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增材制造前沿技术快报2024年第3期

2024年第3期 总第15期

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    政策跟踪

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    政策

    马萨诸塞州州长宣布提供超过 300 万美元的资金以促进制造业发展

    马萨诸塞州州长 Healy-Driscoll已宣布为 17 个项目提供超过 300 万美元的赠款,作为先进制造中心 (CAM) 马萨诸塞州制造加速计划 (MMAP) 的一部分。该联邦于 2021 年夏季创建了 MMAP,以帮助中小企业 (SME) 将增材制造等尖端技术融入其工作流程中。在年度融资轮次中,MMAP 以 1:1 的最低成本分摊安排为获奖者提供资助。 MMAP 根据标准确定其资助目标,包括促进马萨诸塞州公平劳动力发展的提案的潜力、马萨诸塞州先进制造生态系统内申请人和非营利组织之间的合作,以及与每年发布的关键行业清单的战略一致性。2023 财年 MMAP 招标要求能够支持“半导体、国防、航空航天、电池技术和增材制造”行业的制造项目。中小企业的典型非营利合作伙伴包括准国家组织,如咨询公司马萨诸塞州制造推广合作伙伴关系(MassMEP)、职业发展网络MassHire和先进制造联盟伯克希尔创新中心(BIC)。这一轮的获胜者之一是位于马萨诸塞州纳蒂克的 Busek Co. Inc.,该公司开发和制造各种用于太空和航空航天的组件和系统,包括太阳能电动火箭。 Buseck 与 MassMEP 合作,帮助执行其提高 1-3 名工人技能的计划,并计划将 20 万美元拨款用于购买新设备,例如用于快速原型制造和加工的金属 3D 打印机。马萨诸塞州已开发出美国最复杂的州级创新生态系统之一,随着联邦政府继续加大对建设先进制造业集群的关注,建立了一种其他州可以在未来几年起带头作用的模式。 CAM 是马萨诸塞州技术合作组织的一部分,该组织还设有东北微电子联盟中心,该中心去年 9 月通过 CHIPS 法案获得了大约 2000 万美元的国防部资助。

    关键词: 政策跟踪 

    政策

    NGen 宣布拨款 1 亿美元以促进加拿大制造业的可持续发展

    加拿大先进制造全球创新集群背后的非营利组织NGen宣布了一个新项目,致力于提高加拿大制造业的生态可持续性,该计划被称为“可持续制造挑战”。NGen将投资 3500 万美元,工业界将投资超过 6500 万美元,以加速加拿大清洁和先进技术的采用。该计划旨在通过减少能源使用和自然资源消耗、提高运营效率、减少浪费、使用回收和可持续材料、改善产品生命周期管理和闭环等方法,支持国家实现温室气体净零排放的目标,并培育循环材料生产。增材制造是这类项目的理想选择,因为它可以提高大多数系统的运行效率,同时减少能源和资源投入。在某些情况下,它可以使用回收原料来做到这一点。项目重点致力于以下方面:低碳——燃料、原料、能源;实施净零设施;高热量产生的创新解决方案;碳捕获、利用和储存;跟踪和管理整个供应链的温室气体排放;智能制造可提高效率并减少温室气体排放;更环保/循环/可持续材料。NGen 首席执行官 Jayson Myers 表示:“先进制造提供了实现加拿大减排目标所需的许多解决方案,NGen 希望结合在清洁技术、自动化、先进材料和智能数字技术方面的巨大优势,开发可持续制造解决方案,造福加拿大和世界。”

    关键词: 政策跟踪 

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    政策

    METAMET 项目旨在利用晶格超材料优化增材制造

    由公司和研究组织组成的联盟正在着手开展 METAMET,这是一个新项目,提出了用于晶格超材料结构的设计和增材制造的数​​字框架。该联盟包括Authentise、NS85 Ltd、Holdson Limited 和 Joining 4.0 Innovation。METAMET 项目根据第 10081046 号拨款协议已成功获得了 Innovate UK 的资助,为期 18 个月。该项目的目的是找到一种使用晶格优化增材制造零件的全面且可追溯的方法,可以为零件提供额外的材料特性,例如定向冷却、减少振动和增强​​抗裂性。METAMET 的研发活动将致力于提供一个端到端的数字框架,涵盖设计和制造金属微晶格所需的全部步骤。工作包括材料选择(例如铝、钛和/或钢合金);晶格结构和细胞几何形状的概念设计;使用计算机辅助设计(CAD)进行设计;模拟和优化以评估结构、行为、强度重量比和能量吸收能力等特性;使用粉末金属进行增材制造;后期处理;测试和表征。在验证设计和制造阶段后,最终目标将是通过使用定制制造设备或与专业制造设施合作等来扩大制造规模,以实现实际部署。

    关键词: 政策跟踪 

    趋势研判

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    趋势研判

    预计到2032年核心聚合物增材制造市场收入将突破450亿美元

    根据《聚合物增材制造市场 2023》报告显示,2022年,聚合物增材制造硬件、材料和服务市场共创造了 56 亿美元的收入,与去年同期相比增长了 19%。该报告预测,到 2032 年,核心聚合物增材制造市场的年收入将达到 450 亿美元,复合年增长率为 23.3%。2022 年,工业、汽车、消费品和牙科行业是对核心聚合物增材制造市场总收入贡献最大的四个行业。这四个行业占据了近一半(48%)的市场份额。它们的影响仍将是巨大的,因为预计到 2032 年它们将占整个核心聚合物增材制造市场的约 50%。从地区来看,北美是 2022 年收入最多的地区。预计将从 23 亿美元增长到 166 亿美元,复合年增长率为 21.8%,到 2032 年仍然是最大的地区。亚太地区预计将从 18 亿美元增长到 158 亿美元。

    关键词: 趋势研判 

    工艺/材料/装备创新

    粉末床熔融PBF

    专家解读供稿人:华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室  闫春泽;史玉升

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    论文

    激光选区烧结制备共连续结构磁响应形状记忆聚合物

    中南大学的Feng等人通过激光选区烧结(Selective laser sintering, SLS)技术开发了一种具有共连续结构的新型磁响应形状记忆PLLA/TPU材料。该研究成果于2023年12月发表在《Virtual and Physical Prototyping》上。研究人员通过在聚(L-乳酸)(PLLA)和热塑性聚氨酯(TPU)基体中添加Fe3O4纳米粒子,改变了TPU相的界面张力和流动行为,成功构建了具有共连续结构的PLLA/TPU/Fe3O4复合材料。这种结构的建立显著提升了材料的形状记忆特性,使其在外界磁场的激励下能快速恢复原有形状。通过采用SLS技术,精确控制Fe3O4纳米粒子的添加量和分布,从而优化了复合材料的机械和形状记忆属性。如图1所示,Fe3O4纳米粒子不仅赋予了混合材料磁响应功能,其热生磁效应也大大加速了材料的形状恢复速度。此外,实验结果显示,这种材料具有优异的生物相容性,能够促进细胞的黏附、扩展和增殖,这对于骨组织工程应用尤为重要。这种PLLA/TPU/Fe3O4形状记忆复合材料的开发,不仅推动了SLS技术在高性能生物医用材料领域的应用,也为未来的医疗器械设计和制造提供了新的方向。图1 热生磁效应加速复合材料的形状恢复速度

    关键词: 激光选区烧结  磁响应  形状记忆聚合物  粉末床熔融PBF 

    专家解读供稿人:华南理工大学  杨永强;宋长辉

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    论文

    通过多模态过程监测和X射线技术预测激光粉末床熔融期间的局部匙孔孔隙

    美国Lawrence Livermore国家实验室联合SLAC国家加速器实验室研究了一种数据融合方法,用于监测激光照射Ti-6Al-4V材料过程中匙孔孔隙的形成,并开发了数据融合机器学习(ML)模型,用于对各种时间尺度上的匙孔进行局部预测。该研究成果于2023 年 9 月发表在《Additive Manufacturing》期刊上。该方法同时记录使用离轴和同轴的光电二极管测量热量导致的光发射和声发射,并通过每秒20000帧的高速同步加速器X射线成像监测表面缺陷的形成,从而能够以50微秒的分辨率重现匙孔孔隙与监测信号进行时间配准。图1 实验装置示意图该实验室开发的数据融合机器学习模型能监测0.5ms至2ms的各种时间尺度下的匙孔形成。关键方法是通过使用功率谱密度(PSD)和高度比较时间序列分析(HCTSA)框架对信号片段进行特征化,然后将不同传感器模态提取得到的特征融合在一起,构建一个多模态的特征空间和顺序特征选择用来确定最有用的特征训练ML模型,最后对支持向量机(SVM)、K-最近邻(KNN)、高斯朴素贝叶斯(GNB)三种分类算法的预测性能进行了评估。研究表明,孔隙形成预测F1得分为0.95,召回率和准确率分别为1.0和0.94,并对PSD和HCTSA两种特征化策略进行了评价。

