根据3D科学谷的市场研究，3D打印是一种带有鲜明数字化特征的技术，这意味着增材制造能够改变产品的生产方式是本质性的，不仅可以实现个性化，还可以实现功能化导向的制造。

与减材制造尤其是CNC机床加工来比较，3D打印-增材制造可以用来制造具有空腔的零部件，这是CNC机床加工无法实现的，CNC机床加工只能加工产品的外型，而且还会受到刀具干涉的局限，无法加工一些形状过于复杂的外型。

在空腔的制造策略方面，近日，赛峰3D打印-增材制造具有空腔的零部件专利获通过。

赛峰专利
© US11370176B2

 空腔内“柱子”的妙用

根据赛峰的专利，用于制造零件的增材制造方法（电子束熔化或选区激光熔融技术类型）通过在堆积方向（或制造方向）上逐步将粉末材料固化成层，不过增材制造制造带有空腔的零件在可接受的悬垂角度方面受到限制。

在这种情况下，大尺寸的空腔需要具有拱形的天花板，以符合这种悬垂角度的限制，从而增加空腔的内部和外部体积。然而，某些零件在体积和尺寸方面受到限制，这对设计带有拱形天花板的空腔带来一定的挑战。

为了制作带有天花板的空腔，即使不是平的，但要想实现几乎没有拱形是具有挑战的。当前的增材制造软件通常包含一个功能，可以在制造零件时创建柱形支撑，以支撑制造过程中空腔的天花板。然而，这些柱子占据了相当大的体积，对于半封闭的空腔，或者仅通过流体入口通道对外开放的空腔，不可能消除这些柱子。

赛峰的专利寻求一种通过增材制造制造具有空腔的零部件的方法，该方法用于最小化支撑天花板且将永久保持的支撑件所占据的体积。

 更小体积的柱子

为了实现该目的，赛峰的专利提供了一种通过增材制造制造具有空腔的部件的方法，该方法包括以下步骤：

在空腔的顶部上限定邻接部分，包括完全由边缘限定的中心部分，以及由边缘和天花板边界的一部分限定的外围部分；

对于中央部分，通过靠在限定中央部分的边缘向顶点会聚的小面限定顶头，并且还限定了从顶头延伸到腔体的底部同时以中心为中心的细长支撑。

对于每个外围部分，小平面靠在限定所述外围部分的边缘上，并且朝向末端边缘会聚，末端边缘在基本上垂直于空腔壁的平面中延伸，并且还在腔体中限定支撑件。

可以设计多个细长的支撑，细长的支撑件具有星形截面，具有在相应平面中延伸的分支，构建方向通常是垂直方向。

赛峰专利
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通过3D打印-增材制造制造带有空腔设计的零部件，通过将分支和肋条的宽度设置为最小值，以节省材料并将对空腔体积的影响降至最低，同时仍然能够在柱的顶部和底部制造柱头。

 离制造更近的赛峰

根据3D科学谷的市场研究，赛峰的专利倾向于系统化的解决面向增材制造的设计与制造的问题，在设计方面，赛峰尤其重视空腔、点阵这些对航空航天行业来说尤为重要的可以带来减重的设计。

赛峰之前获得通过的3D打印涡轮机脱气器及U形接头方面的专利，也是充分发挥了3D打印的优势，通过3D打印对U形接头的蜂窝型环形部分进行制造，3D打印在实现结构一体化和蜂窝状结构方面具备优势。赛峰开发了带蜂窝结构的3D打印离心脱气器，通过3D打印，可以方便实现在径向上和在轴向上改变蜂窝结构的纹理和孔隙率， 同时腔室和小齿轮形成单一件。

此外，面向制造，赛峰还非常注意后期的机加工的可行性。根据3D科学谷的市场研究，法国赛峰还开发了通过增材制造来制造不对称零部件的方法，赛峰开发的方法包括以下步骤：

- 提供待制造部件的数字模型;

- 使模型相对于构造方向定向;

- 通过增加牺牲平衡部分来修改模型，该牺牲平衡部分被配置成为了平衡在制造部件时出现的残余应力的用途;

- 在修改的模型基础上，使用增材制造技术逐层制造出零件;

- 通过减材的制造方法切除掉牺牲部分。

总体来说，赛峰围绕着减重所需要的设计与制造重点，进行了积极的专利布局。

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现代涡轮发动机叶片翼型通常包括一个或多个内部冷却回路，用于引导冷却空气通过翼型以冷却翼型的不同部分，并且可以包括用于冷却翼型的不同部分的专用冷却回路。近日，GE的3D打印叶片翼型尖端“燕尾式”冷却专利获通过,可以使用相同或更少的供应气流能够在翼型件内实现更高的冷却空气对流。

本期谷.专栏将结合GE最新获批的专利-带复杂“三维神经丛”设计的叶片冷却，对GE的叶片技术进行分享。

 冷却-随心所欲

根据3D科学谷，在涡轮发动机叶片的运转过程中，裂纹是叶片的致命缺陷，叶片的发展趋势是采用更耐高温的镍基合金，而且冷却设计越来越复杂，冷却效果的要求越来越高，同时采用高效的隔热涂层。而3D打印通过实现更均匀可控的晶体组织、更耐高温的复合材料、更复杂的叶片冷却通道、与金属基体结合更紧密的隔热涂层，从而提升了叶片的性能，更有效的避免裂纹发生。

涡轮发动机，特别是燃气或燃气涡轮发动机，是从通过发动机到多个旋转涡轮叶片上的燃烧气体流中提取能量的旋转发动机。燃气涡轮系统包括具有多级涡轮，其叶片从支撑转子盘向外延伸，每个叶片包括暴露于热燃烧气体流中，叶片必须获得冷却以承受燃烧气体产生的高温。冷却不充分可能会导致叶片上产生不必要的应力和氧化，并可能导致疲劳和/或损坏。

