众所周知，从竞争中脱颖而出，马斯克不仅仅善于通过物理学的第一性原理化繁为简达到其产品设计与制造的独特自由度以及工作习惯中的“五步工作法”，在商业策略上他还善于通过一系列策略，包括垂直整合、严格的供应商管理、资源并购、政府合作、资源布局、推动创新和强化竞争力，与上游供应商紧密合作，从而锁定了SpaceX的长期竞争力。
▲ 加速Raptor3的技术发展
© SpaceX
埃隆马斯克对增材制造技术的看法是，它不仅是制造业的未来，而且是实现其太空探索愿景的关键技术。通过这项技术，SpaceX 正在不断推动设计的极限，创造更高效、更可靠且成本效益更高的产品。”
知识产权许可
商业竞争优势的一环
近日，SpaceX与Velo3D达成了一项重要的知识产权许可和支持服务协议，总价值800万美元。根据协议，SpaceX将获得Velo3D增材制造技术的非独家许可，以及一系列的工程和支持服务。这项技术对于SpaceX在制造其先进的Raptor发动机，特别是最新测试的Raptor 3发动机中发挥了关键作用。
Velo3D的技术允许SpaceX制造复杂的火箭发动机部件，这些部件在设计和功能上都具有高度的复杂性。通过这项协议，SpaceX不仅能够使用Velo3D的技术，还能够对其进行修改和开发，以适应其内部运营的需求。这包括在火箭和航天器部件制造过程中的应用。Velo3D将保留对其技术的所有权，并继续控制对外的技术分发，同时SpaceX将拥有在使用过程中对技术所做改进的所有权。
根据 的市场洞察，这项合作协议包括几个关键点：
- 许可费用：SpaceX 将支付 500 万美元以获得 Velo3D 技术的非排他性、免版税、永久许可。
- 技术改进：SpaceX 有权修改和改进 Velo3D 的技术，但仅限于内部使用。
- 知识产权：Velo3D 保留对其知识产权的所有权，包括在协议生效后的 12 个月内所做的任何改进。
- 再授权权利：SpaceX 可以在特定条件下将 Velo3D 技术再授权给关联公司或非竞争对手的第三方。
- 支持服务：Velo3D 将为 SpaceX 提供工程支持服务，帮助其有效整合 Velo3D 技术。
- 额外服务费用：除了许可费用外，SpaceX 还将为 Velo3D 提供的支持服务支付 300 万美元。
该协议还授予 SpaceX 在某些条件下再授权 Velo3D 技术的权利。具体而言，SpaceX 可以将该技术再授权给关联公司或第三方，前提是这些第三方不是 Velo3D 的竞争对手。再授权必须仅限于向 SpaceX 本身提供服务，这意味着获得再授权的实体不能将该技术用于 SpaceX 业务之外的独立目的。
此外，Velo3D将为SpaceX提供必要的支持服务，帮助SpaceX有效整合和利用Velo3D的技术。这些服务可能包括工程支持和技术咨询，以确保SpaceX能够充分利用Velo3D的技术。作为交换，SpaceX将向Velo3D支付总计800万美元，其中500万美元为技术许可费，另外300万美元用于购买支持服务。
更互利的合作
在商业竞争中，经常是甲方对乙方的价格和付款条件步步紧逼，使得乙方的利润不断降低，现金流出现拆东墙补西墙的各种窘境。涸泽而渔，内卷的尽头没有赢家，那么，有没有一种合作？并非是甲方单维度将乙方挤到墙角上，而是能够通过甲乙双方的深度合作，甲方获得更快速更度身定制的技术优势，同时乙方获得技术的进一步提升和现金流的保障？
这方面，SpaceX为业界做出了开创性的表率。
这项合作不仅对SpaceX在火箭发动机制造方面具有重要意义，也显示了Velo3D在增材制造领域的技术实力和市场地位。通过这种合作，两家公司都能够在各自的领域内推动技术的进一步发展和应用。
根据 的市场洞察，Velo3D 与 SpaceX 的合作模式对 Velo3D 的长期发展可能产生多方面的积极影响：
