近日，尼康发布最新金属增材制造系统 Lasermeister LM300A 和3D扫描仪 Lasermeister SB100，通过增材制造提供创新的修复解决方案，实现全流程的数字制造工厂自动化。

▲ 尼康工业视觉+增材制造方案组合
© 尼康

 变革修复模式

目前，涡轮叶片用于飞机发动机和发电机，以帮助从热气体中提取能量。然而，由于暴露在恶劣的条件下，这些涡轮叶片会随着时间的推移而退化，并且必须定期修复磨损的叶片才能继续使用。传统的涡轮叶片修复工艺涉及对每个叶片的磨损区域进行切割和刮削，这既费时又产生浪费。然后手动焊接刀片进行修复，并进行磨削以使零件恢复到理想形状。这种严格的维修过程带来了许多挑战，包括难以找到高技能焊工，这可能导致质量一致性问题和较长的交货时间。

由于分布式制造模式的发展，以往的向低生产成本要素的国家和区域积聚的“水往低处流”的制造方式将被极大的稀释。3D打印作为提升制造业附加值创造和改变供应链结构的“利器”，将引导“水的潮汐运动”，即开辟全球竞争的新赛道规则，在这条赛道上，产品的设计以功能实现为导向，这将是整个价值创造的核心，而制造的新迁移趋势将是向高端生产力要素聚集的方向迁移，这不是贸易战的结果，也不是新冠病毒带来的影响，而是制造业可持续发展带来的逻辑结果。

3D科学谷

打造日本的新质生产力吸引力，作为改变游戏规则的解决方案，为了解决传统修复过程中的众多挑战，尼康开发了LM300A 和 SB100，可将传统焊接过程的交货时间缩短高达 65%，并最大限度地减少后处理要求。除了前面讨论的涡轮叶片示例之外，这项创新技术还将为汽车、铁路、机械工业和其他维修应用提供巨大价值。

尼康下一代金属增材制造系统 Lasermeister LM300A，采用定向能量沉积 (DED) 技术，以及配套的3D扫描仪 Lasermeister SB100,是尼康先进制造解决方案组合的最新战略补充。

LM300A 基于尼康经过验证的高精度处理能力，支持扩大的构建区域，并配备了新开发的3D扫描仪SB100。这款先进的3D扫描仪支持工厂自动化，用户只需单击按钮即可扫描每个工件，然后自动生成用于开始3D打印过程的加工路径参数。LM300A 和 SB100 的成功配对为行业带来了巨大的价值，特别是对于修复涡轮叶片和模具等应用。

 无缝扫描和刀具路径生成

只需将工件（例如磨损的刀片）放入SB100内，单击按钮，模块即可开始扫描和测量室内的工件。然后，它使用内置的高精度扫描功能，将当前的实际形状与理想的CAD模型进行比较，以提取差异。然后，SB100 自动生成加工路径参数，用于针对每个损坏或磨损工件进行修复。

© 尼康

整个过程很容易完成，不需要任何特殊技能或手动切割修复区域。然后加工路径数据被传输到 LM300A 以启动增材制造，增材工艺完成后，工件可以放回SB100，在那里进行扫描和检查，以确认修复已达到其理想模型。这种自动化和简化的工作流程可以极大地降低工业用户的成本和交货时间。

 各种金属材料的高精度加工

LM300A 利用尼康半导体光刻系统数十年来开发的先进光学和精密控制技术来执行高精度处理。以涡轮叶片修复为例，LM300A可在XY轴方向进行±0mm至最大±0.5mm差值和Z轴方向±0.5mm至±1.5mm差值的精度内进行加工，实现超高精度。此外，熔池反馈系统的实时激光功率控制可实现光滑的表面光洁度和零件的精确加工，最终实现具有最佳质量和稳定性的无裂纹修复。

能够以高精度构建现有零件并提供与各种材料兼容的先进制造解决方案，这是尼康增材制造技术的主要优势。LM300A支持镍基合金（Ni625、Ni718）、不锈钢（SUS316L）、高速钢（SKH51/M2/HS6-5-2）、钛合金（Ti64/Ti-6Al-4V）等金属材料， 是一个开放系统。

在其2030年愿景声明中，尼康确立了在人类与机器无缝共创的全球化发展中成为关键技术解决方案公司的目标，战略重点是数字制造。而金属增材制造系统 Lasermeister LM300A 和3D扫描仪 Lasermeister SB100工业视觉的集成解决方案，是尼康迈向其愿景的坚实一步。

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世界依靠涡轮机运转：它们无处不在，从火箭和喷气式飞机到发电厂和风车。简单地说，涡轮机是一种旋转机器，利用旋转的机件自穿过它的流体（可以是气体、蒸汽、水或空气）中汲取动能的发动机形式 。

涡轮机充当将存储在流体中的能量转换为可用功率的中介，这与允许风力涡轮机和水力发电利用自然界中的能量的技术相同。叶轮、旋流器、燃烧器、泵和压缩机等涡轮机械部件在非常高的负载和温度环境中使用，这意味着它们必须具有出色的强度和耐用性。 在大多数情况下，涡轮机部件是在铸造过程中生产的，由此将熔融金属倒入模具中，成型为零件。这个过程往往是需要高度劳动密集型和耗时的，模具设计和制造的准备时间很长。