带有复杂空心结构的叶片通常具有一个或多个内部冷却流回路，内部冷却流回路带有多个冷却孔等。冷却空气通过冷却孔排出，以向叶片的外表面提供冷却。其他类型的热气路径部件和其他类型的涡轮部件可以以类似的方式冷却。

用于飞机的燃气涡轮发动机设计为在高温下运行以最大限度地提高发动机效率，通常，冷却是通过将来自高压或低压压缩机的较冷空气输送到需要冷却的发动机部件来完成的。

GE的3D打印叶片翼型尖端“燕尾式”冷却专利涉及到翼型的复杂冷却通道设计，包括界定内部并限定压力侧和吸力侧的外壁，外壁在前缘和后缘之间轴向延伸以限定弦向方向，并且还在根部和尖端之间径向延伸为了限定翼展方向。

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 可离散、可集中

在翼型件的内部设计有复杂的冷却导管，在翼展方向上从尖端突出的尖端导轨，尖端导轨包括与内表面隔开的外表面，尖端带有尖端连接外表面和内表面的表面，以及在外表面和内表面之间的末端导轨内提供的流体互连冷却通道的三维丛，通过“三维神经丛”形状的设计，冷却流体实现更好的冷却。

冷却导管形成在翼型的内部，尖端轨道从翼型的尖端伸出翼展方向，末端导轨包括与内表面间隔开的外表面，末端表面连接外表面和内表面，以及流体互连的冷却通道的三维丛。

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冷却空气从冷却导管流过，通过位于叶片翼型尖端轨道内的流体互连的“三维神经丛”冷却通道，再经由出口将冷却空气从“三维神经丛”中排出。

通过复杂的“三维神经丛”冷却通道设计，冷却空气可在翼型内部径向向外、径向向内、轴向等或其任何组合移动，同时通过“三维神经丛”朝向出口排出。

“三维神经丛”包括多个离散的冷却通道组，每个冷却通道由单独的冷却导管流体供应。多个离散组可以流体耦合，例如通过单个连接流体通道，或者它们可以在翼型内部分离。此外，多个离散组可以形成径向布置在翼型件内的多个冲击区域，使得从冷却导管供应的冷却空气可以冲击不同的区域，直到通过冷却孔出口排出。

细长的喷射孔可以改善孔冷却，而冲击区可以提供冲击冷却，同时将冷却空气引导到翼型件的各个部分，包括薄膜冷却性能传统上受限的那些部分。

3D科学谷了解到与传统的冷却设计相比，GE的这项专利使得使用相同或更少的供应气流能够在翼型件内实现更高的冷却空气对流。可以提供增加的冷却空气在翼型件内的工作或混合，从而提高冷却性能。

此外，细长的喷射孔设计可用于将冷却空气喷射或下沉到具有较低空气或下沉压力的区域。这种较低的水槽压力可以保持冷却空气流过和流出“三维神经丛”，同时减少回流，这进一步提高了冷却性能。

© GE

随着GE专利的快速布局，GE在发动机的冷却方面搭建了更高的竞争壁垒，值得肯定的是GE看到了3D打印-增材制造的颠覆潜力，增材制造对GE原有的内部业务也带来很大转型压力，有很多改变需要进行，供应链、库存、人才…很大的压力，但是GE有勇气去改变。

转型之路是每一家企业都阶段性的必须要走的路，GE在转型之路上做了哪些深层次的布局，3D科学谷将通过市场研究保持持续关注。

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3D打印高3.5米的雕塑作品“对话”

© 中国建材总院

3D打印建筑的技术逻辑
© 3D科学谷白皮书

 成套技术专利

本次授权的国际专利不仅是中国建材总院水泥混凝土3D打印领域第一个美国专利，同时也是世界上首个提出包含“U型筋”、“射钉”成套技术的层间纵向自动配筋专利。

该专利技术于2018年12月7日正式提出，2020年5月通过PCT途径进入美国，作为最早的技术方案，该成果被编入RILEM（国际材料与结构研究实验联合会）出版的State-of-The-Art Report of Digital Fabrication with Cement-Based Materials《水泥基材料数字化制造前沿技术报告》中，在世界范围内实现关键技术领跑。

该专利技术为3D打印混凝土自动配筋的国际难题提供了解决方案，使3D打印混凝土层间界面的力学性能和整体性获得突破性增强，对未来建筑的智能制造具有深刻影响，是中国建材总院在混凝土3D打印及自动化配筋技术方向的重大突破。

自2015年以来，中国建材总院王玲教授团队在国家重点研发计划项目，北京市科委重大国际合作等项目的支持下，一直深耕于混凝土3D打印领域，自主攻克了多项技术难题，研制了满足3D打印用水泥基材料，提出了水泥基材料可打印范围的调控准则，指导打印材料的组成设计；建立了3D打印混凝土界面结合强度测试方法，能够同时实现界面拉伸和界面剪切结合强度的测试；在3D打印领域授权发明专利12件，撰写3D打印专著2章；组稿出版《水泥基材料3D打印》专刊一辑；主编建材行业标准3部。

目前该专利技术的同族专利已陆续在我国（2020年3月）和南非（2021年12月）获得授权，标志着中国建材总院水泥混凝土3D打印领域在国际化布局方面取得了突破性进展。

3D打印技术是在计算机控制下将材料逐层堆积成型的一种制造工艺，被视为下一代工业革命的标志性技术。随着建材和建筑行业有经验产业工人的减少和用工成本的激增，未来混凝土3D打印技术可能促成传统制造业颠覆性的改变。

作为践行中国建材集团“材料创造美好世界”企业使命的最好方式，中国建材总院下一步将抓住技术改革的浪潮，抢占3D打印技术制高点。

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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谷专栏是3D科学谷内容板块：谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景：贡献于制造业附加值创造，贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印正在突破原型制造的应用范围，而进入到吞吐量更高的真正的规模化制造领域，这其中，Desktop Metal的的增材制造2.0战略中打造的设备、材料、应用的飞轮组合。围绕着飞轮战略组合，Desktop Metal进行了一系列的专利布局。