- 财务稳定：通过与 SpaceX 的合作协议，Velo3D 获得了重要的资金注入，这有助于公司在面临市场挑战时保持运营和财务稳定。这种资金支持可能使公司能够继续投资研发和扩大生产能力。
- 技术改进与创新：根据协议，SpaceX 可以对 Velo3D 的技术进行修改和改进，这可能会推动 Velo3D 在金属增材制造领域的技术进步。同时，Velo3D 保留对其知识产权的所有权，包括在协议生效后的 12 个月内对其技术所做的任何改进，这有助于Velo3D保持技术领先地位。
- 市场地位提升：与 SpaceX 的合作提升了 Velo3D 在增材制造行业的知名度和市场地位。这种合作关系可能会吸引其他潜在客户或合作伙伴，从而扩大 Velo3D 的市场份额。
- 业务模式的验证：Velo3D 通过与 SpaceX 的合作，验证了其业务模式和市场策略的有效性。这种合作为公司提供了一个展示其技术实力和制造能力的平台，有助于增强投资者和其他利益相关者的信心。
- 长期战略规划：Velo3D 可以利用这次合作作为一个跳板，进一步规划其长期战略，包括产品开发、市场扩张和潜在的战略合作。这种前瞻性规划对于其持续增长和成功至关重要。
当然，尽管合作带来了许多积极影响，但也可能存在一些潜在的挑战，如对单一客户的依赖增加、技术泄露风险以及在合作中可能产生的知识产权纠纷。
根据 的市场洞察，Velo3D 与 SpaceX 的合作在可见的未来会为 Velo3D 带来多点的技术改进：
- 非接触式铺粉技术提升：Velo3D 以其创新的非接触式铺粉技术而闻名，这对于实现高质量的构建至关重要，尤其是无支撑金属3D打印的实现。根据SpaceX新产品设计的需求，这种技术对于 SpaceX 在其火箭和航天器部件的制造过程中可能会有进一步改进。
- 零件性能提升：Velo3D 的技术可以帮助 SpaceX 优化零件设计，以满足太空探索行业的高标准。此外，Velo3D 部署了下一代合金目录，根据SpaceX的实际需求，通过优化材料来提升零件性能。
- 人工智能模拟能力提升：Velo3D 与 PhysicsX 的合作为 Velo3D 客户提供了人工智能模拟工作流程，基于SpaceX的实际应用场景以加速仿真循环，提高仿真保真度，并算法性地探索复杂设计空间以解锁新的性能水平。
认为，Velo3D 与 SpaceX 的合作对其长期发展具有积极影响，也将对3D打印行业整体的竞争带来新思路，使得行业的生态合作思维提上日程，从盲目内卷走向更为合作共创的良性发展之路。
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▲ 扫码预约发现3D打印之旅
根据 《接近已知物理的极限, SpaceX Raptor 3增材制造成就火箭工程简约的胜利》一文，随着 SpaceX 的 Raptor 3 发动机的亮相，埃隆马斯克对雄心勃勃愿景的偏爱再次变成了现实。Raptor 3 简化设计的一个关键因素是将二次管道集成到主泵中。这种整合以及某些结构的移除使发动机更轻但更强大。然而，这种流线型设计的代价是增加了制造复杂性。Raptor 3 的生产需要先进的制造技术。大量使用冷却通道壁需要复杂的机械加工和钎焊工艺。SpaceX 很可能利用3D打印技术克服这些生产挑战，突破火箭制造的界限。
如果说Raptor 3 发动机的亮相暗示着3D打印已经成为航天制造主流技术，那么NASA的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目则是推动航天制造技术快速发展的幕后推手之一。
▲ 增材制造火箭发动机的先进性
© 白皮书
美国宇航局（NASA）的RAMPT（快速分析和制造推进技术）项目是一项前沿技术研究，利用增材制造技术，也就是通常所说的3D打印技术，来开发新的合金和制造火箭部件。这个项目由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心主导，通过结合先进的材料科学和制造工艺，旨在提高火箭发动机的性能和可靠性，同时降低成本和制造时间。