此外，涡轮机械制造业正逐步向新能源经济转型，对发电厂和飞机上使用的涡轮发动机提高效率和降低排放提出了严格要求。

因此，从事涡轮机械制造的公司开始探索包括 3D 打印在内的新制造方法，以解决这些问题并生产性能更好、更具可持续性的涡轮机械部件。使用增材制造技术生产涡轮机零件主要有以下几个优势。

 更快的产品开发

3D 打印有助于缩短新涡轮机械部件的开发周期。要创建功能性原型，工程师不必设计和生产模具等工具，这有时可能需要长达几个月的时间。使用 3D 打印，原型的设计直接发送到 3D 打印机，根据技术的不同，可能需要几小时到几天的时间才能生产出来。

西门子涡轮叶片的开发就是一个例子，该公司使用 3D 打印技术开发和测试燃气轮机叶片的功能原型——组装在涡轮转子周围以引导气流的小部件。

据西门子称，3D 打印叶片原型将组件的开发和验证时间从两年缩短到两个月. 传统制造允许公司在两年内只测试一个零件，而使用 3D 打印，团队能够在两个月内测试和验证多达十种不同的设计。

此外，借助这项技术，可以在真实条件下测试功能性叶片，验证冷却系统并不断改进叶片设计。其结果是显著提高了涡轮机冷却系统的能力，这也有助于延长叶片的使用寿命。

目前，叶片还是以铸造为主，但西门子已经开始转向直接利用 3D 打印完成大部分的制造。

 更快的生产

涡轮机械部件的生产也可以借助 3D 打印加速生产，特别是利用增材和减材一体的打印机，它将金属 3D 打印和机械加工结合到一个混合过程中来生产封闭式叶轮。

叶轮是泵的旋转部件，它将能量从电机传递到流体并加速流体以形成压力，与开式叶轮相比，闭式叶轮还附加有一个前护罩。

传统上，这个组件是铸造的，然而，在这种情况下，铸造工艺承担着生产出内部和表面缺陷小、表面质量有限且交货时间长达 35 天的叶轮的风险。 为了加快这一过程，可以使用一种混合方法，将增材制造和减材制造结合在一台机床中。

封闭式叶轮的工艺从一个小的锻造坯料开始，通过 5 轴铣削操作将其加工成最终的几何形状。当叶轮芯完成后，最终叶轮的剩余几何形状将在激光金属沉积(LMD) 工艺的帮助下径向构建。在这个过程中，金属粉末被推过一个进料喷嘴，在那里它被聚焦激光熔化，然后依次添加到构建平台上。

混合制造方法最终将使其能够在大约四十八小时内生产出一个封闭的叶轮，与铸造工艺相比，时间大幅缩短。

 设计灵活性

涡轮机械 3D 打印的最大优势之一是能够创新组件的设计。这方面的一个例子是零件合并，当一个由多个零件组成的组件被设计为一个零件时，这种设计实践有助于减少装配时间，还可以提高组件的强度和耐用性。

西门子通过在 3D 打印的帮助下重新设计燃气轮机燃料旋流器来说明这一优势。旋流器是负责在燃烧器燃烧之前混合空气和燃料的部件。通常，旋流器由十个焊接在一起的铸造和机加工零件组成。对于传统设计，加工和焊接步骤通常占每个旋流器大约 6 小时的加工时间，不包括铸造时间。

为了缩短制造时间，西门子重新设计了旋流器组件，将叶片、护罩和安装座集成到单个增材制造 (AM) 设计中。为满足应用的高温要求，旋流器采用专有的固溶强化铬镍铁合金制成。

目前，该公司可以在 EOS M 400-4 四激光粉末床融合系统上一次打印 16 个旋流器，完整构建需要长达一百个小时。

3D 打印在涡轮部件生产中的成功应用让西门子坚信该技术将有助于未来开发更强大、更环保、更耐用的燃气轮机和部件。

 更快的修复

3D 打印的另一个好处是提供了更便捷的修复工艺，比传统修复方法更快。选择性激光熔化 (SLM) 可用于修复零件的两种技术。

与传统的切割和焊接红线相比，使用 SLM 紫线修复燃气轮机燃烧器所需的更换件要小得多 [图片来源：西门子]

除了 3D 打印涡轮机零件，西门子还开发了一种修复损坏部件的方法。该过程的一个示例是燃烧器尖端修复程序。燃烧器的尖端暴露在燃烧室内的热气和热辐射中，这意味着它会很快磨损并需要更换。西门子能够开发定制的 SLM 机器，建立更快、更经济的维修程序。

使用3D 打印的主要好处是 SLM 修复需要移除和更换的燃烧器尖端的面积要小得多。

一旦受损区域被切除，整个燃烧器就会被放置在 SLM 系统中，其中一个摄像头会识别燃烧器尖端面的确切 3D 位置，并在其上投影 CAD 模型。然后，逐层建立新的尖端。