根据3D科学谷的市场研究，Desktop Metal至今的典型专利包括：确定三维（3D）打印中挤出物流动的方法和装置；软件定义冶金方法及系统；脱脂；锁模修复；用于三维 (3D) 打印的棒式进料器；增材制造校准反馈的系统和方法；3D打印系统中使用推动器移动构建材料棒的系统和方法\混合器；通过计算机视觉对3D 打印机进行校准；烧结炉；自适应3D 打印；使用可变构建材料进料速率的增材制造；3D打印粉床密度控制系统及方法；管理用于增材制造的粘结剂喷射中的粉末流动性；减少3D打印过程中层偏移的方法；磁流体动力金属制造的润湿控制；金属制造的磁流体动力学沉积速率控制；金属制造支撑结构的磁流体动力学形成；用于增材制造的金属气动喷射；增材制造校准反馈的全文系统和方法；浸液自动脱粉；机器人控制真空自动除粉；管理用于增材制造的粘结剂喷射中的粉末流动性；可收缩支撑结构；嵌套自动脱粉；软件定义冶金方法及系统；增材制造复合原料；可分离支撑等等。

本期谷.专栏，将选取Desktop Metal的部分典型专利进行进一步的剖析。

根据3D科学谷，基于增材思维的先进设计与智能制造, 与新一代人工智能技术深度融合，形成高吞吐量、高产品质量控制能力、高产品复杂性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打印企业将围绕着高吞吐量、提高质量一致性、数字化材料与流程布局一系列的专利，从而上升为企业护城河战略。

进入2022年，粘结剂喷射方面，Desktop Metal的生产系统 P-50取得了重大进展。尽管疫情带来的供应链环境不寻常，但Desktop Metal现在可以开始在个位数的周内发货 P-50 打印机，通过产能的布局，Desktop Metal的产量增加了两倍，并且有能力在2022年加快Desktop Metal的交付设备的速度。

Desktop Metal P-50

材料将释放3D打印产业化空间，根据3D科学谷的了解，Desktop Metal的生产系统材料库除IN625外，还包括17-4PH不锈钢、316L不锈钢、4140低合金钢，均已通过Desktop Metal认证。该平台还支持多种客户合格材料，包括银和金，此外，Desktop Metal 还在其材料组合中添加更多金属，包括工具钢、不锈钢、高温合金、铜等。

根据3D科学谷的市场研究，围绕着增材制造2.0飞轮战略，Desktop Metal从设备、材料、后处理、流程与工艺控制等等多方面进行了专利布局。

Desktop Metal增材制造2.0飞轮战略

 用于软件定义冶金的方法和系统

用于用户可调节的烧结炉软件系统，包括配置为从用户接收一个或多个材料特性的用户界面、处理器和其上存储有计算机代码指令的存储器。

专利：US 11237529B2

存储器可操作地耦合到处理器，使得当由处理器执行时，计算机代码指令使系统实现与熔炉的通信以确定与熔炉相关联的一个或多个热处理过程，识别与熔炉相关联的一个或多个对象特征。

专利：US 11237529B2

基于(i)一种或多种部件特性和(ii)一种或多种材料，确定与每个热处理对应的至少一个热处理参数的热处理参数分布特性，热处理参数曲线表征一个或多个热处理的循环。

 脱脂剂

专利：US 11235386B2

脱脂剂用于在增材制造系统中对3D打印的生坯部件进行脱脂。脱脂剂的配套环境包括储存室、处理室、蒸馏室、废物室和冷凝器。

专利：US 11235386B2

储存室储存用于脱胶生坯的液体溶剂。处理室使用从储存室转移的一定体积的液体溶剂来去除生坯部分。蒸馏室收集从处理室排出的溶液并从溶液中产生溶剂蒸气。冷凝器将溶剂蒸气冷凝成液体溶剂并将液体溶剂转移到储存室。废物室收集溶液的废物成分。

 用于增材制造的校准反馈系统和方法

在增材制造中使用相机组件来提高打印对象的保真度。相机可以在打印时扫描 3D 打印机的构建板和对象的表面以生成图像数据。

专利：US 11117192B2

处理图像数据以检测构建板或打印对象中的错误。打印机补偿检测到的错误，这可以包括修改打印机配置和/或修改用于打印给定对象的指令。使用更新的配置，随后的对象可以在更正的过程下被打印，以产生与原始对象模型保真度的对象。

专利：US 11117192B2

生产需要高一致性的产品，能够根据反馈来克服这样的挑战，以使得能够保真地产生最终产品。

专利：US 10589467B2

反馈可以是根据与打印对象的处理之后的打印对象的至少一个特性相关联的值。

专利：US 10589467B2

 3D打印过程中减少层偏移的方法

使用 3D 打印系统打印牺牲组件，该系统包括用于散布未结合粉末以形成粉末床层的散布机构和用于将粘结剂流体喷射到未结合粉末中以形成牺牲品的打印机构零件。该系统形成了具有在铺展期间对由铺展机构施加的剪切力提供抵抗力特征的牺牲部件。

专利：US 10906249B2

该系统使用 3D 打印系统以与牺牲组件耦合的方式打印零件。与阻力相结合的耦合布置足以固定部件的每个打印层，以抵抗在未结合的粉末在部件的每个印刷层上方散布期间由散布机构施加的剪切力。在打印之后，以及在后处理之前或之后，将零件和牺牲组件分开。

专利：US 10906249B2

 机器人控制真空自动除粉

自动除粉包括用于对粉末3D打印床内的一个或多个物体进行脱粉的系统包括构造成容纳粉末打印床的构造盒，以及构造成接合构造盒的脱粉子系统。

专利：US 10500789B2

去粉子系统包括真空装置和机械臂，真空装置构造成抽出由空气喷射装置搅动的松散粉末，机械臂构造成将真空装置传送到粉末床上的一个或多个位置。

专利：US 10500789B2

该系统还可包括设置在机械臂上的空气喷射装置，该空气喷射装置构造成用空气射流搅动粉末床内未结合的粉末。 该系统还可以包括机械搅拌仪器，该机械搅拌仪器被配置为促进粉末床内未结合的粉末的搅拌。 机械搅拌仪器可以与真空装置和喷气装置之一或两者结合使用。