    关键词: 激光粉末床熔融  原位监测  X射线  匙孔识别  传感器融合  粉末床熔融PBF 

    专家解读供稿人:华南理工大学  杨永强;宋长辉

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    专利

    基于高斯光束、光束整形复合光束的金属SLM打印系统

    随着航空航天工业的快速发展,对轻量化高性能金属材料的需求也日益迫切,LPBF成形铝合金已成为航空航天结构轻量化的关键应用。然而现有高斯光束过度聚集的激光能量会导致高凝固速率和大熔池温度梯度,易在成形件内部形成热裂纹。本发明的目的在于提供一种基于高斯光束、光束整形复合光束的金属SLM打印系统,解决激光增材制造裂纹敏感型铝合金成形性差、易产生裂纹的问题。图1 基于高斯光束、光束整形复合光束的金属SLM打印系统示意图本发明提供了一种基于高斯光束、光束整形复合光束的金属SLM打印系统,对激光粉末床熔融成形设备进行改造,将激光器输出的高斯光束通过一对方向相反的锥镜,入射光束发生折射,平面波与锥形元件表面波矢量产生干扰,使得激光高斯光束整形成非高斯光束。本发明提出的这种装置,可以在不显著增加激光选区熔化成形设备制造成本的同时,通过光束整形有效降低成形过程中熔池内部的温度梯度。

    关键词: 激光增材制造  激光粉末床熔融  光束整形  复合光束  粉末床熔融PBF 

    专家解读供稿人:清华大学课程《增材制造基础与前沿》  关可铭;赵沧

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    论文

    AM-SegNet:增材制造原位X射线图像分割与特征量化

    伦敦大学学院的研究人员开发了一种广义轻量级神经网络(AM-SegNet),旨在解决金属增材制造过程中同步辐射X射线高分辨图像的特征分割和量化问题。结果表明,该模型能准确识别并分割匙孔、气孔等关键特征,达到约96%的准确率,并保持每帧处理时间少于4毫秒的效率。研究成果于2024年3月在线发表于期刊《Virtual and Physical Prototyping》。图 1 AM-SegNet工作流程示意图。(a)采用轻量级卷积块和注意机制的AM-SegNet架构;(b)基于可分卷积、残差卷积和挤压扩展操作的轻量级卷积块结构;(c)标准卷积层所采用的注意机制结构如图1所示,该模型主要为编码器-解码器结构,采用了轻量级卷积块以提高计算效率,并结合了注意机制以改善敏感性和分割准确性。此外,建立了一个像素标记过的X射线图像基准数据库(数量超过10000张),用于模型训练和测试。该研究为终端用户提供了一种加速数据从采集至分析处理的方法,将促进对于增材制造过程的理解。

    关键词: 增材制造  X-射线成像  深度学习  语义分割  粉末床熔融PBF 

    生物3D打印

    专家解读供稿人:华南理工大学  宋长辉

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    论文

    3D打印生物可降解锌基多孔支架的多尺度结构设计

    3D打印的锌基合金多孔支架被视为良好的生物植入体,在过去得到了重点关注。多孔结构的设计能够提高材料的降解速率,从而避免大块合金的长降解时间与骨修复的较短时间周期的不匹配。然而,过快的降解速率引起的锌毒性是存在的一个关键挑战。作为异物的植入体在体内会诱发免疫系统做出反应。对免疫细胞的调节是解决这一挑战的一个关键。为此,北京航空航天大学Shuang Li等研究人员提出了一种多尺度结构设计的锌基多孔支架,可以成功的协调免疫细胞反应和随后的骨再生。相关研究成果于2024年4月11日发表于《nature communications》期刊。研究人员制作了孔隙率为90%的锌基合金支架,支架的比表面积是其体积对应物的10倍。为了降低锌过量毒性的风险,研究人员选择了高强度二元Zn-Li合金体系,并检测了锌离子和锂离子共同释放对 RAW264.7巨噬细胞极化和炎性细胞因子表达的影响。随后选择综合性能最佳的锌锂合金,并通过激光粉末床熔融技术制备锌基多孔支架。在中尺度上,作者通过超声波处理、酸蚀和电化学抛光等方法在支架表面形成具有不同形态的微图案。具有纳米尺度粗糙度的表面图案有利于丝状伪足的形成和巨噬细胞的扩散。材料组成和表面图案之间的最佳组合被进一步用于创建具有仿生最小表面几何形状的锌基多孔支架。在宏观尺度上,各向同性极小表面 G单元表现出适当的降解速率和更均匀的特征。在体内,G结构支架在促进巨噬细胞向抗炎表型极化方面表现出更高的效率,并显著促进骨再生。在体外, G支架可以通过上调Il-4和Il-10的表达来激活巨噬细胞中的JAK/STAT途径,进一步促进成骨。多尺度的结构设计为解决可降解锌基生物支架目前存在的挑战提供了良好的解决方案。图1 锌基多孔支架的多尺度集成设计

    关键词: 生物可降解  锌基多孔支架  多尺度结构设计  免疫调节  生物3D打印 

    专家解读供稿人:华南理工大学  宋长辉

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    论文

    投影式光固化3D打印高仿生支架负载工程化纳米囊泡

    华中科技大学的孙家明团队在骨的天然微通道和皮质网络的启发下,利用投影式光固化3D打印技术(EFL-BP8601 Pro)制作了高仿生结构的PCLMA骨支架,该支架具有外层骨皮质、内层复杂网状的松质骨、Haversian管和横向穿透的Volkmann管。随后通过生物素-链霉亲和素系统将脂肪干细胞来源的工程化纳米囊泡(ADSC-ENs)稳定地负载到支架表面。该支架为骨缺损区提供了具有合适活性成分的仿生结构支撑,人工构建了缺损区的局部血管化和成骨微环境。实验结果表明,该支架具有良好的生物相容性,能显著促进血管生成和成骨过程。相关工作于2024年4发表在《Biomaterials》上。研究人员首先,使用MAAh对三臂聚己内酯(PCL)进行改性为PCLMA,以满足PCL材料的光固化性。用PCLMA树脂进行光交联后的光学图像表明,MAAh改性的三臂PCL具有光固化能力,在405nm紫外光照射20s后达到稳定固化。随后,利用投影式光固化3D打印技术对PCLMA的打印性能进行了研究,并设计了不同的结构进行打印精度测试。此外,还使用了微距镜头进行多角度摄影,以探索打印细节。结果表明,PCLMA可以以高打印精度打印各种三维结构,红色箭头表示PCLMA可以打印的精度高达100μm。由于在合成PCLMA的过程中,过量的MAAH取代了几乎所有的末端羟基,仿生支架的表面首先用盐酸和高锰酸钾处理,暴露了表面的羟基,然后进一步对生物素进行修饰,以实现支架表面的生物素修饰。接下来,生物素在仿生支架的表面被修饰,以允许更好地负载ENS。仿生骨支架设计有中央髓管、外周哈弗管和外侧Volkmann管,以探索其使用PCLMA材料打印的可行性。随后,用生物素对仿生骨支架进行生物素修饰,以用于链霉亲和素的接枝。最后,在各个角度下观察了支架的细节,PCLMA支架和生物化支架都具有良好的仿生结构。FT-IR分析表明,与PCLMA相比,经HCL/KMnO4处理后得到的PCLMA-OH在3300-3650 cm-1处有一个峰,表明表面羟基暴露。此外,生物素化的PCLMA(PCLMA-Bio)在1500-1580 cm 处有一个微小的峰,与PCLMA-OH相比略有移动,从而证实了生物素通过EDC/DMAP化学偶联成功地接枝到支架表面。接下来,用FITC标记链霉亲和素,荧光显微镜显示PCLMA-Bio Avidin+与PCLMA相比具有更强的荧光信号,这同样表明PCLMA成功的生物素化。本研究成功地利用投影式光固化3D打印技术制备了高精度的仿生骨支架,并通过灌流装置将生物素标记的ENs移植到其上。这种精心设计的仿生支架负载丰富的工程化纳米囊泡,建立了一个有利于成骨的微环境。体内实验进一步证实了其促进大段骨缺损修复的能力,可归因于其早期的免疫调节、促进血管生成和促进成骨反应。因此,本研究为功能化高精度仿生支架的研究提供了一种有前景的策略,为骨缺损微环境的局部调控铺平了道路。图1 PCLMA的表征及材料的表面生物素化