据西门子称，这种方法可以将维修时间减少 90%。自2013年引入SLM进行维修以来，西门子已经维修了2000多台燃烧器。 除了SLM，西门子还对LMD工艺进行了认证，用于修复叶片和叶片，从而取代传统的焊接技术。

 3D 打印涡轮机械的未来如何？

在涡轮机械制造中，AM 技术有助于加速产品开发，生产性能更好的涡轮机械零件，并更快、更经济地修复损坏的部件。 也就是说，增材制造技术应用于涡轮制造仍有很大的发展空间。展望未来，越来越多的制造商将采用增材制造技术，以设计和生产更耐用、更高效的涡轮机械产品。

文章来源：增材技术趋势

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上述成果发表在《自然材料》（Nature Materials）上，并被选为该期刊2022年8月的封面，被《自然》评为今年6月全球重要科技进展之一（全球共4项），并给与“hightlight”报道。

上述团队副研究员方鑫为论文第一作者兼共同通讯作者。国防科技大学和德国卡尔斯鲁厄理工学院为通讯单位。

 机械性能调节可通过齿轮簇实现

近年来，智能材料广受关注，它是智能装备与结构设计的基础。材料弹性的调节对于智能机器、机器人、飞机和其他系统非常必要。然而，常规材料一旦制备，特性就几乎不能改变，部分材料在高温相变时才能呈现一定的调节性，不具有工程实际可操作性。

团队设计的新型力学超材料为智能科技发展带来新技术的思路图。

“机械/力学超材料是具有超出常规材料力学性能的结构功能材料，为高性能装备设计提供了前沿技术支撑，但传统超材料设计方法依然无法实现稳定连续的参数控制，需要颠覆性设计思维才能突破该瓶颈。”上述团队带头人、论文共同通讯作者温激鸿表示。

“限制力学超材料实现智能化调节的根本原因在于传统超材料的设计都遵循同一种模式，即将梁、杆、板等单功能的承载基元用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，这种模式下，当受到应力、热或电磁场的刺激时，超材料会因为屈曲或旋转铰链而发生重构，从而改变刚度。但与此同时会产生塑性变形、变化不连续，且调节过程十分困难。”方鑫说。

为解决这个难题，上述团队提出了基于多功能动态基元和易变-牢固耦合模式的智能可编程机械/力学超材料设计范式，设计了系列基于齿轮的智能超材料，突破了宏观与微观、金属基和复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术，实现金属基材料的大范围、连续、快速调节。

通俗地说，该团队设计了一个由齿轮制成的智能材料，它可以根据不同的“命令”，在齿轮旋转时，使坚固的材料变得更坚硬、变软或变形。

机械超材料的设计概念。

“这是一种前所未有的设计方法。”方鑫表示，可调性能够通过组装具有内置刚度梯度的元件来实现。要实现机械性能可调但坚固的固体，需要确保在大作用力下的可调性和强耦合（可靠连接），同时避免在调整时发生塑性变形。“我们发现，这种可变而又强的耦合可以通过齿轮簇实现。”

方鑫透露，除了尝试以齿轮作为基元，团队还尝试过很多其他构型，比如广泛关注的折纸构型、各类弹性屈曲构型、双稳态/多稳态构型，但都无法实现他们想要的这种调控特性。

为什么是齿轮簇？“可靠的齿轮啮合可以平稳地传递旋转和沉重的压缩载荷。”方鑫说，刚度梯度可以内置到单独的齿轮体中，也可以通过分层齿轮组件实现。齿轮组可以组装成单元组，但单元做恰当排列就可形成超材料。

 从太极图中获取内部结构设计灵感

既然齿轮被确定为可被利用的元件，那它的内部结构该如何设计？

超材料的可调性取决于其内置中空部分的形状。“想要实现可调但坚固的材料，需要确保在大作用力下的可调性和鲁棒可控性，同时避免调谐中塑性变形。”方鑫表示，在众多设计方案中，团队从太极图中获取灵感，最终设计了形似太极图的齿轮，其形状以螺旋方向为特征，可以提供平滑的变化和极性。

基于太极齿轮的机械超材料。

“太极图的灵感是从中国传统文化中获得的。当时我在用笔构思各种简单、大气又有用的形状，脑子里突然闪现《易经》中‘两仪生四象、四像生八卦’这句话，随之就想起了太极图。因为太极的核心思想就是‘变化’，而我们想要的材料特性也是‘变’”。方鑫说，“我们进而发现，引入太极理念后，就使我们设计的构型具有正极性和负极性，为我们提供了一个很好的设计维度。”

在此基础上，该团队使用紧密耦合的周期齿轮和两个格子框架(前和后)将齿轮排列成简单的图案，外部形成两个弹性臂，其径向厚度随旋转角度θ平滑变化。在压缩载荷作用下，臂部的变形以弯曲为主。

“任何两个啮合齿轮的自转方向是相反的。正面和背面太极图案的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合模式有两极。当图案的螺旋方向相反时，极性为正，反之则具有负极性。”方鑫说。