保罗·格拉德尔（Paul Gradl）作为该项目的首席研究员，强调了NASA在飞行器设计、测试和集成方面的优势，特别是在极端环境下对材料的应用和创新组件设计。通过深入了解材料的微观结构和特性，NASA能够开发出更适合太空任务需求的组件。
根据 ，到目前为止，RAMPT项目的一些关键成就包括：
- 500次3D打印喷射器、喷嘴和燃烧室硬件试射，总计超过16,000秒。
- 开发全尺寸版本的主力RS-25发动机，预计可将成本降低高达70%，并将制造时间缩短一半。
- 复合材料的使用，与传统的双金属燃烧室相比，重量减轻了40%。
- 成功验证了新合金GRCop42，并帮助商业发射提供商Relativity Space在2023年3月发射了第一枚完全3D打印的火箭。
为进一步提高其性能，在结构设计方面，需要在下列方向重点突破：1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。
《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》谭永华等
发动机组件技术突破
根据 《世界上第一个双金属（铜合金-镍基超合金）旋转爆震火箭发动机 (RDRE) 喷射器，NASA新突破》一文，双金属火箭发动机喷射器是一种利用3D打印技术制造的先进部件，它结合了两种不同金属材料的特性，以提高火箭发动机的性能和效率。这种喷射器通常采用高导热的铜合金（如GRCop-42）来制造喷射器面板，以确保在高热环境下能够维持较低的温度，从而延长喷射器的使用寿命和可靠性34。同时，使用高强度、耐氧化的镍基超合金（如Monel K500）来制造歧管，允许歧管在保持结构完整性的同时，壁厚更小，减轻整体重量，提高火箭发动机的性能。
3D打印技术使得这种双金属结构的制造成为可能，它具有最佳的制造精度、力学性能、表面质量以及复杂结构制造能力3。然而，在制造过程中，确保两种材料之间的精确几何对齐、避免材料交叉污染以及实现高强度双金属结合都是需要克服的技术挑战。
这种双金属喷射器的成功研发和应用，不仅提高了喷射器的性能和可靠性，还为未来的火箭发动机设计提供了新的思路和方法34。它体现了3D打印技术在一体化和轻量化制造方面的优势，推动了更高耐热性能的实现，并提高了火箭发动机的整体性能34。此外，这种结构的成功制造是增材制造技术的重要突破，展示了在材料科学、制造工艺和工程设计方面的创新能力。
尽管多材料SLM选区激光熔融3D打印工艺取得了很大进步，但距离稳定高效批量生产组件仍有一定距离，此类工程化应用的案例仍然相当少。不过，以相对并不高的代价制造出创新的结构，以推动产品的发展，却具有重大意义。
RAMPT 项目不仅开发前沿制造技术，还开发充分理解该技术的手段，无论其应用是什么。这意味着要推进尖端模拟工具，以在微观结构层面确定新合金和复合材料的可行性——评估它们如何应对升空的严酷考验、太空的严寒以及与升空、着陆和长途运输相关的动态应力。
根据 《深度剖析NASA采用多合金增材制造和复合材料实现轻质可重复使用的推力室组件》，RAMPT项目的第三项关键技术开发是双金属增材制造，双金属的开发集中在铜合金（特别是GRCop-42或GRCop-84）和高温合金的耦合上。其中一个方面是燃烧室和喷管之间的轴向接头。轴向沉积发展的主要目标是表征和定义适当的界面所需的材料。
材料技术突破
例如，NASA 成功交付了一种合金的精制版，称为 GRCop42，这种铜/铬/铌合金来增材制造需要高强度分散和高导电性的零件，该合金是近 40 年前在 NASA Glenn 制造的，它帮助商业发射提供商 Relativity Space 在 2023 年 3 月发射了第一枚完全 3D 打印的火箭。