 通过液体浸入自动脱粉

去粉子系统可以包括浴子系统。浴子系统可以包括被配置为容纳液体并接收将被脱粉到液体中的物体的容器，以及被配置为在液体中产生电流的搅拌设备。

专利：US 10543643B2

搅拌器设备可以是：(i) 配置为使液体在储存器内循环的泵，(ii) 配置为在液体中产生对流的加热元件，和 (iii) 通过连杆驱动的搅拌器与发动机。

专利：US 10543643B2

浴子系统可以包括至少一个超声换能器，该超声换能器被配置为向储液器内的液体施加超声振动。

 可分离支撑技术

通常在增材制造中通过支撑结构来扩展所制造的产品的几何特征，例如通过为悬伸结构提供底层支撑来实现更复杂的几何结构。

然而，当使用需要额外处理的支撑材料的时候（如需要额外的脱粘和烧结加工以获得最终的零部件），常规的支撑策略和技术会导致零部件加工的失败，例如支撑结构发生变形或收缩的时候会影响到零部件的结构，这时候就需要十分匹配的策略使得支撑结构不仅仅能起到加工过程中的支撑作用，还在随后的后处理中不影响零件的精度。

专利：US 10350682B2

对于Desktop Metal的设备来说，专利中提到了一种在零部件和支撑结构之间制造界面层，以便在烧结期间抑制支撑结构和相邻的零部件表面之间的结合。

根据3D科学谷的市场研究，Desktop Metal的专利布局围绕着自动化、智能化的主线，从3D打印设备到工艺控制及后处理，其核心为软件、材料、机械的跨学科技术组合。

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根据前瞻产业研究院，目前，全球3D打印材料专利申请中的第一大技术来源国为中国，中国3D打印材料专利申请量达到3079项，占全球3D打印材料专利总申请量的55.88%;其次是美国，美国3D打印材料专利申请量占全球3D打印材料专利总申请量的26.21%。

作为技术创新重要体现的专利信息,能够反映出行业技术创新的现状和发展态势,已成为衡量国家或者地区科技水平高低的重要指标之一,从一个侧面反映了该地区的创新能力和科技水平。本期，3D科学谷将分享前瞻产业研究院发布的近十年来全球及中国3D打印材料专利申请概况，以此维度来洞悉3D打印材料技术的发展。

全球3D打印材料专利申请概况

 技术周期

2010-2019年，全球3D打印材料行业专利申请人数量及专利申请量均呈现增长态势。虽然2020年全球3D打印材料行业专利申请人数量及专利申请量均有所下降，但是这两大指标数量仍较多。整体来看，全球3D打印材料技术处于成长期。

注：当前技术领域生命周期所处阶段通过专利申请量与专利申请人数量随时间的推移而变化来分析。

 专利申请量及专利授权量

2010-2019年全球3D打印材料行业专利申请数量呈现逐年增长态势，2020年全球3D打印材料专利申请数量有所下降，为835项。

在专利授权方面，2010-2018年全球3D打印材料专利授权数量逐年增长，2019-2020年逐年下降，2020年全球3D打印材料行业专利授权数量为253项，较2019年下降明显。从授权占比来看，自2014年开始，全球3D打印材料技术专利授权占比出现大幅下降，且近些年呈持续下降趋势，2020年仅为30.30%。

2021年全球3D打印材料行业专利申请数量和专利授权数量分别为448项和72项，授权比重降至16.07%的低水平。

注：①专利授权率表明申请的有效率以及最终获得授权的提交申请成功率。

②统计说明：如果2012年专利申请在2014年获得授权，授予的专利将在2012年专利申请中显示。

 专利法律状态

截止2022年1月8日，全球3D打印材料大多数专利处于“有效”和“审中”状态，两者3D打印材料专利总量分别为2264项和1920项，占全球3D打印材料专利总量的53%和45%。PCT制定期内的3D打印材料专利数量为88项，占全球3D打印材料专利总量的2%左右。

 专利市场价值

截止2021年12月，全球3D打印材料行业专利总价值为3.43亿美元。其中，3万美元以下的3D打印材料专利申请数量最多，为2723项;其次是3万-30万美元的3D打印材料专利，合计专利申请量为1031项。3百万美元以上的3D打印材料专利申请数量最少，仅为9项。

统计口径：按每组简单同族一个专利代表的去重规则进行统计，并选择同族中有专利价值的任意一件专利进行显示。

全球3D打印材料专利技术类型

 专利类型

在专利类型方面，目前全球有3627项3D打印材料专利为发明专利，占全球3D打印材料专利申请数量的比例高达84.90%。实用新型3D打印材料专利和外观设计型3D打印材料专利数量分别为638项和7项，分别占全球3D打印材料专利申请数量的14.93%和0.16%。

 技术构成

从技术构成来看，目前“B33Y70 适用于增材制造的材料[2020.01]”及“B29C64 增材制造，即，三维(3D)物体通过增材沉积，聚结或层压，例如通过3D打印,通过光固化或选区激光烧结[2017.01]”两类技术的专利申请数量最多，分别为1241项和1133项。

 技术焦点

全球3D打印材料前十大热门技术词包括三维打印机、合金材料、组合物、光固化、催化剂、纤维素、共聚物、聚己内酯、机器人与制备装置。具体情况如下：

注：旭日图内层关键词是从最近5000条专利中提取。外层的关键词是内层关键词的进一步分解。

 被引用次数TOP专利

截止2022年1月8日，全球3D打印材料行业被引用次数最多的专利是专利号为“US10625062B2”的“Dilation catheter assembly with rapid change components”，其被引用次数为98次。其它被引用次数前十大专利如下所示：