为了验证这一构想，团队采用投影显微立体光刻3D打印技术制作了5×6的太极齿轮组成的集成微型超材料。太极齿轮的直径和齿厚分别为3.6毫米和235?微米，最粗的臂为75微米。样品由杨氏模量为3.5GPa的光敏树脂制成。

“这种微型试件的等效模量Ey(θ)可以平滑地调整35倍(从8.3 MPa到295 MPa)。”方鑫说，这意味着即使是在微尺度上，基于齿轮的集成超材料也可以通过三维打印直接制造。这种集成制造的主要挑战是确保啮合齿不会融合在一起，但仍能有效地参与啮合。

 旋转变速器行星齿轮即可“变身”

该团队设计的第一种超材料仅在压缩载荷下可调。“我们期望找到一种设计方法，使其压缩模量和拉伸模量均可调，同时保持结构完整性。”方鑫介绍，团队探索发现，这可以通过将行星齿轮系统组织为元胞来实现。团队使用行星齿轮簇创建了一个层次分明的超材料，其可调性来自元胞内齿轮的相对旋转。

“我们设计的行星齿轮超材料的变刚度来自于每个行星齿轮内部。齿轮环产生弹性弯曲变形，其内部的行星齿轮是齿环变形的支点，通过旋转行星齿轮改变齿轮环的位置就可以改变它的变形刚度，从而可以实现对超材料参数的调节。”方鑫说，对于组装的超材料，所有的太阳齿轮通过轴连接到传递转动的齿轮上，这些传动齿轮紧凑地耦合在一起。因此，只需要旋转其中的几个传动齿轮就可以实现对所有元素的重新配置和调节。

由行星齿轮系统组成的超材料。

“有趣的是，我们设计的超材料可在很大的压缩力下保持稳定，并在剪切时显示出较大的刚度。支撑稳定性的因素之一是一种齿轮组的自锁机制，另一因素则是轮齿的咬合力。”方鑫表示。

该团队提出了几个场景来展示齿轮基超材料的广泛应用潜力。“对于机器人，可调刚度腿/执行器能够提供高刚度以在行走时稳定支撑重物，低刚度以在跳跃或跑步时提供减震保护。航空发动机挂架系统中需要类似的可调刚度隔离器，以在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。”温激鸿表示。

剪切作用下的坚韧或超软的超材料。

“人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成分层结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料，利用集成制造将这些可调特性连接起来，以生产坚固的多用途设备。以微型超材料为例，通过高分辨率和大规模的3D打印，基于齿轮的超材料的进一步小型化和延伸是可能的。” 方鑫说。

《自然》的审稿编辑认为，这种基于齿轮的力学超材料是使机器部件实现刚度可调的同时保持结构强稳定的可行途径。比如使机器人的结构变软或变硬来更好地适应跳跃和抓取物品等动作。

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 增材制造燃气轮机关键零件受关注

苏州倍丰智能科技有限公司成立于2017年，拥有完整的金属3D打印全产业链的解决方案。公司团队主要是以吴鑫华院士为首的全球顶尖3D打印技术和材料科学专家团队，长期致力于以高温镍基合金、钛合金和铝合金在航空发动机、航空构件、通讯系统构件、医疗构件金属3D打印上的应用研究。

目前苏州倍丰主要从事研发生产销售从小型到超大型的全自主知识产权、高效、便捷、工业化金属3D打印机设备和符合国际适航标准的全流程密封3D打印金属粉末前后处理系统辅机系列，以及面向航空航天、地面燃机、核电能源、汽车等重点行业的3D打印工艺开发及服务。

在这次峰会活动期间，苏州倍丰展示的重型燃气轮机透平静叶叶片备受关注。

© 苏州倍丰

该叶片为高温合金材料IN625，尺寸约为400mm×350mm×250mm，叶片外部由复杂曲面构成，内部由复杂内流道构成，叶片为双层空心薄壁结构，且周身有900多个不同尺寸孔洞。苏州倍丰通过自主研发的金属3D打印设备和多年增材制造技术经验，仅用3个月时间完成了12件叶片试制，顺利完成该项目。

© 苏州倍丰

另一展件——燃气喷嘴也获得了业内观众的关注。在此次展示中，苏州倍丰主要是携带的等比例样一方案和三方案，通过仿真技术显著缩短设计优化开发周期完全满足项目要求，实现类传统结构喷嘴，预混不均匀度只有传统工艺的1/4以下。

© 3D科学谷白皮书

 探讨解决燃气轮机行业问题

苏州倍丰智能科技有限公司总经理李伟代表苏州公司主持了《如何将基于模型的燃气轮机材料（已经使用或者正在开发的材料）、材料工艺、制造机器、设计工具、车间设备集成在一起，以加快设计并提高零件良品率，同时降低性能差异？》的圆桌讨论会议，会上各位工程师、研究所负责人、企业高管都通过现下情况集体讨论分析，增进了行业之间的有效交流，为今后共同学习、共同解决燃气轮机行业问题，进一步提升材料的新型使用打下了一定的基础。