根据 《ODS、铜合金、HR-1、极温耐火合金 l 一文洞悉NASA的3D打印合金“家族”》一文，当涉及到复杂航空零部件的3D打印-增材制造时，例如。包括复杂的（合金）成分，由超级合金制成的涡轮机的耐高温部件需要提供出色的机械强度、抗热蠕变变形、良好的表面稳定性以及抗腐蚀或抗氧化性。因此，高温合金部件的开发在很大程度上依赖于物理、化学，尤其是工艺创新。显然，增材制造 (AM) 使得能够开发用于极端推进环境的新型合金，在这方面，美国国家航空航天局 (NASA) 拥有成熟的合金，包括GRCop-42、GRCop-84、NASA HR-1、GRX-810、C-103，这些合金的材料特性、热火测试应用数据证明已经可用。
GRCop 是铜、铬和铌的组合，这种材料专门针对高强度、高导热性、高抗蠕变性进行了优化，这在高温应用中允许更大的应力和应变，具备良好的低周疲劳性能，可以防止材料在高温下失效。GRCop 合金的优点是导电率高、高温下强度良好以及操作过程中的稳定性。GRCop 合金通过粉末雾化过程中产生的 Cr2Nb 沉淀物进行弥散强化，并在L-PBF 激光粉末床熔融金属3D打印加工过程中进行精炼。与大多数低合金铜基合金相比，GRCop 合金还具有改进的抗氧化性和抗热白性。GRCop 合金允许热壁温度≥700 °C，具体取决于强度、蠕变和 LCF 要求。
由于推进剂的环境，氧化会导致热烫，氢气会导致氢环境脆化， NASA通过GRCop-42和GRCop-84铜合金来满足这些要求。其中，林德先进材料技术公司和美国国家航空航天局 (NASA) 在2024年签署了GRX-810合金金属粉末的许可协议。根据该协议，林德先进材料技术公司被授予营销和销售 GRX-810 合金的权利。
▲ NASA开发的增材制造合金
© 白皮书
根据 的市场观察，NASA 已使用各种 GRCop-42 和 GRCop-84 制造的火箭发动机燃烧室腔室完成了液氧/氢 (LOX/H2)、液氧/煤油 (LOX/RP-1) 和液氧/甲烷 (LOX/CH4) 热火测试。
GRCop-42的诞生来自于NASA厚积薄发的积累，2014年，NASA就已经开始为GRCop-84开发L-PBF激光粉末床熔融金属3D打印工艺，并成功建造了各种燃烧室并进行了热火测试。还进行了材料和性能表征。虽然测试表明GRCop-84 具有高强度和良好的 LCF 性能，但仍希望提高导热率。NASA于2018 年开始GRCop-42 的 L-PBF开发激光粉末床熔融金属3D打印工艺，NASA通过材料特性开发、组件演示和热火测试来进行合金的开发迭代。NASA 还鼓励商业和学术界参与的策略是提供公私合作合作机会，其中行业和学术界贡献了高达 25% 的项目开发成本，使他们能够从中获益。截至2023年，超过8家国际供应商正在积极生产GRCop粉末，超过12家商业3D打印服务公司将其作为标准材料选项。
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随着 SpaceX 的 Raptor 3 发动机的亮相，埃隆马斯克对雄心勃勃愿景的偏爱再次变成了现实。Raptor 3 SN1 是火箭推进技术的奇迹，代表了设计理念的重大飞跃，强调简约而不牺牲动力或效率。
▲ Raptor3
© SpaceX
根据《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》一文，增材制造技术的出现，对液体动力研制模式带来了新的发展空间。增材制造高度契合先进液体动力的发展方向，主要体现在五个层面：（1）高可靠性（2）低成本批量化（3）快速研制（4）轻质化（5）可重复使用（修复和逆向设计）。