全球3D打印材料专利竞争情况

 技术来源国分布

目前，全球3D打印材料专利申请中的第一大技术来源国为中国，中国3D打印材料专利申请量达到3079项，占全球3D打印材料专利总申请量的55.88%;其次是美国，美国3D打印材料专利申请量占全球3D打印材料专利总申请量的26.21%。欧盟和韩国虽然排名第三和第四，但是与排名第一的中国及排名第二的美国专利申请量差距均较大。

统计说明：①按每件申请显示一个公开文本的去重规则进行统计，并选择公开日最新的文本计算。②按照专利优先权国家进行统计，若无优先权，则按照受理局国家计算。如果有多个优先权国家，则按照最早优先权国家计算。

 中国区域专利申请分布

在中国的所有省市当中，广东为中国当前申请3D打印材料专利数量最多的省份，当前3D打印材料专利申请数量累计达581项。江苏、北京、上海、浙江累计申请3D打印材料专利数量均超过200项。中国当前申请省(市、自治区)3D打印材料专利数量排名前十的省份还有福建、山东、四川、陕西和湖北。

统计口径说明：按照专利申请人提交的地址统计。

 专利申请人竞争

从申请人的专利申请数量排名来看，截止2022年1月8日，皇家飞利浦电子股份有限公司累计申请3D打印材料专利数量为77项，位于全球第一。

其中，中国的科学院化学研究所、中石油化工、同济大学、浙江大学等七大企业与科研院所进入全球3D打印材料技术专利申请量TOP10行列，进一步反应中国在3D打印材料技术领域的领先优势。

注：未剔除联合申请数量。

知之既深，行之则远，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3D打印技术在细分应用市场深潜，请关注3D科学谷白皮书系列。

本文核心数据：3D打印材料专利申请数量、3D打印材料专利区域分布、3D打印材料申请人排名、专利市场价值等。

全文统计口径说明：1)搜索关键词：3D打印材料及与之相近似或相关关键词;2)搜索范围：标题、摘要和权利说明;3)筛选条件：简单同族申请去重、法律状态为实质审查、授权、PCT国际公布、PCT进入指定国(指定期)，简单同族申请去重是按照受理局进行统计。4)统计截止日期：2022年1月8日。5)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

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本期，3D科学谷与谷友通过GE最新通过的专利来共同领略GE如何通过造影剂技术来打造属于零件的身份证。

让零件身份可辨识

 零件身份降低运营风险

3D打印-增材制造技术日趋成熟，例如，使用各种材料（例如金属和塑料）的增材制造技术变得越来越精确，且价格变得越来越低。但是，增材制造技术的进步也降低了进入增材制造领域的障碍。例如，市场上通过逆向工程和复制，以安装伪造部件的风险增加，从而导致运营危险。

根据3D科学谷的市场观察，GE开发了一种技术，允许将纯正零件与假冒伪劣区分开，以确保通过增材制造产生的零件不会被未经授权的第三方复制。从而以这种方法用于认证增材制造的部件，以区分真品和伪造品。

这种方法包括在组分的一个或多个横截面层内选择性地沉积一种或多种造影剂，以限定组分的组分标识符。根据3D科学谷的深入了解该方法进一步包括将能量从能量源引导到造影剂上以融合造影剂和横截面层。

通过造影剂定义了部件标识符，可以通过用扫描仪扫描组件的识别区域并基于由扫描仪获取的数据来确定组件是真实的，从而获得指示组件标识符的数据。

零件外围与剖视图© GE专利

GE于2021年3月9日获公开的专利介绍了在内部主体层上选择性地沉积造影剂以限定该组件的组件标识符，以及将能量从能量源引导到造影剂上以使造影剂和内部主体层融合。根据3D科学谷的了解造影剂可以是使用X射线发射光谱法读取的X射线发射造影剂，使用红外照相机或红外扫描仪读取的红外造影剂等。

 适用面广泛

这种方法适用于多种增材制造技术，包括熔融沉积建模（FDM），选区激光烧结（SLS），通过喷墨和激光喷墨的3D打印，立体光刻（SLA），电子束熔化（EBM），直接金属沉积（DMD），数字光处理（DLP），直接选区激光熔化（ DSLM）等等。

这种造影剂可用于使用任何合适的材料来形成的零部件。例如，材料可以是塑料，金属，混凝土，陶瓷，光敏树脂或任何其他合适的材料。而对于金属材料来说，则包括但不限于纯金属，镍合金，铬合金，钛合金，镁合金，铝合金和镍或钴基超级合金等等。

增材制造技术使得零部件的形状和轮廓更加复杂，能够制造具有不同材料的单个部件，使得部件的不同部分可以展现出不同的性能特征。而通过造影剂给复杂的增材制造组件以对应的“身份证明”，可以容易地与复制品或伪造组件区分开。

尤其是对于那些零部件特征可能难以检测或不可能检测的情况下，通过逆向工程几乎不可能复制，虽然造影剂对于人眼可能是不可见的，但是这种隐形的“身份证”让零件的复杂性具有了“基因”般的可追溯性。

关于产品的“身份证”，3D科学谷此前曾在Fraunhofer的futureAM项目中介绍过为了演示Fraunhofer IWU开发的用于多种材料制造的系统技术功能，Fraunhofer IWU使用了玻璃封装的RFID应答器（也称为 RFID 标签），该应答器被放置在直接位于所制造组件表面下方的空腔中，并在随后的构建过程中将其紧密封装在组件中。该应答器用于保存和读取有关制造过程或组件属性的信息。

总之，根据3D科学谷的市场判断，让产品从制造出来就自带“身份证”是数字化制造时代的大势所趋！

l 文章来源：3D科学谷市场研究团队

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本期，3D科学谷通过GE最新在叶片专利方面的进展与谷友共同领略3D打印为叶片打开的新的发展空间。