为加快推进燃气轮机产业创新发展，第九届亚洲燃气轮机聚焦决策者峰会组委会发起了燃气轮机聚焦年度榜单，深入观察和分析燃气轮机上下游产业链企业的发展规律，通过年度大会向行业分享标杆企业的经验，为促进行业健康稳定的发展、技术进步、企业良性运营，发挥着重要的作用。榜单成果会编入年度产业蓝皮书，同时也将成为整机制造及用户端选择合作伙伴和评价企业实力及行业地位的重要标准。

苏州倍丰智能科技有限公司，在此次评选中，脱颖而出，入选“聚焦年度榜单”，既是对苏州倍丰智能在金属3D增材制造领域砥砺深耕、持续发展、创新赋能的肯定，也是对苏州倍丰的不断技术进步、企业良性运营和优秀服务企业标杆的认可。

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2020年12月29日，由武汉天昱智能制造有限公司（以下简称“天昱智造”）完成的国家科技重大专项(04专项)“复杂构件电弧-激光微铸锻铣磨复合制造工艺与装备”在武汉通过综合绩效评价。会议由国家工信部产业促进中心马伟佳主持，课题评价专家组组长由北京北一机床股份有限公司原总工程师刘宇凌担任，成员由国内业界技术、财务、档案专家组成，经信厅装备处，区企业服务局，中钢集团、华中科技大学、公司领导及项目组相关人员参加会议。省经信厅装备处调研员张晓风、中钢国际董事、总经理王建、华中科技大学解孝林副校长分别致词。

综合绩效评价会议现场

该项目以张海鸥团队历经二十年研发完成的“铸锻铣一体化金属3D打印技术”为核心，中钢国际工程技术股份有限公司投资建立的武汉天昱智能制造有限公司作为该技术的产业转化单位，牵头此次专项。

针对航空发动机等“国之重器”的大型关键复杂构件的制造难度大、合格率低、成本高等技术难题，天昱智造联合武汉重型集团有限公司、华中科技大学、中国科学院工程热物理研究所、武汉华中数控股份有限公司、中国航发南方工业有限公司、中国航发商用航空发动机有限责任公司等六家国内知名院校企业，首创微铸锻铣磨合一金属3D打印关键技术，研制世界首台最大锻件微铸锻铣同步超短流程制造装备，开创功能复合单机制造大型复杂锻件的新模式；突破传统锻件均匀性与增材制造疲劳性能难题，首创大型锻件均匀超细等轴晶无模制造方法；开发智能化集成国产数控设备和国产控制系统，具有完全自主知识产权解决“卡脖子”难题，实现产业化应用验证，形成智能制造应用示范。

高档数控机床与基础制造装备

数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”，是打造高端制造业核心竞争力的关键。由于高档数控装备关系到基础制造产业安全与国家战略安全，即使在全球一体化的今天，欧美等西方国家和日本仍对中国实行关键设备出口限制和监督使用，并且越发严格，以限制中国高端装备与国防技术的发展。

2007年，国家启动实施十六个国家科技重大专项。“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项为十六个重大专项之一（简称04专项）。2019年2月，自“复杂构件电弧-激光微铸锻铣磨复合制造工艺与装备”项目申报以来，在国家工信部数控专项办、省经信厅、省科技厅的大力支持下，张海鸥团队开创性地采用微铸、微锻、铣、磨在一台数控机床上原位集成，促进了具有自主知识产权、不受制于人的国产数控复合制造装备和数控系统的产业化发展，解决了航空发动机领域异形复杂零部件在高温、重载、无冷切条件下的低成本、高效率和高精度的制造。

今年8月28日，商务部、科技部调整发布《中国禁止出口限制出口技术目录》。“铸锻铣一体化金属3D打印”技术被列入限制出口目录。此前，该技术还获得2020年湖北省技术发明奖一等奖、提名2020年度国家技术发明奖一等奖。

中钢国际董事、总经理王建认为，该技术有效提升了微锻锻铣磨制造在航空航天、发动机、船舶、核电、高铁、电力能源、汽车制造、工程机械等行业典型件加工制造领域应用的技术成熟度，满足自主知识产权的微铸锻铣磨复合制造技术与国产数控机床、数控系统的深度集成需求，具有广泛应用场景与巨大市场潜力。

张海鸥认为，此次项目的成功实施，充分验证了“铸锻铣一体化金属3D打印”技术的实用性与领先性。随着相关领域对国产数控复合制造装备的信赖程度不断提升，在即将到来的“十四五”期间，“铸锻铣一体化金属3D打印”技术也必将迎来广泛应用的黄金期。

“我们也迫切希望能够有更多的中国人参与进来，一起把这项技术推向更大范围的应用，让中国在突破复杂大型零件制造的‘卡脖难题’方面，从先进到领先，并能保持持续领先。”张海鸥充满期待。

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目前，无论是化学交联还是物理交联3D打印水凝胶，因所制备的3D打印结构体在力学性能方面表现不佳致使其应用严重受限。因此，高强韧水凝胶3D打印对满足实际应用需求具有重要意义，是增材制造领域具有挑战的前沿研究。