    关键词: 仿生支架  微环境调节  工程小泡  DLP 3D打印  生物3D打印 

    专家解读供稿人:华南理工大学  宋长辉

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    专利

    双网络强韧弹性生物活性墨水、弹性组织制品及制备方法

    由外伤、肿瘤、退行性疾病和外科手术等造成的骨缺损或骨损伤会给患者带来严重的生理和心理影响。目前在临床上应用较多的骨损伤疗法为自体骨或异弹性组织,包括心脏、肺、耳廓、气管和血管,都含有丰富的细弹性纤维。外伤或疾病对这些组织的破坏对人体健康和生活质量有重大影响。例如,小耳畸形主要表现为外耳道弹性软骨组织部分或全部缺失。与其他先天性畸形相比,小耳症的发病率相对较高,全球每1万名新生儿中就有0.83-17.4人患有小耳症。为了克服自体移植物和异体移植物的局限性和并发症,组织工程成为一种潜在的替代策略,并在过去几十年中迅速发展。在所有以组织工程为导向的生物制造方法中,三维(3D)生物打印显示出独特的优势,通过精确定位细胞、生物材料和可能的生物信号分子,可再造出具有复杂结构的活体组织,从而模拟其解剖学特征并促进组织再生。该发明涉及双网络强韧弹性生物活性墨水、弹性组织制品及制备方法,涉及3D打印生物墨水技术领域,所述的双网络强韧弹性生物活性墨水具有以下成分:甲基丙烯酰明胶、邻硝基苄基接枝透明质酸和弹性蛋白。本发明的双网络强韧弹性生物活性墨水通过构成两层网络且互穿形成双交联双网络结构,且邻硝基苄基接枝透明质酸/弹性蛋白为席夫碱动态交联,高度卷曲的弹力蛋白赋予了该生物活性墨水具有优异弹性和韧性的结构基础;与现有的水凝胶相比大幅度提升了韧性、弹性、刚性、粘弹性及生物活性,使负载于其内的细胞的生物学行为得到促进;体内、体外实验表明:该双网络强韧弹性生物活性墨水有效地促进了弹性软骨组织的再生。图1 该发明的水凝胶的分子机制示意图和物理性质

    关键词: 生物 3D 打印  组织工程  增材制造  生物3D打印 

    微纳3D打印

    专家解读供稿人:山东省增材制造工程技术研究中心  朱晓阳;兰红波

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    论文

    亚微米精度单光子3D打印熔融石英玻璃

    因为玻璃的高硬度、高脆性和高化学稳定性,制造具有高精度和低表面粗糙度的任意三维形状玻璃是极其困难的。近年来,增材制造被视为玻璃加工的重要手段,尤其是新兴的先进3D打印技术以数字设计和逐层累积的方式为手段,成为赋予玻璃构件极高设计自由度和精确成型能力的强大工具,通过玻璃前驱体的设计,可制造出具备任意三维结构的熔融石英玻璃器件。然而,由于3D打印技术在精度和效率方面存在的固有矛盾,高精度双光子技术的单次加工面积只有百微米等级,对于实用器件的加工存在较大困难。毫米/厘米级尺寸又带有亚微米级特征的复杂玻璃三维结构制造尚未有效解决,这一问题严重限制了该技术在微光学、微流控、微机械及微表面等先进领域的应用。近日,香港理工大学3D打印中心温燮文教授与香港大学机械工程系陆洋教授合作,在此前双光子打印工作的基础上,提出了一种通过单光子微立体光刻3D打印技术制备具有亚微米特征的熔融石英玻璃三维构件的方法,用此方法制作的香港维多利亚港立体微缩景如图1,在一个毫米尺度内清楚呈现整个维港风貌,而且如SEM图所示,细节十分细致。作者首先研发了基于聚乙二醇官能团表面修饰的单分散二氧化硅溶胶复合纳米前驱体,随后采用单光子微立体光刻3D打印技术进行高精度成型,并经过一系列后处理步骤转化为高质量的透明熔融石英玻璃。通过后处理,打印构件引入了均匀的体积收缩,进一步促进了最小体积的生成,从而将极限分辨率由打印时的2.0 × 2.0 × 1.0 μm3提升至最终的0.8 × 0.8 × 0.5 μm3。通过表征,作者确认最终产物为纯二氧化硅,具有无缺陷、高质量的微结构和卓越的光学性能,并可与商用高纯熔融石英玻璃(JSG-1,SiO2 ≥ 99.99%)相媲美。该方案克服了现有熔融石英玻璃3D打印技术的分辨率和效率限制,有效地弥合了宏观和纳米尺度之间的差距。所生产的熔融石英玻璃具备多样化的三维微纳结构、高成型质量、出色的透明度以及优异的机械性能和稳定性。图1单光子微立体光刻3D打印香港维多利亚港立体微缩景

    关键词: 增材制造  单光子微立体光刻  石英玻璃  亚微米结构  微纳3D打印 

    电子增材制造/3D打印电路

    专家解读供稿人:山东省增材制造工程技术研究中心  朱晓阳;兰红波

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    论文

    可体温软化的液态金属基电子墨水,用于生物电子器件增材制造

    现代电子产品深刻影响着人们的生活方式,但电子产品的固定机械刚度限制了它们的广泛应用。最近,人们提出了一种潜在解决方案,即能够在刚性和软电子之间转换的“转换电子系统(TES)”。TES可有效提高电子产品的适应性、便利性和多功能性,还可以通过调整刚度和拉伸性来实现各种应用。金属镓(Ga)在29.76°C时发生相变,由于其熔化温度介于室温(25℃)和体温(36.7℃)之间,因此适合用于可穿戴和可植入应用的TES,但Ga表面张力过大且粘度较低,不适合直接打印。韩国科学技术院(KAIST)Jae-Woong Jeong和Steve Park课题组报告了一种刚度可调的镓铜(Ga-Cu)复合电子墨水,可通过墨水直写(DIW)3D打印制备高分辨率可拉伸电路。所制备的Ga-Cu复合油墨具有以下特点:(1)高刚度可调性(刚度调谐比为990,适用于150 μm厚的器件);(2)高导电性(Cu质量分数为5.0% 时导电率为3.69×106 S m−1);(3)高分辨率(~50 μm)图案化。通过将Cu填料作为流变改性剂加入Ga中来改善流变性能,使基于Ga的器件层既可以作为机械框架,又可以作为电子层。基于这种刚度可调的镓铜(Ga-Cu)复合电子墨水,研究团队制造了超薄光学血流检测电子传感器和无线光电植入设备。这些设备在室温下可以保持硬度,便于操作,在体温下软化后可无缝贴合于皮肤表面,并能顺应组织变形和维持可靠的运行。Ga-Cu复合墨水与DIW打印相结合,可以为下一代可穿戴、可植入、可摄取电子产品和各种其他应用提供新的可能性,未来的研究和开发重点是确保Ga-Cu复合油墨的长期稳定性,这对于提高制造的变形电子产品的长期可靠性是必要的。图1 刚度可调的Ga-Cu复合油墨直写打印原理图2. 使用刚度可调的Ga-Cu复合油墨制成的超薄光学血流检测电子传感器

