AM 作为完全支持 EOS 系统的集成构建准备工具。

• 可直接使用本地CAD几何文件 (.prt)
• 零件设计更改可无缝波及制造设置，无需文件转换或代价高昂的构建设置返工
• 支持EOSPRINT的EOS系统的OpenJz 和任务文件可直接在NX AM中生成
• 从2.8开始支持 EOSPRINT 版本
• 多层路径预览和序列

4. EOS P 500 – 工业 SLS 系统 – 可实现自动化

EOS P 500：坚固耐用的机床，可实现最高的机床可用率（>95%）和可重复的零件生产

技术数据

• 成型体积：500x330x400毫米
• 生产率：最高6.6升/小时

客户价值

• 正常运行时间比市场上的传统机器高25%
• 与其他工业级别设备相比，每个零件的成本降低25%
• 提高质量

为工业自动化准备就绪

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在3D科学谷看来，3D打印技术无论是助力电动汽车的研发，还是在全新的车身结构，轻质结构的实现，以及汽车内饰、智能互联方面都有着巨大的潜力。根据3D科学谷的市场观察，Divergent Technologies 正在与布加迪合作，利用 Divergent 自适应生产系统 (DAPS) 设计、设计、增材制造和组装布加迪 Tourbillon 的底盘和悬架组件。

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▲ 布加迪引入3D打印生产线

 提升车辆性能

布加迪的Chiron继任车型Tourbillon采用了3D打印技术来优化车身结构。这项技术的应用使得Tourbillon在车身设计、重量减轻和性能提升方面都有了显著的进步。例如，Tourbillon的底盘和悬挂系统采用了Divergent公司的DAPS增材制造技术，通过铝合金3D打印技术，悬挂重量相比Chiron减轻了45%。这不仅提升了车辆的动态和空气动力性能，也体现了布加迪在追求极致性能和豪华体验方面的不懈努力。

布加迪通过3D打印技术的应用，不仅在性能上取得了突破，也在设计和制造工艺上展现了创新精神。这些技术的应用预示着未来汽车制造的发展方向，也为其他汽车制造商提供了宝贵的参考和启示。

Divergent 的数字化、端到端车辆设计和制造方法使布加迪能够解锁更高效的车辆底盘几何形状制造工艺，从而大幅减轻车辆重量并提高性能。

Tourbillon 的空气动力学设计围绕布加迪的马蹄形格栅、布加迪线、中央脊和双色分割而发展，旨在优化性能，最高时速可达 445 公里/小时。

Tourbillon 由全新自然吸气式 V16 发动机和电动动力系统驱动，可产生 1,800 马力，其中 1,000 马力来自内燃机本身，800 马力来自电动机——两个电动机安装在前轴上，一个电动机安装在后轴上。

亮点

布加迪Tourbillon是一款全新的超级跑车，它是Chiron的继任车型。根据最新的消息，这款车被命名为”Tourbillon”，意为”陀飞轮”，象征着它在速度和技术上的新突破。以下是关于Tourbillon的一些关键信息：

性能：Tourbillon搭载了一台1775匹马力的插电式混合动力系统，包括一台自然吸气V16发动机和三台电动机。发动机本身可输出986匹马力，电动机则提供额外的789匹马力。

电池与充电：新车配备了25kWh的电池，可以提供超过37英里（约59.55公里）的纯电续航里程。它还支持800V高压充电，0-80%的充电时间仅需12分钟。

速度：Tourbillon的最高时速可达276英里（约445公里）。布加迪CEO Mate Rimac表示，新车将比Chiron更快，计划将零百加速时间缩短至2秒，0-200km/h加速时间缩短至5秒以内。

生产与价格：Tourbillon将限量生产250辆，起售价为320万英镑，约合2959.2万元人民币。用户可能要等到2026年以后才能提车。

设计与材料：Tourbillon的每一个表面、进气口和棱线都经过了精心设计，以符合空气动力学和热力学的要求。车内配备了由瑞士制表师设计、制造的仪表盘，使用了钛金属、蓝宝石、红宝石等珍贵材料。

重量与结构：新车整体重量仅有1995kg，采用了完全定制的碳纤维外壳和3D打印部件，以提升刚度并减轻重量

 柔性化批量生产

正如《3D打印与工业制造》一书所述，3D打印技术在汽车制造业中的应用，最终会被未来的汽车设计方向所驱动。下一代的汽车技术正朝着轻量化、智能化、个性化方向发展，汽车的设计迭代周期将继续缩短，3D打印技术、设备制造商应在产品研发时，满足汽车制造的一个或多个发展需求。

根据3D科学谷的市场观察，Divergent 为了加快3D打印汽车轻型悬架和底盘组件的开发与上市，在2019年就宣布购买5台SLM Solutions 的金属3D打印设备作为预生产设备。后续将安装更多金属3D打印设备，以实现为汽车制造商批量生产安全性结构件的目标。

Divergent 制造的超级跑车具有革命性的3D打印底盘结构，还具有经过通用设计和验证的轻型悬架和底盘组件，包括与SLM Solutions联合开发的3D打印设备制造制造的一组控制臂。这些悬挂和底盘零部件是通过SLM Solutions 的金属3D打印设备SLM®800, SLM®500 and SLM®280 制造的，已成功地经受超过45万公里模拟道路测试。