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材料技术推动3D打印扩展应用边界

 双物理交联网络

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员王晓龙带领的团队，通过构筑双物理交联网络策略实现了超高强韧水凝胶3D打印。

如图1所示，该3D打印超高强韧水凝胶由两步法实现：（1）基于聚乙烯醇（PVA）和可溶性短链壳聚糖（CS）水凝胶前驱体墨水的直书写（Direct Ink Writing）3D打印成形。（2）依次进行冷冻-解冻循环和柠檬酸钠溶液浸泡配位交联后处理，形成PVA物理结晶网络和CS离子交联网络的双物理交联网络超高强韧水凝胶。

图1. 双物理交联策略构筑3D打印超高强韧水凝胶示意图 ©兰州化学物理研究所

研究首要任务是复杂三维水凝胶结构打印成形，主要通过调控由PVA和CS组成的水凝胶墨水体系流变学性能，如剪切变稀行为以及优异的粘弹性能和触变性能等实现。随后依次进行冷冻-解冻循环和柠檬酸钠溶液浸泡配位交联分别构建PVA物理结晶网络和壳聚糖离子交联网络，赋予3D打印水凝胶超高强韧性能。

研究表明，采用优化条件得到的3D打印双物理网络水凝胶在拉伸应变为302.27±15.70%下，拉伸强度达到12.71±1.32 MPa，杨氏模量为14.01±1.35 MPa，断裂伸长功为22.10±2.36 MJ m-3。与已报道的所有3D打印化学和物理交联水凝胶相比，该研究报道的双物理网络水凝胶相关性能处于优势地位（图2）。撕裂实验显示其断裂能为9.92±1.05 kJ m-2，表现出优异的韧性。

图2. 3D 打印双物理交联水凝胶力学性能与展示 ©兰州化学物理研究所

 再次塑性

采用DIW直写3D打印方法，该高强韧水凝胶实现包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三维复杂结构的成形制造（图3a），通过局部双重物理网络强化策略，还实现了鲸鱼、章鱼以及蝴蝶等形状的再次塑形（图3b），表明其在4D打印领域具有较大应用潜能。高强韧水凝胶3D打印将高性能水凝胶材料与先进制造技术有机结合，为智能机械、软体机器人等新兴领域提供新的设计思路和解决方案。

图3. （a）3D 打印水凝胶精细结构；（b）3D打印水凝胶二次塑形 ©兰州化学物理研究所

相关工作发表在国际期刊Chemistry of Materials上

l文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02941

相关研究成果发表在Chemistry of Materials上。兰州化物所博士生蒋盼为论文第一作者，王晓龙为论文通讯作者，该研究由兰州化物所作为第一单位与安徽工业大学和三峡大学合作完成。研究工作得到国家自然科学基金和中科院前沿科学重点研究计划项目的支持。

3D科学谷Review

 超硬

根据3D科学谷的市场观察，德克萨斯的一组研究人员2015年开发出一种新的3D打印水凝胶的技术，达到前所未有的耐用性和精确性，由于材料中添加的海藻酸钠，其灵活性和力量的结合，使得3D打印水凝胶可以达到类似于人体自然组织的生物材料性能，可用于替代那些遭受运动损伤或其他外伤的承重部位如膝盖软骨，减少关节置换的需要。人类自然状软骨组织工程的一个主要挑战是产生临床所需要的完整的结构、形状和结构，3D生物打印已达到这个目标。

 高精度

2018年，新加坡科技与设计大学和耶路撒冷希伯来大学的研究团队开发了一种适合用基于UV 光固化工艺的DLP 3D打印技术进行制造的水凝胶材料, 在软体机器人制造、透明触摸面板制造，柔性电子设备和医疗器械制造中具有应用潜力。

研究团队自行开发的高效水溶性TPO纳米颗粒作为光引发剂与基于丙烯酰胺-PEGDA（AP）的水凝胶前体混合来制备水凝胶溶液。TPO纳米粒子使AP水凝胶可UV固化，可作为DLP 3D打印技术的打印材料，制造具有高分辨率和高保真度（高达7μm）的复杂水凝胶3D结构。例如，制造医疗产品和柔性电子器件。这款水凝胶材料还由一个显著的特点为良好的可拉伸性，研究团队表示，3D打印水凝胶样品可以拉伸超过1300％。这种水凝胶材料可以与商业3D打印弹性体形成强大的界面粘合，直接用于水凝胶 – 弹性体混合结构的3D打印。该技术的应用方向包括制造柔性电子板，其上印有弹性体基质的导电水凝胶电路。

3D科学谷认为在力学性能和精度方面，3D打印水凝胶的发展方向包括超硬、超柔韧、超高分辨率这几个方向。

 提升粘结性能

另外一个方向是提高水凝胶这种亲疏水结构在打印过程中的界面粘接性能。

近年来，基于水凝胶/弹性体的亲疏水结构取得明显进展，在柔性电子、软体机器人、摩擦发电机等领域具有广泛应用前景，但其构造仍较为简单，无法媲美天然结构。作为快速成型技术，3D打印可用于复杂软结构的制备。然而，现有的亲疏水结构在打印过程中的界面粘接性能极差。