    关键词: 体温软化  柔性及可拉伸性  液态金属基  生物电子  增材制造  电子增材制造/3D打印电路 

    增减材混合制造

    专家解读供稿人:西安交通大学;西安理工大学  王磊;王琳鑫 ;王权岱

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    论文

    高强度、轻量化铝合金光学镜面结构的增减材复合制造

    随着航空科技的迅速发展,对航空航天用金属反射镜几何复杂性、轻量化和精密尺寸提出了更高的要求。传统技术制备的航空航天金属光学反射镜难以保证零件的机械完整性和质量要求,而且在高度拓扑优化的复杂结构方面也受到限制,难以实现结构在减重和机械刚度之间良好的平衡。相比于传统制造方式,增材制造工艺灵活性高,能够有效地解决复杂结构件加工困难的问题,也具备快速成形、低成本等优势,在航空航天等领域中具有广阔的应用前景。此外,增材制造技术的轻量化、一体化精密光学系统的快速成型已然成为光学组件制备的前沿研究课题之一,特别是以铝合金(如AlSi10Mg)作为主要材料具有价格低廉、易采用增材制造技术加工成型的优势,较其他主流光学材料更加适合而备受青睐。因此铝合金增材制造技术的光学功能模块及基体结构的集成化研究已成为当前的研究热点,并推动其在航空航天、光学遥感等高精密领域的应用。激光粉末床熔融作为一种成熟的金属增材制造工艺,利用激光熔化金属粉末,在高温梯度和凝固速度下快速制备机械强度高的复杂几何结构件。由于其粉末粒径和层厚较小,该工艺优于直接能量沉积、熔丝增材制造等其他金属增材制造方法。然而与传统的精密加工工艺相比,激光粉末床熔融工艺的表面精度(表面粗糙度Ra通常在6~20μm)相对较差,并且工艺成型精度难以进一步改善,使其在高精密光学、航空测量及遥感领域的应用受到严重限制。如何实现增材制造零件的高精密结构及高表面质量加工仍是亟需攻克的关键难题。近日,哈尔滨工业大学(深圳)和新加坡国立大学的Wang团队合作探索了通过激光粉末床熔融增材制造和超精密切削加工获得高精度、高强度AlSi10Mg金属反射镜的新方法,并深入研究了高强度和高表面质量的形成机制。试验结果表明,采用复合工艺制备的铝合金表面粗糙度为~4nm,远优于初始制造的表面质量;极限抗拉强度高达~491MPa,远超过铸态的AlSi10Mg合金的力学性能。相比之下,固溶+时效热处理的过程中形成的大硅颗粒反而导致加工表面质量恶化,粗糙度增加到~9nm,抗拉强度降至~283.5MPa。分析表明,由于精细的胞状微观结构及其边界中纳米级硅颗粒以及硅颗粒与铝基体之间的半共格关系,不仅提高了机械强度,也避免了加工表面损伤的产生。该研究成果2023年7月发表在《Journal of Materials Processing Technology》期刊。采用激光粉末床熔融增材制造工艺,以旋转45°的扫描策略,制造具有空心、点阵和胞状亚结构的AlSi10Mg合金轻量化零件。其微观组织结构表现为典型的微米级胞状结构,可进一步分为细区和粗区。精细区单元宽度为0.5μm,而熔池边界的粗区单元宽度为1μm,且沉积态的AlSi10Mg合金具有最高硬度。极限抗拉强度和屈服强度最高,分别为491.4±9.6MPa和281.0±30.3MPa。经过低温退火处理后,胞状微结构被直径小于0.5μm均匀分布的硅颗粒所取代,极限抗拉强度降低到309.1±1.5MPa。固溶处理使硅颗粒在铝基体内随机位置生长,形成大尺寸的硅颗粒,极限抗拉强度进一步下降至283.5±2.1MPa。随后的时效处理对硅颗粒的尺寸、形态和分布影响不大,极限拉伸强度提升至344.4±2.5MPa。图1 (a)研究采用的45˚旋转扫描策略示意图;(b)采用LPBF工艺设计和制造具有空心、点阵和胞状亚结构的AlSi10Mg合金轻量化零件的演示。(c)建成后的表面形貌。图2 不同后处理下增材制造AlSi10Mg合金的微观结构:(a,e)直接成型态、(b,f)低温退火态、(c,g)固溶处理态和(d,h)固溶+时效处理态。图3 AlSi10Mg合金在不同热处理状态下的拉伸性能(a)应力-应变曲线;(b)检测结果。在完成AlSi10Mg合金试样的制备后,对其进行可加工性分析,对比了高低速下的切削力、切屑形态以及加工微槽质量。图4 (a)超精密加工试验装置及表面正交加工试验示意图;(b)采用混合增材制造和超精密加工工艺获得的轻量化镜面。(沉积态:AB,低温退火处理:SR,固溶处理:ST;固溶+时效处理:SAT)分析不同热处理条件下的AlSi10Mg合金切削力结果表明,AlSi10Mg合金超精密加工过程中的材料状态和切削参数对切削响应具有重要影响。低切削速度下,低温退火处理具有的高塑性和固溶+时效处理产生的大硅颗粒导致样品具有更高的切削力;而高切削速度下,高导热的沉积态AlSi10Mg合金应变硬化和低温退火处理的过程中产生的硅颗粒预沉积阻碍位错运动从而导致切削力增加。同时,尽管切削速度增加,固溶和固溶+时效处理样品的切削力并无显著差异,这与铝基体中存在的大硅颗粒有关。图5 不同热处理条件和切削深度下AlSi10Mg合金在7μm切削深度下的动态切削力曲线和(c,d)平均切削力结果.切割速度:(a、c)30mm/min、(b、d)150mm/min。不同热处理条件下的AlSi10Mg合金切屑都有连续的螺旋切屑,经过固溶处理、固溶处理+时效处理试样的切屑比沉积态和去应力处理的试样更长、更薄。在切割过程中不同材料变形过程和破坏机制导致试样存在不同的自由表面形态。由于沉积态的塑性和应变硬化指数低,因此沉积态的切屑最短,且出现周期性锯齿。经过去应力处理后微观结构的塑性有所增强,铝基体中均匀分布硅析出物,表面表现为相对光滑的均匀变形。而固溶处理和固溶+时效处理具备更小更细且不太连续的锯齿,这是造成上述现象的原因并很大程度上取决于铝合金的微观结构和硅析出物的形貌。图6 AlSi10Mg合金的切屑的形态和自由表面。(a)沉积态、(b)去应力处理、(c)固溶处理(d)固溶+时效处理。(切割速度:30mm/min,切割深度:11μm)。在切削加工过程中,嵌入微观结构内的硬质硅颗粒将沿着较软的铝基体被去除,从而导致加工表面产生缺陷。无后处理的AlSi10Mg合金微观结构中的硅含量及颗粒尺寸最小,在切削中具有最佳的表面质量。而固溶+时效处理后的AlSi10Mg合金微观结构中具备高含量、较大的硬硅颗粒,在加工过程中产生表面缺陷,导致表面质量较差。镜面加工试验进一步验证了上述结果:未经热处理和低温退火处理的AlSi10Mg合金微观结构中有更小的硅颗粒,因此具备最好的表面加工质量,其表面粗糙度Sa达到4.3nm和4.0nm。相反,固溶处理后硅颗粒尺寸增大,即使试样经过时效处理后强度和硬度有所提升,其表面粗糙度Sa也无法进一步降低。此外,经过超精密端面加工后,未经过后处理和去应力处理后试样的表面线轮廓相比于热处理和固溶、固溶+时效处理更加平滑,表明其表面加工质量更好。综合以上研究结果表明,铝基体中存在的硅颗粒对表面加工质量有主要影响,且加工切削力与铝合金强度不直接相关,而是强烈取决于微观结构中硅的存在,而改变机械强度的传统方法不能直接提高表面的加工质量。图7 AlSi10Mg在竣工和热处理状态下,切削速度为30mm/min,切削深度为7μm:(a,b,c)竣工的微槽的3D表面形貌和SEM图像;(d、e、f)退火处理;(g,h,i)固溶处理;(j,k,l)固溶+时效处理。图8 AlSi10Mg合金在不同热处理条件下的2D和3D表面形貌,切削深度为1μm:(a,b)竣工;(c、d)退火处理;(e、f)固溶处理;(g,h)固溶+时效处理。图9 不同热处理状态下增材制造AlSi10Mg合金的超精密加工表面:(a)平面镜面,(b)表面轮廓以及(c)加工的凹面镜面。对于AlSi10Mg合金的高可加工性和高强度的内在机理,可从三个方面解释:首先,由于硅颗粒在胞状结构边界中的离散性,在加工靠近表面的富硅区域的过程中,可以随着软铝基体的变形而移动,避免了硅边界与铝基体的分离。其次,大量靠近加工表面具有不同取向的纳米级硅颗粒显示出明显的晶格畸变,这可能提供高度协调的变形能力,从而降低切削引起的应力集中。第三,近球形纳米尺度硅相与铝相之间的半相干关系有利于位错跨越相界,避免了位错在相界面处堆积引起的界面断裂。图10 切削深度为1 µm时的加工后亚表面的TEM分析结果:(a)BF-TEM 图像,(b)HADDF 图像,(c)相应的Si映射,(d)BF-TEM图像对应于(a)中的区域d,(e)图(d)中的DF-TEM图像,(f)对应于(e)中的区域f的HR-TEM图像。图11 在切削深度为1μm 的切削深度下,对成型加工表面的横截面上靠近加工表面的富Si位置进行TEM分析:(a)BF-TEM图像,(b)对应的Si映射,(c)对应于(a)中插入的 FFT图像的区域e的HR-TEM图像,以及(d)逆FFT图像,插入的FFT图像对应于(c)区域d,显示Si和Al之间的位错。该研究成功证明了增材制造技术与超精密加工工艺结合制备具有高表面质量的高强度轻量化铝合金反射镜的可行性,重点分析了增材制造铝合金独特的精细胞状微结构及其单质硅的形态对机械性能和超精密切削的影响机制。该研究为采用复合增减材制造技术一体化成型具有精细胞状微观结构的高强度、高表面质量零件提供了理论基础和技术基础,并促进复合增材制造技术在高精密一体化金属光学镜的工程化应用。

    关键词: 复合制造  激光粉末床熔融  超精密加工  切削加工性能  金属镜  铝合金  增减材混合制造 

    多能场复合增材制造

    专家解读供稿人:高端装备机械传动全国重点实验室  伊浩;郎甜甜

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    论文

    一种新型Ti60钛合金磁场辅助粉末电弧增材制造方法、组织及力学性能

    哈尔滨工业大学的Kang Kexin将电弧热源与粉末原料相结合,开展了磁场辅助粉末电弧增材制造(MFA-PAAM)的研究。该研究不仅分析了外加横向磁场(TMF)对粉末飞溅的抑制作用以及电弧热源下粉体的熔化行为,制备出了成形良好、全致密的Ti60高温钛合金薄壁构件,还揭示了MFA-PAAM薄壁的微观结构和力学性能规律。该研究成果于2024年3月发表在《Additive Manufacturing》期刊。图1 MFA-PAAM系统示意图新型MFA-PAAM方法的工艺原理和实验设备如图1(A)所示。焊枪经过专门设计,可将粉末给料器、磁场发生器和红外测温仪集成到传统的气体钨极电弧焊焊枪中,且焊枪和平台被放置在一个透明且灵活的充满氩气的腔室中以减少喷嘴中气体对粉末运动的影响并可视化沉积过程。实验结果表明,TMF可以通过改变电弧等离子体流动的方向和降低电弧压力来明显抑制了PAAM工艺稳定性的粉末飞溅问题。随着电弧继续加热液滴,熔池向前移动,液滴在表面张力的作用下被吸收到熔池中,完成了沉积过程。如图1(B)-(C)。同时,对Ti60薄壁的微观组织以及性能表征,微观组织以网篮状组织分布的α板条为主,α板条边界处留有少量β板条。沿试样纵向观察到层状周期性分布,这主要与β相的含量和形貌有关。与其他制造工艺相比,MFA-PAAM制造的Ti60合金在室温下具有中等强度和优异的塑性,如图1(D)所示。本文提出并详细介绍了一种新型MFA-PAAM方法,并实现了具有优异机械性能的完全致密的Ti60合金薄壁构件的制备。该方法在制造难以拉丝的材料方面显示出巨大的潜力,具有高效率和高性能。