©US10927680B2
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增材制造实现一体化复杂结构

 新技术突破挑战局限性

暴露在高温下的工作流体中的热气路径组件广泛用于工业机械中。例如，燃气涡轮系统包括具有多个级的涡轮，其叶片从支撑转子盘向外延伸，热的燃烧气体在叶片翼型上流动，机翼必须冷却以承受燃烧气体产生的高温。

冷却不充分可能会导致机翼上产生不必要的应力和氧化，并可能导致疲劳或损坏。因此，翼型通常是空心的，具有一个或多个内部冷却流动回路，该内部冷却流动回路导致多个冷却孔等。冷却空气通过冷却孔排出，以向机翼的外表面提供薄膜冷却。其他类型的热气路径部件和其他类型的涡轮部件可以以类似的方式冷却。

由于组件特定的高温和低温位置，组件或其任何区域可能达到的确切温度变化很大。特别地，该部件可能具有温度相关的特性，该特性可能会受到过热的不利影响。结果，许多热气路径部件可能被过冷以补偿可能在部件上形成的局部热点。但是，这种过度的过冷可能会对整个工业机器的输出和效率产生负面影响。

尽管存在冷却通道，但许多组件还依赖于施加在其外表面的隔热涂层（TBC）来保护组件。如果在热气通道部件的TBC中发生断裂或裂缝（称为剥落），则该部件在剥落处的局部温度可能会升高到有害温度。即使内部冷却回路出现在剥落位置的组件内，也会出现这种情况。一种解决TBC剥落的方法是在TBC下方的冷却孔中插入塞子。当发生剥落时，通常通过暴露于足以使塞子熔化的热量来移除塞子，冷却孔打开，并且冷却介质可以从流体耦合至冷却孔的内部冷却回路中流出。这个过程减少了过冷。然而，塞子的形成是复杂的，需要对材料进行精确的机械加工和/或精确的热处理或化学处理以形成塞子。

3D打印-增材制造技术提供了解决这些挑战的新思路和新的解决方法。

为了解决这些问题，3D科学谷曾分析过GE于2020年9月15日获得通过的专利《turbine airfoil multilayer exterior wall》公开的涡轮叶片具有多层的外壁的翼型设计。涡轮机翼的外壁的层可以间隔开以在其间形成冷却室。冷却室可各自通过在层之间延伸的分隔壁轴向地分隔成多个冷却室。

而根据3D科学谷市场研究团队的发现，GE于2021年2月23日获得通过的专利《Adaptive Cover for Cooling Pathway by Additive Manufacturing》公开了新的解决方案探索。

 成就复杂形状

在专利中，GE通过3D打印-增材制造热气路径（HGP）部件，根据3D科学谷的了解该HGP部件包括：外表面、内部冷却回路，与内部冷却回路连通并朝着内部冷却回路延伸的冷却路径。

热气路径HGP部件和自适应盖通过3D打印-增材制造形成，并且可以包括在自适应盖上的传热增强表面，以在其上的热障涂层（TBC）中被剥落暴露时增加向其的传热。

因此，仅当在其上发生TBC剥落时才移除自适应盖，仅在必要时才允许冷却。当TBC在其上方散裂时，该冷却路径将迅速打开。

参照图13，HGP部件100和自适应盖220可以被3D打印制造，使得自适应盖220与外表面180和冷却路径200一体化形成。

 新赛道提升创新力

增材制造的作用在航空领域不仅精确，而且考虑到所制造零件的复杂性，它的生产速度还足够快。在国内，商发公司牵头国家重点研发计划“增材制造支撑动力装备复杂系统构件创新设计、制造和维修全流程优化的应用示范”项目，包括中国航发606所、624所、608所、614所、航天31所等多家单位参与该项目。3D打印正在助力打造C919的“国产心”

国内民营航空方面，成立航空2015年开始用增材制造技术进行航空发动机燃烧室零部件研发制造。成立航空在增材制造应用方面开展了燃烧室喷嘴、燃烧室旋流器、燃烧室火焰筒、电机壳体等部件的研发工作。在金属3D打印进入到量产的产业化前景方面，成立航空正在推进发动机电机壳体的量产。

更多信息,参考3D科学谷发布的《一文洞悉国内航空发动机叶轮叶片3D打印进展到哪里了？》《一文领略国内在3D打印航空发动机领域的研究进展》《3D打印与航空发动机白皮书》。

l 文章来源：3D科学谷市场研究团队

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©汉胜

更复杂的内部结构

根据汉胜2020年12月22日通过的最新专利US10871334B2，他们开发了热交换器结构中包括一对相对的、间隔开的热交换器板，在这之间限定了具有入口和相对的出口的热交换器空间。

 狭缝的新制造方式

3D科学谷了解到这个多层结构的热交换器空间内包括多个热交换器肋，每个肋体包括穿过其中的多个狭缝，以限定从热交换器空间的入口到出口通过热交换器肋的流动路径。

每个肋包括多个增材制造层，这些增材制造层与通过其狭缝限定的流动方向对准。每个肋可包括多个超声增材制造层，与通过其狭缝限定的流动方向对准。

根据汉胜公司的设计，每个狭缝可以是基本矩形的，矩形阵列可包括三乘三阵列中的九个狭缝，或者沿四乘三阵列中的四个狭缝沿纵向排列的十二个基本矩形狭缝。

这样的设计可以用于安装于液冷式电动机控制器的冷却板中，将热交换器的出口与冷却通道中的第二个流体连通。通过使流体循环通过冷却通道和热交换器来冷却冷板体。

这种多层热交换器的制造方法是超声增材制造3D打印技术，通过超声增材制造技术形成多个热交换器肋，在连续沉积多个层后，形成肋体和狭缝。最后对其进行机加工，以获得想要的精度。

热交换器局部剖开的透视图

热交换器和冷却板可以分别制造，然后可以连接在一起。还可以预期的是，通过增材制造技术，将通道冷板和一个或多个热交换器整体形成在一起制造出来。

 超声增材制造的特殊应用

UAM超声增材制造3D打印技术主要使用使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属层，从而完成3D打印。该方法能够实现真正冶金学意义上的粘合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。