针对此问题，根据3D科学谷的市场观察，2019年西安交通大学航天航空学院软机器实验室教师唐敬达与美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学教授锁志刚合作提出了一种软结构3D打印的强韧粘接技术，实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质结构的打印。相关研究结果近日发表于《先进功能材料(Advanced Functional Materials)》期刊。

 用于另辟蹊径的消费市场

而在商业化方面，2019年，强生集团推出了有史以来个性化的3D打印护肤产品露得清Neutrogena MaskiD面膜。据称，这种正在申请专利的3D打印薄膜面罩由用户数据提供支持，可提供更精准的护肤效果。

使用透明质酸等生物材料对面膜进行3D打印，这标志着生物打印技术首次用于生产商用消费品。虽然大规模定制的概念已经出现了一段时间，然而看起来更多像海市蜃楼的概念。然而，强生的这一做法不仅将3D打印推向了精准护肤领域，还通过更广泛可用的3D捕获技术开启护肤领域的重大转变。

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请关注3D科学谷扫码参与调研。

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主题

3D打印与第四次工业革命-上

分享嘉宾

3D科学谷创始人王晓燕女士

基于增材思维的先进设计与智能制造, 作为新一代的物质生产技术，与新一代人工智能技术深度融合，形成真正的新一代智能制造技术，进而成为第四次工业革命的核心技术引擎。

3D科学谷发布的《3D打印与第四次工业革命白皮书》深入解读了3D打印与第四次工业革命的关系，3D打印在第四次工业革命中怎样赋能下一代产品制造，以及如何在此发展趋势中，抓住机遇。

3D打印与第四次工业革命白皮书

在以上微课中，3D科学谷创始人王晓燕女士对白皮书的上半部分进行了解读分享。

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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。

基于增材思维的先进设计与智能制造, 作为新一代的物质生产技术，与新一代人工智能技术深度融合，形成真正的新一代智能制造技术，进而成为第四次工业革命的核心技术引擎。

3D科学谷发布的《3D打印与第四次工业革命白皮书》将深入解读3D打印与第四次工业革命的关系，3D打印在第四次工业革命中怎样赋能下一代产品制造，以及如何在此发展趋势中，抓住机遇。

《3D打印与第四次工业革命白皮书1.0》-上半部已发布。本期，3D科学谷将分享的下半部分。3D科学谷将在与机械工业出版社携手推出的《3D打印与工业制造》系列公益微课中，以直播形式进行本白皮书的解读，敬请关注5月的微课预告。

 3D打印与第四次工业革命-下

–全篇完–

全篇白皮书高清pdf文件，将在本月《3D打印与工业制造》系列公益微课后，上传至3D科学谷产业链QQ群：529965687。

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传统的陶瓷蜂窝结构制造方式包括: 不均匀孔隙成型，直接发泡和复制聚合物泡沫。而增材制造-3D打印技术成为陶瓷泡沫材料的新型制造工艺。通过将CAD、仿真和增材制造结合起来，可以满足不同工业领域的最终用户需求。

在论文“Cellular ceramic architectures produced by hybrid additive manufacturing: a review on the evolution of their design” 中，科研人员对面向增材制造的蜂窝陶瓷结构的设计工具与设计方式进行了评述，提出了一些创新工具，并展示了通过这些设计方式所实现的陶瓷蜂窝结构的工业应用案例。

在本文的上篇中，3D科学谷分享了陶瓷蜂窝结构设计，下篇将分享3D打印陶瓷蜂窝结构在燃烧器、热交换器、太阳能接收器等工业领域中的应用案例。

 与“热”相关的多种工业应用

l 多孔燃烧器

无规泡沫通常用于多孔燃烧器的热区。由于聚合物的制造方法，标准泡沫的问题是它们的再现性和均匀性。这将在处理、组装和操作燃烧器时引起问题。使用上篇中结构化晶格设计方法，可以解决这一问题。图10 显示了操作中的多孔燃烧器。这种组件的标准条件是：工作温度1350°C，燃烧环境空气，H2O和挥发性有机化合物。欧盟ECCO项目旨在通过提高工作温度至1450°C并优化架构拓扑以改善辐射来提高此类组件的辐射功率。

图10 运行中的多孔燃烧器

制造方式可采用3D打印聚合物覆盖陶瓷浆料的的混合制造方式。首先通过SLA 或SLS 3D打印技术制造出3D打印聚合物结构，然后将该3D打印对象浸入陶瓷浆料中，使陶瓷材料覆盖层达到一定的厚度。然后根据陶瓷浆液的成分对物体进行热处理。通过这种方式能够生产复杂的高性能组件，显著提高了陶瓷多孔结构的机械强度和热冲击强度。