    关键词: 电弧  磁场  钛合金  粉末  微观组织  多能场复合增材制造 

    专家解读供稿人:高端装备机械传动全国重点实验室  伊浩;郎甜甜

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    专利

    外接式磁控电弧摆动装置

    目前,已知的电弧摆动装置设备结构复杂,在焊接过程中不能实时精确地控制和调节电弧摆动的频率、幅度和任意停留在电弧摆幅的两边或中间的时间。且受限于机械结构的可承受性,摆动速度也无法进一步提高。因此,提供一种改进的外接式磁控电弧摆动装置具有重要意义。本发明旨在提供一种结构简单且可精确操控电弧摆动的外接式磁控电弧摆动装置,涉及焊接加工技术领域,有助于利用磁场实现电弧运动的精确调控。本发明的外接式磁控电弧摆动装置包括至少一个励磁棒、绕设在励磁棒上的励磁线圈、连接在励磁棒上且与焊枪配合固定的固定架、连接于励磁棒两端以进行导磁的一对导磁杆及与导磁杆相连的一对导磁棒,如图1所示。其中,导磁棒间隔设置,每一导磁棒均具有用于影响电弧摆动的导磁头;励磁棒上的励磁线圈串联连接,使得一对励磁棒位于同侧的端部极性相同,且位于励磁棒同侧的导磁杆与同一导磁棒连接。外接式磁控电弧摆动装置通电后,绕设在励磁棒上的励磁线圈通电产生磁场,并通过导磁杆的传导传至导磁棒,并通过导磁头传导的磁场控制焊枪电弧摆动。本发明通过改变励磁线圈通入电流的大小,可以改变电弧的摆动幅度;通过改变励磁线圈通入电流的方向,可以改变电弧的摆动方向;通过控制励磁线圈的通电时间,可以控制电弧摆到任意一边停留的时间,从而控制电弧摆动和改善焊缝成形,提高焊接质量。图1 外接式磁控电弧摆动装置与加丝装置及待焊工件的立体组合图其中:100-外接式磁控电弧摆动装置;1-励磁棒;11-两端部;12-励磁线圈;13-引水管口;2-励磁线圈;3-固定架;31-环形固定部;4-导磁杆;41-第一杆部;42-第二杆部;5-导磁棒;51-导磁头;52-导磁棒主体部;6-导磁块;7-冷却管道;8-螺钉。

    关键词: 外接式  磁场  电弧  实施调控  多能场复合增材制造 

    专家解读供稿人:高端装备机械传动全国重点实验室  伊浩;郎甜甜

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    专利

    超声场窄间隙电弧激光焊接装置

    目前激光双电弧复合焊接系统在窄间隙焊接过程中会发生电弧爬升现象,导致熔滴过渡过程失稳,难以保证焊接质量。因此,在窄间隙焊接过程中保证成形过程的高稳定性具有重要意义。本发明旨在提供一种超声场窄间隙电弧激光焊接装置,涉及窄间隙焊接技术领域,有助于满足焊接质量要求较高的试样成型。本发明采用的装置主要包括焊枪、超声波发生器、基板和激光源,如图1。其中,电弧焊枪与水平面垂直,超声波发生器位于焊枪喷嘴的一侧,且至少存在两个超声波发生器沿喷嘴周向均布。激光束与电弧在同一平面内,激光束与水平面之间的角度为30‑60°,且激光束和电弧的延伸方向相交。电磁线圈套与喷嘴同轴设置,位于喷嘴外壁。在窄间隙焊接过程中,激光具有搅拌作用,可以细化晶粒,提高焊接质量;且激光为电弧增加通电通道,诱导电弧行为,稳定电弧和熔滴。而增设超声场可以约束电弧行为,有效抑制电弧爬升,避免熔滴过渡过程失稳,从而提高窄间隙焊接的质量。另外,超声场和磁场具有协同作用。在熔滴的长大阶段,强超声场压缩电弧,起到主要作用,弱磁场起到次要作用。而在熔滴脱落过程,强磁场促进熔滴过渡,成为控制的主要手段,弱超声场成为辅助控制手段,强弱超声场和磁场的交互发射,可以有效抑制电弧爬升,促进熔滴过渡,保证稳定性。图1 超声场窄间隙电弧激光焊接装置的局部示意图其中:10-焊枪;11-喷嘴;12-焊丝;13-喷头;20-电磁线圈;30-超声波发生器;40-基板;50-激光源;60-导轨;70-焊接夹具;80-焊接平台;90-风机塔筒;91-纵缝。

    关键词: 电弧  超声  激光  窄间隙  成形质量  多能场复合增材制造 

    多材料打印或多功能材料打印

    专家解读供稿人:清华大学课程《增材制造基础与前沿》  侯元朗;赵沧

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    论文

    低温增材制造二氧化硅玻璃复合材料

    麻省理工学院林肯实验室的研究人员通过墨水直写技术(direct ink writing),使用基于硅酸钠的高填充纳米复合墨水,在室温下打印出复杂的三维结构,后在低于250°C的热处理温度下短时间固化获得无机玻璃复合材料。此热处理温度显著低于传统的高温烧结温度。该研究成果于2024年1月底发表在期刊《ACS Material Letters》上。图 1 基于亚稳态硅酸盐墨水低温3D打印玻璃复合材料。(a)墨水成分示意图;(b)低温玻璃打印工艺流程;(c)用玻璃墨水打印线性木桩结构;(d)用玻璃墨水打印三角晶格结构;(e)采用丙烷喷枪(>1000°C)定性评估热稳定性首先,研究人员使用改性的硅酸钠溶液,并混入纳米粒子填料、功能性添加剂和烟硅,制得可打印的墨水。之后,这些墨水被用于打印指定的三维结构。随后的低温固化步骤是在矿物油浴中完成的。通过调节墨水的流变性能,研究团队成功实现了从微观到宏观尺度的精确打印。此外,他们还采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱、热重分析等方法对制品的化学和热性质进行了详细分析。该成果为精确控制打印材料的光学、化学、电学等属性以及创造具有特定功能的复合材料提供了新途径。

    关键词: 墨水直写  3D打印  二氧化硅  纳米颗粒  多材料打印或多功能材料打印 

    前沿应用

    航空航天

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    新闻

    铂力特助力SmartSat-2A卫星成功发射

    上月初,SmartSat-2A卫星搭乘中国航天科技集团公司的智龙三号运载火箭,从广东阳江附近升入太空。 SmartSat-2A卫星的成功发射在智能卫星领域具有里程碑意义,展示了我国独立研制200公斤以上卫星以及设计X波段合成孔径雷达 (SAR)有效载荷的能力。SmartSat-X1A 的SAR有效载荷采用集成设计方法。其平板配置与未来的多卫星系列发射相一致,并需要由轻量且灵活的组件制造,而铂力特提供的金属 3D 打印技术成为关键推动因素,为航空航天应用生产大型、结构复杂的部件提供了解决方案。该技术能够确保部件的质量和性能,同时简化生产流程,有助于降低成本和提高效率。铂力特利用两台BLT-S1000系统3D打印了一颗卫星主体结构和三个阵列面板结构。面板结构尺寸为1300mm x 980mm x 20mm,星体结构尺寸为1300mm x 1126mm x 335mm,是目前中国在轨最大的3D打印卫星结构。卫星本体结构和面板均采用AlSi10Mg材料,可实现壁厚仅为0.5mm的大规模晶格蒙皮结构。随着对高性能航空航天部件需求的持续飙升,金属增材制造不仅加快了航空航天创新的步伐,而且还有助于降低成本和增强可持续性。

    关键词: 智能卫星  SAR  金属3D打印  航空航天  航空航天 

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    新闻

    搭载Ursa Major的哈德利发动机的Stratolaunch TA-1测试飞行器首次成功飞行

    Ursa Major的哈德利发动机首次飞行,帮助Stratolaunch TA-1测试飞行器成功地首次飞越太平洋上空。此次试飞达到了接近5马赫的高超音速速度,标志着私营公司开发的高超音速飞行器迈出了飞行的第一步。它也代表了Ursa Major公司的一个里程碑,该公司正在利用其火箭推进专业知识来开发“满足美国商业和国家安全太空需求”的发动机。通过这一努力,Ursa Major 依靠增材制造来设计和制造其复杂的发动机系统,使得发动机可以在几天时间之内被建造完成。哈德利发动机是一款推力为 5000 磅的液氧、煤油、富氧分级燃烧循环火箭发动机。客户能够使用该发动机将小型有效载荷发射到轨道或达到高超音速。Ursa Major 已向客户出售了数十台哈德利发动机,Stratolaunch 成为第一个成功搭载该发动机的飞行器。