为进一步提高其性能，在结构设计方面，需要在下列方向重点突破：1)开展发动机多功能耦合设计和协同优化方面的研究，形成多结构尺度-多组件集成-多功能协调-多系统融合的研制体系。在更高的总体设计角度中实现将承载、隔热、对流换热等功能组件集成；燃烧、冷却、控制、诊断等多系统融合；热、力、声等多物理场优化，实现刚度、质量、模态等动静性能的协调匹配。2)开展增材制造工艺约束和材料性能方面的研究，针对形成的制造体系，开展发动机重点材料牌号、典型结构部件在多物理场下的力学性能等基础理论攻关，形成面向增材制造的发动机材料结构性能数据库，为发动机结构设计体系的建立提供支撑。
《融合增材制造的液体火箭发动机创新设计方法与应用》谭永华等
3D打印正在助力商业航天抢滩火箭性能新里程碑的技术至高点，关于3D打印对火箭制造行业的革新作用， SpaceX首席设计师兼首席执行官埃隆马斯克有着精辟的观点：通过3D打印，可以以传统制造方法的一小部分成本和时间就能制造出坚固且高性能的发动机零件。通过3D打印来创建高性能的火箭零件，SpaceX正在推动增材制造的极限，而根据埃隆马斯克在x.com社交媒体的透露，几年后，SpaceX最终将拥有 Raptor 3/4 真空版本（巨型喷嘴），其 Isp 为 380。
▲ 液体火箭发动机3D打印应用
© 白皮书
从根本上改变
几个月前，埃隆展示了 Raptor 3 的愿景，这似乎好得令人难以置信。拟议的设计展示了一定程度的结构简化，许多行业观察家（包括经验丰富的专家）认为这过于雄心勃勃。然而，SpaceX 克服了怀疑，将这一精简概念变为现实。
Raptor 3 的设计理念体现了“少即是多”的原则。通过降低复杂性，SpaceX 旨在提高可靠性——在通常以冗余为特征的行业中，这是一种违反直觉的方法。这种简化不仅仅是美观，从根本上改变了发动机的核心架构。
© SpaceX
虽然 Raptor 3 的外观与其前代产品相比显得非常简洁，但它的大部分复杂性都被巧妙地隐藏了起来。发动机广泛使用集成冷却通道壁，这是 Raptor 2 中很少使用的技术。这些通道现在在整个发动机中更为普遍，为其流线型外观做出了重大贡献。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
零件整合和设计优化
根据 的市场研究，SpaceX 的 Raptor 1 到 Raptor 3 发动机的演变确实是零件整合和设计优化的杰出例子，展示了如何通过技术创新实现性能提升和成本降低：
- 重量减轻：Raptor 3 相比 Raptor 1 重量减轻了 36%，这得益于零件的整合和材料的优化，使得发动机更加轻巧，同时提高了推重比。
- 推力增加：Raptor 3 的海平面推力增加了 51%，这是通过提高燃烧室压力和优化燃烧过程实现的，显著提升了发动机的性能。
- 零件整合：Raptor 3 通过内部化次级流道和增加外露部件的再生冷却，减少了外部部件的需求，从而简化了设计。
- 消除隔热罩：由于设计改进，Raptor 3 不再需要隔热罩，这不仅减轻了质量，还减少了与隔热罩集成和维护相关的复杂性。
- 简化设计：取消隔热罩和灭火系统，进一步简化了发动机的设计，减少了潜在的故障点，提高了系统的可靠性。
- 增材制造：大量使用增材制造技术是实现这些改进的关键因素之一。这种技术允许更复杂的零件设计，同时减少制造时间和成本。
Raptor 发动机的这些进步不仅体现了 SpaceX 在火箭发动机设计上的领先地位，也为整个航天工业提供了零件整合和设计简化的范例。通过这些创新，SpaceX 能够以更低的成本实现更高的性能，为未来的太空探索和铺平了道路。
Raptor 3 简化设计的一个关键因素是将二次管道集成到主泵中。这种整合以及某些结构的移除使发动机更轻但更强大。然而，这种流线型设计的代价是增加了制造复杂性。Raptor 3 的生产需要先进的制造技术。大量使用冷却通道壁需要复杂的机械加工和钎焊工艺。SpaceX 很可能利用3D打印技术克服这些生产挑战，突破火箭制造的界限。