除了设计与3D打印技术，软件在 Divergent的制造蓝图中发挥了重要的作用，Divergent Manufacturing Platform™ 是Divergent 获得专利的软件-硬件平台，该平台中的核心制造技术为粉末床激光熔化3D打印技术，Divergent 利用这一技术从根本上改变车辆结构的设计、工程制造和组装方式。

Divergent 利用3D打印技术具有革命性的底盘结构，通过金属3D打印制造铝制“节点”结构，将碳纤维管材与节点连在一起，通过软件快速实现客户自定义汽车的设计到现实的生产，该软件从空气动力学、材料和安全性等多个角度优化结构件的设计，并且充分考虑汽车的设计以及碳纤维杆和3D打印节点之间的连接。

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然而，随之而来的是如何确保零部件质量的稳定性和一致性的问题。正是在这样的背景下，EOS推出了一种新的曝光策略—激光中心依赖曝光策略（LCDS），旨在解决多激光增材制造技术中的挑战，实现生产效率与质量一致性的双重提升。

EOS 团队通过《实现稳定、一致的零部件特性》白皮书探讨了LCDS 曝光策略。本期，3D科学谷将据此简要分享LCDS曝光策略如何解决多激光增材制造的挑战。

 要效率，更要性能

多激光系统在运行时可能会遇到技术挑战，如光学系统的协调运行、光束和功率的稳定性，以及不同零件的性能一致性，并且多激光器在同时工作时可能会相互影响，这种相互作用与它们之间的距离相关，可能会对3D打印部件的质量产生不利影响。

3D科学谷

EOS M 300-4作为EOS 公司的四激光器金属增材制造设备，专为批量生产而设计。它采用耦合设计的中心成型基板，追求更短的成型时间和激光器全面覆盖基板，同时平衡各激光器的曝光时间，以充分发挥每台激光器的性能。然而，这些需求也带来了工艺开发的新挑战。无论零部件在成型基板上的位置如何，或者使用哪一台激光器，确保零部件质量稳定可靠都是其中一个重要的方面。

▲EOS M 300-4 四激光金属增材制造设备

在多激光器增材制造设备中，激光偏转角度的增大导致了入射角更为平缓，从而影响了熔化行为和机械特性。为了检验偏转角对机械特性的影响，EOS设计了一系列实验，发现随着与激光中心距离的增加，样品的机械特性出现了变化，尤其是断裂伸长率受到显著影响。

▲断裂伸长率与距离因子

 依赖位置的熔化行为

合理的激光路径及激光能量策略对于多激光3D打印至关重要，以确保所有激光器保持工作的时间大致相同，从而最小化每个层的加工时间。

3D科学谷

EOS通过分析不同基板位置的熔化行为，揭示了激光中心位置对熔化材料体积的影响。实验结果显示，填充向量朝向激光中心时，可以添加更多的材料并减少飞溅。

技术名词解释：

激光偏转可以通过以下几种方式实现：

光学元件：使用诸如透镜、棱镜、光栅或光学调制器等光学元件可以控制激光束的方向。

折射：当激光通过不同介质的界面时，其传播方向会因为折射率的变化而改变。

反射：激光束在遇到反射面时，根据反射定律，其方向会发生改变。

衍射：当激光通过一个狭缝或绕过一个障碍物时，会发生衍射现象，导致光束的扩散或偏转。

散射：激光在遇到不均匀介质或颗粒时，会发生散射，导致光束的偏转。

技术名词解释
条纹：在激光选区熔融（Selective Laser Melting, SLM）等金属3D打印技术中，激光束通常按照一定的扫描策略在粉末床上移动，形成条纹状的熔化区域。如果激光的能量分布不均匀或者扫描速度与激光功率不匹配，可能会导致条纹状的不均匀熔化，影响零件的机械性能和表面质量。

阴影：在金属3D打印过程中，已经打印的层可能会对下方未熔化的粉末区域形成阴影，导致激光能量无法均匀到达所有区域。这种阴影效应可能会造成粉末熔化不充分，产生孔洞或者不完全熔合的缺陷。

白皮书尝试解决以下问题的答案：

多激光器增材制造系统面临的挑战是什么？

激光偏转的影响是什么？

LCDS等新策略如何解决这些挑战？

基于这些发现，EOS开发了LCDS曝光策略，根据激光中心进行定向，以减少大幅偏转激光束产生的不良效应。初步实验表明，LCDS策略能够在整个成型基板上实现稳定、一致的零部件特性，同时减少飞溅的产生，从而提高表面质量。

▲左侧是作业布局，右侧是样品显微照片的一部分。激光器3生成的零部件密度显著降低。

在特定条件下，当前的曝光策略揭示出零件的机械特性和孔隙率与激光束偏转角度之间存在相互关系。经过详细研究后，EOS团队揭示了加工结果与曝光的填充和条纹方向之间的相关性。据此，EOS 开发了 LCDS 曝光策略，其曝光图案（填充/条纹）根据激光中心进行定向。初步实验成功地表明，采用LCDS 策略可以在整个成型基板上实现稳定、一致的零部件特性。据悉，由于这些为初步测试，EOS团队很快将发布另一份关于此主题的白皮书。

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