    关键词: 高超音速飞行器  发动机  航空航天  航空航天 

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    新闻

    Stratasys 和 Aegis Aerospace 在计划月球上测试 3D 打印材料

    在一个新项目中,聚合物 3D 打印解决方案的领导者 Stratasys Ltd 和 Aegis Aerospace 宣布建立合作伙伴关系,将在月球表面测试 3D 打印材料的性能。这些实验是宙斯盾航空航天公司第一个空间科学和技术评估任务(SSTEF-1)的一部分,该任务是根据美国宇航局的临界点计划开发的,旨在为月球表面提供研究和开发服务。SSTEF-1项目旨在开发月球和近地空间的空间基础设施技术和能力。作为该任务的一部分,Stratasys 将提供 3D 打印的样本,这些样本将通过同样由包含 Stratasys 3D 打印的载体结构的无人着陆器运送到月球。这些实验将集中在诺斯罗普·格鲁曼公司领导的两个不同系列实验中的三种材料。首席工业业务官 Rich Garrity 表示:“增材制造是太空任务的一项重要技术,每一盎司的重量都很重要,高性能也至关重要。这组实验将帮助我们了解如何充分利用 3D 打印来确保我们前往月球及其他地方时的人员和设备安全。”

    关键词: 月球表面  材料性能  航空航天  航空航天 

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    新闻

    GE Aerospace投资6.5亿美元建设全球生产设施

    领先的飞机发动机和零部件制造商GE Aerospace公司宣布投资6.5亿美元。这笔资金将投资于GE Aerospace公司的全球制造设施和供应链。此举旨在提高产能并优化客户服务。在 6.5 亿美元中,近 4.5 亿美元专门用于新机械、设备、建筑升级和安全措施。它将惠及美国 14 个州的 22 个 GE 航空航天基地。另外1亿美元将流入美国供应商。此外,北美、欧洲和印度等国际地点也将获得1亿美元。该项目的重点之一是对增材制造的投资。仅大辛辛那提增材技术中心的扩建就投资了 1.07 亿美元。在这里,新的 3D 打印机、工具和设备将提高商用飞机发动机以及军用直升机和喷气式飞机的生产能力。阿拉巴马州奥本工厂将获得 5400 万美元的投资,用于增材制造系统和工具,以提高军用和民用发动机转子部件的产量。其他投资包括在马萨诸塞州林恩工厂投资 3000 万美元,用于美国武装部队发动机的最终组装和测试。另将在北卡罗来纳州的四个基地投资4600万美元,用于支持民用窄体和宽体飞机的零部件生产和发动机组装。

    关键词: 通用航空  飞机零部件  投资扩建  航空航天 

    生物医疗

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    新闻

    Phase 从 NIH 获得 180 万美元用于 3D 打印器官芯片的研发

    生物技术公司Phase获得了美国国立卫生研究院(NIH)180万美元的资助,用于开发3D打印血脑屏障模型的项目。除了哈佛医学院外,佐治亚理工学院和弗吉尼亚理工学院也参与了该项目。这种新颖的芯片器官模型旨在模拟比现有系统更精确的大脑体内环境。Phase表示,这将显著改善神经系统疾病和脑癌的治疗,其目的是克服当前体外大脑模型的局限性。Phase 依靠其专有的 3D 打印技术来制作该项目的微流体模型,这使得打印具有生物尺度分辨率的生物相容性材料(例如 PDMS)成为可能。阀门、传感器和电极可以集成在一个工作步骤中。芯片器官模型和微流体对于药物开发、毒性测试和体内体外环境模拟变得越来越重要。鉴于更严格的监管和减少动物试验的努力,此类系统变得越来越重要。

    关键词: NIH  血脑屏障模型  器官芯片  生物医疗 

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    新闻

    汉诺威医学院成功使用3D打印骨替代材料

    BellaSenohas 宣布,汉诺威医学院的一个团队已成功使用 3D 打印定制的可吸收骨移植替代品。汉诺威医学院使用 BellaSeno 的可吸收支架结合股骨髓管自体骨移植对一名患者进行了骨重建手术。术后三个月,患者表现出骨整合和足够的肘部功能,没有伤口愈合障碍或感染的临床症状。该案例研究发表在最新一期的《个性化医学杂志》上。治疗大骨缺损的复杂解决方案非常稀缺,BellaSeno 的支架能够通过将血管肌廊直接嵌入患者特异性的 3D 打印生物可吸收支架中来进行移植血管化的新型手术技术,这是一种创新的修复广泛骨缺损的方法。该支架由 BellaSeno 设计为定制的笼式结构,完美贴合患者的解剖结构,并确保自体骨移植物牢固地固定在大空腔中。该支架是在 BellaSeno 专有的人工智能驱动增材制造设施中采用非接触式方法制造的。

    关键词: 可吸收支架  骨移植替代物  生物医疗  生物医疗 

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    新闻

    世界首例 3D 打印气管移植手术成功完成

    据英国广播公司《科学焦点》报道,世界上第一个部分由他人的干细胞制成3D 打印器官已在韩国成功移植到患者体内。由科学家、医生和工程师组成的团队于2023 年在首尔圣玛丽医院首次进行了 3D 打印气管移植手术。患者是一名 50 多岁的女性,为去除甲状腺癌,在接受手术后失去了部分气管。患者的新器官由软骨和粘膜内层构成,粘膜是肺和鼻子的潮湿内层。科学家们从其他患者身上获得鼻干细胞和软骨细胞以构建相应的器官,这些细胞是在治疗鼻塞和鼻中隔手术过程中被丢弃的细胞。3D 打印的气管还包含用于结构支撑的聚己内酯 (PCL) 和生物墨水。该手术的突破之一是患者不需要任何免疫抑制剂,手术六个月后,气管不仅愈合良好,而且新血管开始形成。该研究目前正在接受同行评审,以便有可能在科学期刊上发表。

    关键词: 干细胞  气管移植  生物医疗  生物医疗 

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    新闻

    研究人员3D打印超现实器官模型

    据报道,诺丁汉特伦特大学 (NTU) 的研究人员创建了患病心脏和肺部的超现实模型,可以像真实器官一样跳动、流血和呼吸,以帮助培训外科医生进行移植。该团队由高级研究员理查德·阿姆 (Richard Arm) 领导,利用硅胶、织物和不同的纤维制作了 3D 打印的假器官。这些模型可以修复和重复使用,配有会流血的血管,以模拟夹紧血管以阻止血液流动的真实体验。进行模拟手术的医生可以切开并切除患病器官,然后用真正的手术器械将新心脏缝合到位。为了创建模型,该团队使用了心脏病患者和健康捐赠者的心脏扫描。外科医生还可以练习切开心包(围绕心脏的薄囊)以及将心脏与肺部和身体其他部位连接起来的血管。该项目由弗里曼心肺移植协会(FHLTA)资助。

    关键词: 超现实模型  3D打印器官  生物医疗  生物医疗 

    车辆交通

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    新闻

    沃尔沃将 Titomic 冷喷涂技术整合至维修业务中

    总部位于哥德堡的瑞典沃尔沃集团最近选择整合澳大利亚工业机械制造商 Titomic 的 3D 打印技术。Titomic 专门从事金属部件的制造、涂层和维修,服务于航空航天和汽车等行业。沃尔沃在全球拥有六家工厂,是汽车、重型机械和 MRO 领域的主要参与者。该公司也是世界上最大的卡车制造商之一。最近,沃尔沃采用了 Titomic 的冷喷涂技术,这是一种先进的增材制造方法,可以在表面涂覆厚厚的特种金属层而不熔化它们。沃尔沃以 55000 欧元购买了 D523 低压冷喷涂系统。目前,该公司计划将该技术整合到其维修和大修业务中,因此此次出售也表明 Titomic 技术在维护、维修和大修 (MRO) 领域的相关性日益增强,代表着该公司在这一领域向前迈出了一大步。沃尔沃采用这项技术证明了 Titomic 产品的强大性能。此次销售为沃尔沃内部的额外销售开辟了途径,并加强了 Titomic 技术在再制造和维护领域影响力的证据,增强了 Titomic 在再制造和各个行业中有效追求销售的能力。

    关键词: 冷喷涂  汽车维修  车辆交通 

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    宝马转向采用WAAM技术生产汽车零部件

    著名的德国豪华汽车制造商宝马宣布采用电弧增材制造(WAAM)技术来扩展其增材制造能力。自 2015 年以来,宝马集团一直在试验和测试这一工艺,并拥有 MX3D 的 WAAM 单元,自 2021 年起用于在 Oberschleißheim 的增材制造园区生产测试组件。然而,该公司似乎正在加速使用 WAAM,专门用于创建大型组件。 使用WAAM技术可以降低生产过程中的排放,并降低组件的重量,材料利用率更优越,并且可以选择使用可再生能源,这意味着组件的生产效率更高。目前,该公司预计将开始测试最终用途零件,特别是那些为车身、驱动器和底盘区域制造的零件,并于 2025 年开始车辆试验。通过生成式设计和 WAAM 的使用,宝马对使用该技术制造的零件寄予厚望。同时宝马将继续开发包括 LPBF 在内的增材制造技术,例如其最新汽车 BMW Vision Neue,该车将增材制造用于照明和内饰组件。