关于UAM超声增材制造3D打印技术，根据3D科学谷的市场观察，国际上Fabrisonic的方法可以同时“打印”多金属材料，而且不会产生不必要的冶金变化。该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出带有高度复杂内部通道的金属部件。

由于电子设备往往会产生热量，热管理组件往往会成为设计的关键部分。这种热交换器装置过去是通过CNC机加工而成的，但是机加工在创建复杂的通道以及阵列式的交叉钻孔和内部路径的能力十分有限。而如今可以通过UAM来制造出拥有复杂内部通路的金属部件，使其具备良好的热传导性。

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到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。

根据3D科学谷的市场观察，不仅仅是汉胜公司，不少的公司在3D打印热交换器和散热器方面获得了进展。其中包括在航空航天领域的GE、雷神公司、诺思罗普·格鲁曼公司、Unison Industries公司；在汽车领域的HiETA Technologies与雷尼绍合作开发的换热器，Conflux所开发的新型高效热交换器ConfluxCore以及菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）开发的铝制散热器；在IT电子领域微软、IBM、Ebullient LLC等公司开发的微处理器冷却解决方案以及热管理系统。

而关于文中提到的通过机加工进行后期的处理，这其中面对着很多挑战。其中，需要值得注意的是CNC数控加工对夹具有两大要求，一是夹具的精度和刚度，二是夹具应该有可靠的定位基准。夹具的可调整性，通用性是十分重要的，可以缩短生产准备时间。通过3D打印-增材制造工艺，可以特别灵活地制造复杂且个性化的零件。国际上GF加工方案推出了适用于3D打印的专用夹具，是衔接3D打印与机加工的一大亮点。

有关热交换器与散热器的深入应用、技术发展趋势，请前往《3D打印与热交换及散热器应用2.0》白皮书。

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，敬请扫码参与调研。

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根据江苏激光联盟，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家设计了一种新型3D打印晶格结构，这种结构综合了超轻结构和高刚度的优势，打破了之前认为需要展示此类特性的Maxwell设计规则。他们为此专门开发了一个设计软件，使用他们编写的拓扑优化软件，创建了两个由微架构桁架组成的独特单胞设计，其中一个被设计为具有各向同性(相同和全方位)材料特性。

SEM观察到的使用投影显微立体光刻打印技术得到的经典的八位元晶格和拓扑优化,各向同性扁圆以及准球形八面体晶格。©LLNL

“强大”决定于“微小”之间

具有随机微结构的材料,如泡沫材料,典型的呈现出低的机械强度,而设计的具有微结构的格栅结构则经常表现出显著的提高的刚性.这些周期性的架构材料在早先已经被通过一定的规则进行了设计，使用的是Maxwell准则来确保他们的变形主要受他们的棱柱的拉伸所制约。

经典的设计遵循这一规则时则倾向于各向异性，其刚性依赖于载荷的方向，但在最近，各向同性设计曾经被报道在叠加互补各向异性晶格的时候得以实现。

 打破早先的设计规则

来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ）的研究人员设计了一类新的３D打印晶格结构的材料，这一设计综合了超轻和高刚性的优势，尽管这一设计打破了早先的设计规则所应该具有的性质。其中这一设计的结构额外的还呈现出在不同的方向施加力的时候均可均匀的进行变形反应。

LLNL的研究团队将这一成果发表在顶刊《 Science Advances》上所描述的那样，研究团队在Seth Watts的领导下，使用拓扑优化软件，设计出两种独特的单元细胞的晶格设计方案。其组成为微结构桁架，其中一个设计成各向同性的材料性质（即各个方位性质均一致）。这些新的结构被制造之后并进行了测试，研究发现其性能完胜八进制的棱柱结构，这是一种用于３D打印晶格结构时的一种标准的形状。

杨氏模量同 单轴载荷状态的方向（单元晶格的矢量）之间的关系

让研究人员感到惊奇的是，其晶格栅架结构看起来明显违反了Maxwell准则，这一准则是一个结构刚性的用于机械设计的处理办法,该原则假设认为结构能够承受的最大的有效载荷变形时只在拉伸的时候。在这一结构中,刚性的大小同密度呈线性关系 —将材料结构的重量减半的话只是将其刚性进行了减半,相反的是,结构的刚性的有效性则会减少三分之一或者八分之一。这一线性的尺度使得创造出超轻，超刚性的机械超材料成为可能。

根据论文的联合作者Watts，一直以来研究人员认为Maxwell 准则在应用低密度的高刚性材料的时候是必要和充分的。LLNL的研究结果证明这一准则不再是一个必要的前提条件。换言之，,这里存在大量的棱柱具有这一线性的尺度准则。

这一工作表明这一新的设计理念将会得到以前认为的所不能得到的更好的材料性能，因为这一设计理念违反了传统的设计理念。LLNL研究人员发现，这一工作同时也证明了使用拓扑优化技术之后，工程人员可以设计新的结构来完胜采用传统的设计理念所得到的材料的性能。

研究人员对不同密度的样品进行了测试来观察当他们在不同的角度进行压缩的时候会发生什么现象。实验结果颠覆了经典的八面体棱柱的设计理论。

研究人员称各向同性的棱柱结构可以拓展应用于3D打印金属和陶瓷，此外这对生物材料的应用，如3D打印生物组织，需要进行可调制的刚性时是非常重要的。在航天领域也会找到这方面的应用。在无人机中或战斗机中，例如，需要减轻重量的场合具有双重的意义，增加了设备的可操控性和减少了设备的惯性，使得其具有优异的性能。

轻量化结构的设计同时还可以减轻制造成本，燃油消耗和减少材料的浪费。同时还拥有其他优点，如对工程结构来说可以具有更加优化的结构。LLNL的长期研究目标是转向创造和使用LLNL最新的材料数据库。

LLNL实验室正在持续开展他们的工作，包括完全表征所制备材料的晶格结构的物理特征，在超越其线性弹性模量的前提下，包括传热、非线性机械性能、振动和失效等情况下表征其物理特征。