SpaceX正在继续改进 Raptor 3，很明显他们不仅仅是在探索星空——他们还在简化旅程。这款发动机代表了火箭设计的范式转变，证明了在太空探索领域，有时最简单的解决方案可以产生最具爆炸性的影响。
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太空推进是航空航天工程的一个分支，它揭示了推动航天器和卫星穿越外太空的方法和技术。挑战是用于推进航天器和卫星的方法很复杂，有时很难与新制造技术相结合。这些挑战涵盖了冷气体空间推进、核推进、电力空间推进和化学空间推进等方面。 观察到3D打印开辟了应对挑战的新途径，Agile Space Industries这家公司充分的利用了3D打印的优势。本期， 通过揭示Agile Space的多点布局其核心竞争力的案例，来与谷友共同领略基于3D打印如何扩展一家初创企业的能力边界。
▲ 3D打印推进系统组件
© Agile Space
从设计到制造
Agile Space Industries 是一家专注于太空推进解决方案的公司，通过增材制造技术变革推进器和火箭发动机的设计与制造，Agile Space Industries 开发了多种产品，包括A110推进器、LE144推进器和A2200发动机，它们适用于不同的太空任务，包括月球着陆器，其客户包括月球探索公司Astrobotic等。根据 的市场观察Agile Space还与6K Additive合作，推进其IN625镍基高温合金粉末在太空应用中的认证，特别是用于Agile的A2200双组元自燃发动机方面的制造，6K Additive 通过其回收计划和可持续制造的粉末帮助Agile Space Industries 实现环保目标。
迄今为止，Agile Space以制造推进器和火箭发动机而闻名，提供从设计、AM增材制造服务、减材制造到测试能力的一系列服务。
▲ 3D打印复杂组件
© 白皮书
太空推进系统的挑战
太空推进的五大挑战包括热管理、地面测试能力、超过一年的持续时间内的性能、飞行率、材料科学（在热管理中发挥作用）。
然而，尽管需要考虑的因素范围很广，但AM-增材制造可以帮助解决这些挑战中有几个。增材制造可以帮助解决热管理、飞行速度和材料科学问题。
此外，除了将3D打印用于开发之外，真正重要的是如何衔接后期的制造应用，这还设计到3D打印系统的大小和生产率。对于小众组件，增材制造非常适合实现复杂的冷却通道几何形状等，即使在更高的产量要求下也是如此。
Highlight
航天器推进系统是利用自身携带的工质，依靠反作用原理为航天器提供推力或力矩的整套装置，它能够在大气层外真空中条件下工作，使航天器达到所需要的速度和飞行姿态。一般又称为空间推进系统。太空推进动力系统是航天器在太空中进行轨道机动、姿态控制、轨道保持等任务的关键技术。太空推进系统可以分为不同的类型，包括但不限于以下几种：
化学能推进系统：通过化学反应释放能量，转化为推力，是最常见的推进方式之一。
霍尔推进器：一种电推进系统，具有较小的推力但高比冲和低燃料消耗的特点，适用于卫星轨道维持和深空探测任务，因其持续性好和精准度高而受到重视。
核动力推进系统：虽然目前尚未应用于太空飞行，但研究表明核动力火箭具有巨大的潜力，能够提供更高的速度和更远的探索距离。核热推进系统的研究在20世纪60年代开始，但因法规和资金问题进展缓慢。近年来，随着政策和资金的支持，核动力火箭有望在未来十年内实现。
其他推进方式：包括但不限于辐射能、太阳能帆等，每种方式都有其优缺点。
太空推进系统的选择取决于航天器的任务需求、对推进力和力矩的具体要求以及对性能、可靠性和成本的考量。随着技术的发展，新型推进系统如核动力推进和电推进等正在逐步成熟，有望为未来的太空探索提供更加强大和高效的动力支持。
关键应用和挑战