    关键词: WAAM  LPBF  汽车零部件  车辆交通 

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    通过 3D 打印实现非官方法拉利 Testarossa EV 概念车

    在汽车领域,法拉利将豪华与尖端技术融为一体,长期以来一直吸引着全世界的车迷。随着行业向电气化转变,法拉利发动机的标志性轰鸣面临着沉寂的前景。然而,在这一转变中,一个大胆的愿景出现了——法拉利 Testarossa EV 概念车。这一概念由数字创作者 Brian Kim 精心打造,为备受喜爱的 Testarossa 注入了新的生命,将过去的优雅与未来的可持续性融为一体。 Kim 的旅程不是从数字渲染开始,而是从对真实性的承诺开始。其与 CGI 专家 Kihyeon Kim 合作,精心制作了详细的 3D 模型,捕捉了标志性超级跑车的每条曲线和轮廓。认识到 3D 打印在弥合想象与现实之间差距的力量后,他委托制作了 Testarossa EV 概念车的比例模型。通过这种有形的表现,Kim 试图激励爱好者和业内人士,在汽车设计的新时代重新点燃对法拉利传统的热情。随着汽车领域的发展,Testarossa EV 概念车成为创新和传统的象征。凭借其电动动力系统和永恒的设计,它体现了法拉利在尊重其丰富传统的同时突破界限的承诺。

    关键词: 电气化  概念车  可持续性  车辆交通 

    新能源

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    缅因大学研究人员希望回收风力涡轮机转子叶片作为 3D 打印材料

    缅因大学的研究人员获得了 75000 美元的资助,用于研究将转子叶片回收作为 3D 打印的原料。该赠款是美国能源部 (DOD) 风力涡轮机材料回收奖的一部分,旨在为风能行业开发可持续回收解决方案做出贡献。由先进结构与复合材料中心(ASCC)和WIND REWIND团队领导的“大型增材制造叶片”项目旨在为建立风能高效循环经济做出贡献。该项目提出了一种以前未有的方法来回收风力涡轮机叶片的碎片材料,作为大幅面 3D 打印的经济高效的增强材料和填充物。具体为,短碳纤维将被风力叶片切碎和磨碎的材料取代,实现完全回收。由此产生的颗粒最终将利用 ASCC 的制造能力,作为基于挤出的大幅面 3D 打印的原料。该团队目前正致力于开发新工艺,以实现复合材料所需的粘合强度。除了可持续性效益外,该项目还可以使全球预制混凝土行业受益。通过将风力涡轮机叶片的粉碎材料集成到预制混凝土模具的 3D 打印工艺中,可以显著降低材料成本,同时实现几何设计自由度和自动化制造工艺。

    关键词: 转子叶片  风力涡轮机  可持续  能源 

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    BAM和维尔纳·冯·西门子中心正在共同研究高效燃气轮机

    联邦材料研究与测试研究所 (BAM) 正与维尔纳·冯·西门子工业与科学中心 (WvSC) 在柏林州和欧盟的支持下加强对燃气轮机的研究,旨在通过创新的增材制造工艺彻底改变燃气轮机叶片的维护、维修和开发过程。燃气轮机是现代发电系统的关键组成部分,其效率和可持续性对于减少温室气体排放至关重要。面对腐蚀和日益极端的操作条件的挑战,研究项目重点关注使用先进的增材制造工艺和数字技术来提高燃气轮机制造的生产率和性能。该研究的一个核心方面是 MRO 2.0 项目,该项目的重点是改进涡轮叶片的修复过程。在人工智能算法的支持下,自动化和数字化流程旨在实现高效、精确的修复。用于评估损坏的新检查方法和数字孪生的开发是优化流程的进一步步骤。与此同时,HTA 2.0 项目正在研究高温部件的可持续增材制造工艺。通过使用激光束熔化工艺和制定材料再利用策略,该项目解决了燃气轮机建造中的经济和生态挑战的问题。

    关键词: 燃气轮机  增材再修复  能源 

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    西屋电气成功采用3D打印技术生产1000个VVER-440燃料流量板

    西屋电气公司 3D 打印了第 1000 个燃料流量板,这对于这家核电公司和能源领域增材制造技术的采用来说都是一个重要的里程碑。这些流量板被认为是“有史以来第一个进入批量生产的安全相关增材制造组件”,并安装在 VVER-440 燃料组件中。该设计利用了增材制造的设计,重新设计了组件的底部,可以提供更强大的性能。这些板材最近被宣布入围 2024 年 TCT 奖的 TCT 工业产品应用奖决赛。这一成就展示了增材制造从原型设计到大规模生产的发展,这标志着西屋电气在增材制造技术领域取得的又一项开创性成就。西屋电气公司的技术是全球近一半正在运营的核电站的基础。这家总部位于宾夕法尼亚州的公司早在 2015 年就开展了首次增材制造核部件材料辐照研究,此后一直使用该技术来探索降低能源发电的成本和交货时间。

    关键词: 燃料流量板  核燃料  能源 

    建筑

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    沙特阿拉伯第一座3D打印清真寺竣工

    沙特阿拉伯王国已在吉达正式竣工并揭幕了一座部分3D打印的清真寺,这是世界上第一座使用 3D 打印技术建造的清真寺。该项目使用中国冠力公司的四台建筑 3D 打印机进行,并由其区域代表 BuildTech Innovations 进行协调。整个项目仅用了9个多月就全部完成,并击败了去年也宣布建造3D打印清真寺的迪拜。新清真寺占地5600平方米,主体建筑耗时 6 个月打印完成。该项目最初由一位名叫瓦贾纳特·穆罕默德·阿卜杜勒·瓦赫德 (Wajannat Muhammad Abdel Wahed) 的女商人发起,以纪念她已故的丈夫。然而,在该项目中3D打印技术仅用于非承重元件的打印,但这仍然是可持续和创新建筑领域的突破性成就。

    关键词: 清真寺  3D打印建筑  非称重件  建筑 

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    加州首款创新性防火3D打印住宅单元亮相

    Build Construction Group与核桃城和洛杉矶消防局合作,在核桃城建造了美国第一个现场建造的耐火混凝土附属住宅单元(ADU)。在Builtech建筑集团的领导下,该项目进展顺利,目前正在安装管道和污水系统。在这一阶段之后,RIC Technology的机械臂将承担ADU混凝土墙的现场3D打印,K4K建筑设计公司将分包打印过程。ADU项目将采用一种不燃材料进行外墙3D打印。与许多其他 3D 打印房屋不同,ADU 的屋顶将由轻钢和混凝土板组成,而不是木材。这种结构不仅增强了耐火性,还加快了火灾后的重建恢复工作。在野火中幸存下来大大降低了与重建相关的时间和财务成本。该公司表示,整个打印过程预计需要大约20天。紧凑型模块化机器人3D打印机克服了传统龙门系统的局限性,能够在现场的有限空间进行3D施工。

    关键词: 耐火混凝土  ADU  3D打印建筑  建筑 

    国防

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    DARPA 探索增材制造在未来微系统制造中的潜力

    DARPA(美国国防部国防高级研究计划局)在建立材料科学作为一门学科方面发挥了重要作用。微电子系统增材制造 (AMME) 计划是新材料和应用领域最新的颠覆性项目之一,旨在推出远远超出当今技术水平的微系统制造。AMME 旨在通过技术突破,以令人难以置信的速度、体积和分辨率生产新颖的多材料微系统,从而彻底改变微系统的制造。这种增材制造工艺将通过创新的附加技术增强商业设备,并创造快速响应任务要求的能力。DARPA 通过实现材料质量、高分辨率和大量打印吞吐量的三重效果,寻求增材制造领域的突破性进展。AMME 的目标是使创建具有新几何形状的微系统成为可能,这些微系统能够集成机械、电气或生物子组件。这将要求 AMME 执行者发明全新的复杂几何微系统 3D 增材制造方法,这包括创建前体材料组合,以实现当今不可能的快速多材料打印。另一方面的挑战是需要创造一种能够以亚微米分辨率和极快的速度进行打印的制造工艺。如果成功,AMME 将在大约三分钟内打印一个便士大小的微系统(分辨率为 500 nm)。

    关键词: DARPA  AMME  微系统制造  国防科技  国防 

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    JuggerBot 3D 获得空军实验室 400 万美元资助,用于开发大幅面混合增材系统

    工业 3D 打印机 OEM商JuggerBot 3D 已获得 400 万美元的资助,用于开发大幅面混合材料增材制造系统。该项目由国防部副部长、研究和工程制造技术办公室资助,并由空军研究实验室授予。该项目旨在推动技术的开发,旨在从根本上降低制造成本,生产更轻的车辆和并提高规模制造的速度。这个项目的总体目标是开发一种最先进的混合大型增材制造系统,该系统结合了树脂和颗粒材料挤出技术,能够加工先进的热固性聚合物和高性能材料。该公司表示,直接墨水书写技术为部分产品的增材制造提供了重要机会,因为它可用于加工先进的热固化热固性材料,其特性弥补了传统 3D 打印工艺中的空白。该项目的一个关键是要开发全面的材料和工艺模型,以便更好的预测材料沉积特性和由此制造的关键部件的特性。