将来用于超轻多孔结构材料的一种平板的晶格结构材料

l 文章来源: Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. Tortorelli，Christopher M. Spadaccini，“Stiff isotropic lattices beyond the Maxwell criterion” by Wen Chen, Seth Watts, Julie A. Jackson, William L. Smith, Daniel A. Tortorelli and Christopher M. Spadaccini, 27 September 2019, Science Advances.:Vol. 5, no. 9, eaaw1937，DOI: 10.1126/sciadv.aaw1937以及MIT，Thomas Tancogne-Dejean et al. 3D Plate-Lattices: An Emerging Class of Low-Density Metamaterial Exhibiting Optimal Isotropic Stiffness, Advanced Materials (2018). DOI: 10.1002/adma.201803334

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AMPOWER是工业增材制造领域的领先咨询公司，由Dr. Maximilian Munsch，Matthias Schmidt-Lehr，Dr. Eric Wycisk创立，AMPOWER通过开发和分析市场以及技术研究，为客户提供战略决策建议。在运营层面，AMPOWER通过有针对性的培训计划以及适用于生产的组件的识别和开发，为增材制造的引入提供支持。AMPOWER进一步的服务包括质量管理、内部和外部设备鉴定支持、跨国市场进入支持。

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然而，3D打印为热交换器的制造另辟蹊径，本期，3D科学谷与谷友来一起领略汉胜公司（Hamilton Sundstrand Corp）通过3D打印改进的逆流热交换器的个中奥秘。

*欢迎在文后留言申请长期转载授权“

汉胜3D打印热交换器专利。US10816282B2

完美控制压降

 热交换器助力提升发动机性能

热交换器对于引擎和环境控制系统等众多系统的功能至关重要。在发动机上，热交换器用于各种油和空气冷却应用。热交换器对于环境控制系统（空气循环）以及其他冷却系统的运行至关重要。这样的应用不断要求提高传热性能，减小压力损失以及减小尺寸和重量。

当前的热交换器产品以板翅片结构为主，而传统的板翅式结构施加了多个设计约束，这些约束会抑制性能，增加尺寸和重量，遭受结构可靠性问题，无法满足未来的高温应用并限制系统集成的机会。

在传统的逆流换热器中，从管道流向分层结构的过渡需要特殊的集管技术，并且会显着影响整体性能。

根据3D科学谷的市场研究，汉胜开发了一种新的制造热交换器的方法。该方法包括通过增材制造-3D打印热交换的芯部分，集管部分和过渡区域。

热交换器的芯部的剖视图。来源：US10816282B2

 分流再合流

汉胜的设计使流体流分开随后合并流体流，通过逐渐改变从芯部分到出口的通道尺寸，减少了压降。在入口处具有较大的通道，其中总流动面积相对于芯部较小（并且流速相对于芯部较高），从而减轻了由于较大的水力直径而引起的压降。

根据3D科学谷的了解将液压直径加倍可将压降降低三倍以上。除了减小压降之外，还减小了整个组件的应力。传热面积和热容量的逐渐变化（来自逐渐变薄的壁）可以缓解热膨胀产生的应力。由于较高层的截面模量增加，加速度和振动应力也减小了。

在汉胜的设计中，分离和合并是高度对称的，这保证了良好的流量分配，并且可以在狭槽和每个通道的至少一部分之间提供直接的视线，以限制流体的压降。

在通过增材制造工艺制造热交换器的情况下，可以通过基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印工艺或者电子束选区熔化金属3D打印工艺整体地形成热交换器。这避免了多个零件之间的焊接，并且可以实现更加随形的设计。

3D科学谷Review

根据sciencenet，汉胜公司（Hamilton Sundstrand Corp）是一家美国企业（美国联合技术集团的下属公司），主要生产航空和工业产品。2019年，汉胜公司获得欧洲发明专利292项，比上一年增长了57%，是获得欧洲专利数量第40多的机构。欧洲是汉胜公司的主要市场。

相对来讲，汉胜公司专利研发的优势领域是：铁路船舶和飞行器、发电和输变电、半导体零配件、发动机和泵、一般机械和武器。从绝对数量上来看，汉胜公司的重点技术领域是：铁路船舶和飞行器、发动机和泵、发电和输变电、一般机械和武器、照明与制冷制热。

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到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。

以计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）形式进行的模拟是AM热交换器开发的重要工具，但是仿真模拟是无法完全替代实际产品测试的，换言之，经验数据的重要性对于增材制造热交换器获得认证仍然至关重要。

增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。当前增材制造热管理解决方案提供商、3D打印设备企业、正向设计企业、材料企业正在多方面利用增材制造技术的优势，推动高度复杂热管理问题的解决方案。

根据3D科学谷《3D打印与换热器及散热器白皮书》，通过应用3D打印技术，降低了热传导路径的热阻，同时保持或降低了系统的重量。根据3D科学谷的了解，3D打印的热管理系统的技术特点包括重量轻、热阻低、形状不受限制，结构一体化等优点。在商业方面的突出优势包括可实现定制化设计、更低的制造价格、更多的功能以及相同体积的更多热元件。

可以说，在以产品功能实现为主导的正向设计方面，热交换器和散热器方面，正在发生产品设计层面上的不断的创新，这些创新将以商业化实现的方式提升人类热管理的效率和能力。

而根据3D科学谷的市场观察，不少的公司在3D打印热交换器和散热器方面获得了进展。其中包括在航空航天领域的GE、雷神公司、诺思罗普·格鲁曼公司、Unison Industries公司；在汽车领域的HiETA Technologies与雷尼绍合作开发的换热器，Conflux所开发的新型高效热交换器ConfluxCore以及菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）开发的铝制散热器；在IT电子领域微软、IBM、Ebullient LLC等公司开发的微处理器冷却解决方案以及热管理系统。

有关热交换器与散热器的深入应用、技术发展趋势，请前往《3D打印与热交换及散热器应用2.0》白皮书。

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