Agile Space的先进制造中心已通过 ISO9001、AS9100 认证，并已获得 ITAR 注册和 NIST-SP-800-171 合规性认证，负责从初始工艺开发到合格飞行硬件批量生产的增材制造操作。为此，他们利用了各种专业设备，包括金相和检测解决方案，例如 Keyence VHX7100，可满足工艺开发和特性描述的需求。
就3D打印而言，Agile Space团队正在专注于九种独特的可制造合金，包括氧敏感耐火合金Nb C103。这主要事因为Agile Space会遇到现成的组件或系统不能满足特定要求的情况。在这种情况下，Agile Space创新性地设计和制造了专有的批量混合和除粉冲洗系统，提高了零件产量和整体效率。
© 白皮书
增材制造最显著的优势在于其快速的周转能力，这使团队能够在几周内迭代设计。这种灵活性使得团队能够在短短一个月内将新产品带到测试台。事实上，Agile Space的许多产品由超过85%的增材制造零件组成，证明了增材制造在生产过程中的广泛使用。
增材制造对于喷射器和腔室设计等组件尤其重要，这些组件通常需要复杂的内部结构。例如，Agile Space的一些喷射器包含 50 多个内部弯曲歧管，每个歧管的末端孔径小于 0.5 毫米。这种对高精度的需求对于3D打印设备和工艺控制提出了高要求。
根据 的了解，Agile Space为了确保一致性并降低任何尺寸或工艺变化的风险，使用相同的3D打印机进行开发和生产。在将3D打印机从开发过渡到生产之前，要经过一系列严格的工艺检查，才能符合生产用途。从原型设计到生产的无缝过渡凸显了Agile Space致力于在AM-增材制造工艺中保持高质量和可靠性标准的承诺，使其成为其提供创新太空推进解决方案的运营基石。
尽管增材制造具有众多优势，但我们需要注意该技术当前的潜在局限性。虽然这些限制在不同的AM-增材制造用户身上体验不同，但对于每个希望实现AM-增材制造实现产业化的从业者来说，有些挑战是共同的，其中一些挑战包括数据集成和管理。
数据集成与管理
提醒一下，管理AM-增材制造对于建立零件可追溯性、了解AM-增材制造流程和在制造过程中做出决策至关重要数据管理是产品开发生命周期的一部分。在这种情况下，当必须处理这些数据的数量、速度、种类和准确性时，数据的整理、集成、融合、共享和分析就变得复杂了。
那么有没有比较好的数据管理方法？
了解到Agile Space在流程开发过程中实施统计实验设计方法，重点关注关键流程参数。Agile Space在3D打印过程中收集过程中的数据，主要是热特征，并对其进行分析以确定关键材料特性，例如孔隙率。这一过程使Agile Space能够根据经验证据优化他们的操作。至关重要的是，Agile Space的内部推进测试设施配备了广泛的测试仪器，使其能够通过对实际组件的功能测试来验证材料特性，这种方法可以更准确、更直接地评估材料在最终应用中的表现。
虽然Agile Space的内部解决方案可能会加速流程开发和认证，但Agile Space不是软件开发公司。因此，Agile Space积极采用软件协同硬件方面的进步，以进一步增强将大量数据集转化为可操作见解的能力。
总体来说，Agile Space 在热火测试和系统设计和开发方面拥有十年的专业知识， 了解到其核心实力不仅仅建立在对设计、硬件和软件的贯通能力上，其对纳入更多耐火合金的兴趣日益浓厚，并通过试验计算设计材料，当前的重点是提升在热机械补偿和增材设计软件方面的专业知识，以创造创新的推进器。例如，较新的组件可能包含仍然难以鉴定的复杂功能，例如功能晶格或需要直径小于 100 微米的可重复孔。
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随着行业的成熟，增材制造技术在航空航天领域的市场应用已经显示出惊人的增长潜力，可以生产出复杂的几何形状，减少材料浪费，并提高设计灵活性。增材制造技术不仅适用于制造飞行器的复杂零部件，还可以实现在轨制造难以由地面发射的飞行器部件。随着技术的不断进步，增材制造有望成为传统制造方法的可靠且经济高效的替代方案。