    关键词: 大幅面混合增材制造  直接墨水书写  热固性材料  国防 

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    Fortius Metals 获得价值 125 万美元的 AFWERX 合同

    Fortius Metals 是一家专门从事机器人 3D 打印/WAAM 技术金属的公司,已获得价值 125 万美元的 AFWERX Direct-to-Phase II SBIR 合同,项目的重点是鉴定 IN625-RAM2 线材合金是否适用于高超音速应用的大规模增材制造组件。镍高温合金对于高性能国防应用非常重要。Fortius Metals 反应增材制造技术(RAM)改善了合金晶粒结构,使 IN625 在室温下的屈服强度提高了一倍,并在 800°C 时将屈服强度提高了 50%,且不牺牲延展性或韧性。高超音速应用对材料的要求极高,需要下一代合金来解决未来的工程设计挑战。Fortius 将使用其先进的 IN625-RAM2 和线材定向能量沉积机器人焊接单元打印大幅面高超音速原型。空军研究实验室和 AFWERX 合作,通过加速小型企业的发展来简化小型企业创新研究和小型企业技术转让流程,通过扩大小型企业的机会来改变潜在申请人的数量,并通过在合同执行中不断实施流程改进来消除官僚开销。Fortius Metals 技术预计将创造并提供创新能力,从而加强美国的国防。

    关键词: WAAM  反应增材制造技术  RAM  晶粒结构  国防 

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    英国皇家海军将依靠3D打印制造舰艇备件

    英国皇家海军未来将使用 3D 打印为其舰艇制造备件。为此,国防部签署了两台先进3D金属打印机的合同。该合同价值 383,000 英镑,授予 Ripon 的 Additive X 公司。新打印机将用于扩大海军的后勤和制造能力。该系统适用于德文波特和朴茨茅斯的海军基地。它们的目的是使现场的维护人员能够在短时间内自行设计和制造备件。这将更容易弥合关键零部件的供应瓶颈和旧零部件的问题。根据招标内容,3D打印机必须能够生产尺寸最大为250 x 183 x 150毫米、重量最大为10公斤的金属物体。除了不锈钢和工具钢之外,还将采用 Inconel 625 等高强度合金作为材料。海军希望通过采用增材制造能够大幅节省成本并提高舰艇的战备状态。

    关键词: 海军舰艇  金属打印  增材再制造  国防 

    学术与教育

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    中科院研发团队推出一种提高3D打印钛合金疲劳性能的新方法

    中科院研发团队提出了网络增材制造(NAMP)技术,解决了微观结构和缺陷调控问题,是一种提高3D打印钛合金疲劳性的新方法。他们的研究成果发表在《自然》杂志上,旨在克服 3D 打印材料在航空航天等关键领域中应用的局限性,在这些应用中,疲劳性能至关重要。结果表明,经过 NAMP 处理的钛合金表现出卓越的抗疲劳性,超过了传统制造的合金和其他增材制造的合金。微观结构的独特特性可防止疲劳裂纹在关键点形核,从而显著提高疲劳性能。这项研究凸显了 3D 打印在生产高性能结构部件方面的潜力,并为抗疲劳制造提供了明确的途径。通过细化微观结构和消除缺陷,NAMP 方法在推进 3D 打印材料在苛刻环境中的应用方面迈出了有希望的一步。

    关键词: 网络增材制造  NAMP  钛合金  疲劳性能  学术与教育 

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    佛罗里达学校利用3DPrinterOS平台对学生进行3D打印教育

    佛罗里达州的一所私立学校 Pine Crest School 正在利用领先的 3D 打印管理平台 3DPrinterOS 来增强其位于博卡拉顿和劳德代尔堡两个校区的课程。Pine Crest 为从学前班到 12 年级的多元化学生群体提供服务,旨在通过尖端技术和创新学习方法,走在为学生未来做好准备的最前沿。3DPrinterOS 是一个强大的平台,它改变了学生和教师与 3D 打印技术交互的方式。这种集成化平台可以实现 3D 打印项目的无缝管理,从而营造一个可以充分发挥创造力和技术技能的环境。Pine Crest 的 3D 打印项目包括五年级的细胞生物学项目,学生可以在该项目中设计和打印细胞模型,这得益于 3DPrinterOS 的易用性,使学生能够专注于项目的创意方面。Pine Crest 的创客空间配备了一系列 3D 打印机,是创造力和技术探索的中心。

    关键词: 打印平台  细胞模型  创客空间  研究教育  学术与教育 

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    加州理工学院利用增材制造技术打造生物混合机器人水母

    加州理工学院的研究人员设计了生物混合机器人水母,配备了电子增强功能和假肢附件。这些附件包括流线型 3D 打印前体和游泳起搏器,即使在携带有效载荷的情况下机器人的游泳速度也比天然水母快 4.5 倍,且生产成本仅为 20 美元。假肢“帽子”不仅有助于有效负载运输,还可以优化游泳效率。这项创新为在受控实验室环境中研究海洋过程开辟了途径,例如加州理工学院开发的立式水箱。该水箱模拟洋流,使研究人员能够观察和分析水母的行为,类似于逆流游泳,类似于水生生物的跑步机。这些生物混合机器人水母的开发代表了水下机器人技术的重大进步,将生物学原理与工程技术相结合,超越了水母的自然能力。该项目有望在海洋研究、环境监测和水下探索等领域实现多种应用,预示着水生环境中仿生机器人的新时代。

    关键词: 生物混合机器人  水母  水下机器人  学术与教育 

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    ORNL开发解决方案应对3D打印金属结构中的残余应力难题

    美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员发现了如何避免因材料中的残余应力而对增材制造生产的大型金属部件造成代价高昂且可能无法修复的损坏的解决方案。残余应力是增材制造中裂纹和其他损坏的常见原因,影响金属部件的可靠性和使用寿命。 橡树岭国家实验室的研究人员通过计算模型确定,大规模增材制造的金属零件会在材料内产生相当大的残余应力(RS)。RS堆积会导致热打印过程中形成裂纹,并随着材料冷却而变得更大,渗透金属并造成不可逆转的损坏。研究小组找到了一个简单的解决方案: 利用沉积过程的计算建模和由此产生的残余应力,以圆角或45度倒角的形式添加支撑材料,消除90度角和尖角。在关键区域添加材料可减轻应力的积累。这一步骤可有意防止RS集中,从而降低零件失效的可能性。该项目由美国国防部工业基础分析和维持计划提供资金支持。研究在位于ORNL的能源部制造示范设施进行。

    关键词: 残余应力  RS堆积  沉积过程  学术与教育 

    消费品

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    宝马集团为德国有舵雪橇队提供 3D 打印定制钉板

    汽车制造商宝马集团为德国有舵雪橇队提供 3D 打印定制钉板,通过粉末床熔合 (PBF) 技术制造金属运动装备。规定的钉子排永久固定在传统有舵雪橇鞋鞋底的脚趾区域,这些钉子无法更换或移动,这意味着一旦钉子磨损,鞋子就注定会被扔进垃圾堆。BMW正在研究的解决方案基于田径鞋,该鞋使用螺旋钉的螺纹来连接钉板,钉板上的鞋钉可以不受限制地进行分布。除了将防滑钉的生命周期延长,还可以定制钉子放置配置。这意味着可以针对每位运动员专门定制装备,以实现最佳表现。鞋钉板的几何形状是使用软件开发的,并自动与由 3D 扫描仪记录的每双鞋的形状适配,然后通过激光将相应的金属粉末逐层焊接在一起,打印出钉板。目前正在测试和改进各种合金和几何形状,直到找到最佳结果。一旦确定了理想的基本参数,软件就可以自动调整鞋钉板的设计,以适应任何类型、类型的鞋子以及鞋底上任何数量的附着点。最终还可以根据运动员的个人要求甚至不同的天气和冰况生产特殊的钉板。

    关键词: 定制钉板  PBF  有舵雪橇  消费品 

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    Stratasys 收购 Arevo 公司碳纤维 3D 打印技术

    Stratasys收购了3D打印公司Arevo的知识产权,该公司于2023年停止运营。Arevo因推出碳纤维框架的自行车和电动自行车而声名鹊起,其Superstrata自行车完成了96%的订单,于去年夏天停止运营。Stratasys现在已经开始收购其知识产权,其中包括碳纤维打印、通过局部激光熔化和碾压实现的 Z 强度改进、原位和人工智能构建监控以及硬件设计方面的多项基础专利。该知识产权将被添加到Stratasys的2600项已授权和正在申请的专利中。Stratasys首席工业业务官Rich Garrity表示:“我们获得的技术可以更好的改善FDM零件的物理性能各向同性,从而为客户提供更多用途。这项投资延续了我们的承诺,即将我们的创新重点放在为我们的制造业客户提供真正有价值的应用程序和用例上,确保Stratasys将继续成为未来最具吸引力的合作伙伴。”

    关键词: 碳纤维  自行车  FDM  消费品 

    本期专家

    机械工业信息研究院

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