图11 带Voronoi晶胞的锥形多孔燃烧器（a）CAD模型；（b）预制结构。

图11为一种创新型锥形几何形状多孔燃烧器。圆锥形燃烧器在氢气产生的低热量值废气产生的低污染物排放下显示出稳定而完整的燃烧。Si-SiC扁平和圆锥形原型带有10个PPI Voronoi开放晶胞，该结构是使用上篇中的Voronoi设计方式设计的，聚合物Voronoi锥型多孔结构是3D打印的，然后采用SiC浆料复制，然后浸入熔融的硅中。

l  车用催化转化器载体

具有工程化结构的车用催化转化器被用来替代泡沫或标准蜂窝解决方案，因为后两者无法根据客户要求进行设计。

图12 汽车催化载体的宏观特征光学显微镜图像

图12是根据本文上篇中所述的结构化晶格设计方法设计的催化转化器载体，为根据最终需求优化的设计。图中零件由氧化铝材料制造，并涂有 g-Al2 O3-Pt 悬浮液，该零件是一种高表面积的多孔陶瓷，需要3D打印技术能够实现精细细节，研究团队制造时采用了基于光固化工艺的SLA 技术，打印完成后通过热处理进行烧结。

研究团队已在恒定的流速和增加的温度条件下进行了测试，以获得起燃特性曲线，温度从 50 °C 增至 600 °C，加热梯度为10 °C min-1。或在恒定温度下但随着流速增加而增加，以了解流速对反应速率的影响。

l  热交换器

陶瓷材料广泛用于处于高温环境的应用中，例如热交换器。工程化的陶瓷蜂窝体系结构，可以提高传热效率并提高这些系统的性能，还可以将这类结构插入管状热交换器中，从而利用内部结构引起的对流和辐射现象。

图13 用于增强管状热交换器中热传递的陶瓷晶格。（a）CAD模型；（b）3D打印的几何形状；（c）运行中的组件。

图13 是通过结构化晶格设计方法得到的陶瓷晶格结构，具有4 mm旋转立方体晶胞。这些3D打印陶瓷晶格结构采用SLA 技术制造。数值和实验研究表明，晶格的形态极大地影响了热交换器的性能，在实验过程中，为了找到最佳传热解决方案，研究人员采用了不同的形态。

如果在管内集成晶格结构，热交换器的热传递性能得到提升，根据内部晶格体系结构的不同，性能提升160%-280%不等。其中，外部为大晶胞内部为小晶胞的设计，能够使较高比例的热辐射到达中央支撑，从而提高了热传递效率。

l  太阳能接收器

SiCf / SiC复合材料 被用于太阳能接收器制造，该材料能够增强太阳能系统的性能。但由于不利的光学性能，这种陶瓷材料不适合通过SLA 3D打印技术进行直接的制造，粘结剂喷射和熔融沉积成形3D打印技术则达不到相同的分辨率。因此，太阳能接收器可采用与多孔燃烧器制造时采用的混合方式进行制造。图14（a）中的3D打印周期性晶格结构即为该方法制造的。

图14 SiCf / SiC复合材料太阳能接收器（a）3D打印周期性泡沫晶格；（b）丝材缠绕（c）用EPD（电泳沉积）和Si浸渗处理的最终样品。

仿真结果表明，使用增强传热的3D打印结构，显著提高了太阳能接收器性能，即使在高温和高压环境中，如果集成了3D打印泡沫晶格结构，总体热转移也可以增加大约4倍。

l  航天器的热保护系统

该零件采用了本文上篇所述的非结构化晶格设计方法，获得具有特殊复杂形状的晶格结构。制造方法与太阳能接收器、多孔燃烧器相同，外部陶瓷材料为SiC浆料。

图15 未来航天器的热保护系统-具有六角形晶胞的U型多孔陶瓷结构。

在等离子风洞中广泛的测试中，选择测试条件适用于多次进入地球、可重复使用的热保护系统。随着冷却剂流量的增加，整个表面的温度都会降低。即使在2.5 g/s的最低流速下，温度也低于被动冷却参考配置的结果。测试结果证明了主动冷却对前沿对外部加热的热响应的基本影响。

–全篇完–

有关这些蜂窝陶瓷结构的设计方式，请前往本文的上篇。

更多有关陶瓷增材制造技术与应用发展情况的分析，敬请关注将于5月初发布的《3D打印与陶瓷白皮书1.0》。

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基于增材思维的先进设计与智能制造, 作为新一代的物质生产技术，与新一代人工智能技术深度融合，形成真正的新一代智能制造技术，进而成为第四次工业革命的核心技术引擎。

3D科学谷发布的《3D打印与第四次工业革命白皮书》将深入解读3D打印与第四次工业革命的关系，3D打印在第四次工业革命中怎样赋能下一代产品制造，以及如何在此发展趋势中，抓住机遇。

本期，3D科学谷将分享《3D打印与第四次工业革命白皮书1.0》的上半部分。3D科学谷将在与机械工业出版社携手推出的《3D打印与工业制造》系列公益微课中，以直播形式进行本白皮书的解读，敬请关注5月的微课预告。

 3D打印与第四次工业革命-上

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