本期，通过节选近期国内科研机构航空航天领域在增材制造方面的实践与研究的多个闪光点， 与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
© 白皮书
基于选区熔化制造工艺的
涡轮预旋喷嘴结构优化设计与有限元分析
© 白皮书
谢晋、熊艳华、张灵俊、陈阿龙
中国航发四川燃气涡轮研究院
摘要：
为实现减轻航空发动机涡轮预旋喷嘴重量、缩短制造周期，根据涡轮预旋喷嘴组件的结构和加工特性，基于选区熔化制造技术(SLM)对其进行适应增材制造工艺的结构优化设计，并对预旋喷嘴的增材制造过程进行有限元分析，探究预旋喷嘴的最优成型方向和在增材制造中的变形情况。后期制造表明，通过SLM增材工艺的预旋喷嘴结构优化设计，可获得17.08%的轻量化效果，缩短了制造周期，达到轻量化的目的。
金属3D打印工艺
火灾爆炸危险性分析与评价
葛双优
中国航发沈阳发动机研究所
摘要：
金属3D打印技术已广泛应用到我国工业领域，但是关于金属3D打印工艺火灾爆炸危险性的研究较少，尤其是金属钛、铝，其粉体属于易燃易爆物质。为充分识别金属3D打印工艺火灾爆炸危险源，针对性地制定安全防护措施，保障生产安全。本课题运用故障树分析法、火灾爆炸指数法针对金属3D打印工艺过程中的火灾爆炸危险性进行分析评价，识别出可能导致火灾爆炸事故发生的危险源，以及相应的应对措施。并通过计算，验证了应对措施可以明显降低金属3D打印工艺火灾爆炸危险性。
燃气轮机叶片
快速熔模铸造工艺优化
刘树文1傅骏2魏灵玥2杨艳萍2徐光利3孙航博4
1.西安阎良国家航空高技术产业基地管理委员会2. 四川工程职业技术学院材料工程系3. 成都航飞航空机械设备制造有限公司4. 西安博胜航空装备有限公司
摘要：
针对传统熔模铸造工艺在确定压型尺寸时需要反复多次试验所带来的时间长、成本高问题，进行了叶片快速熔模铸造方法的研究。该方法采用ABS打印燃气轮机叶片，并通过粘接蜡质浇注系统组成熔模模组。经5层挂砂后将失蜡、焙烧后的铸造型壳浇注金属，获得了叶片铸件。同时，针对生产过程中的型壳破裂建立了变形协调方程，应用有限元软件分析获得了铸件和型壳的应力等效应力云图，提出了优化措施，最终获得了优质铸件。
高固含量热固性
固体推进剂3D打印技术
王杰1齐瑶1祁威1肖鸿1王奔1李伟2,3段玉岗1史佳齐4
1西安交通大学机械工程学院2. 航天化学动力技术重点实验室3. 湖北航天化学技术研究所4. 西安航天化学动力有限公司
摘要：
3D打印技术相比于传统的固体推进剂浇注成型方法具有更高的制造灵活性和安全性。然而传统打印方法多为低固含量的固体推进剂材料制造，对于高固含量（质量分数大于85%）的固体推进剂材料，传统挤出打印方式存在挤出不连续、成型质量差等问题，限制了发动机的整体性能。
针对上述问题，本课题基于超声减摩辅助挤出原理设计了双超声振子共振挤出高固含量热固性固体推进剂打印头。重点探究了打印过程中打印温度、挤出压力、喷嘴直径等关键工艺参数对于打印推进剂材料孔隙率的影响。在打印温度为70 ℃、挤出压力为0.6 MPa、喷嘴直径为1.7 mm，打印层高间距比为0.8的最优工艺参数条件组合下，可打印制备固含量为88%、孔隙率为3.46%、与设计目标相比打印制造误差被控制在0.4%以内的复杂变燃速热固性固体推进剂药柱结构，同时打印样件的拉伸强度较传统浇注样件提升56%，为复杂高固含量固体推进剂结构的制造提供了一个新思路。
航天领域3D打印
材料及工艺技术研究现状
李晶1闫峰2王锦1党晓明1王宇晴1何凯1
1金堆城钼业股份有限公司技术中心2. 航天推进技术研究院
摘要：
概述了3D打印技术在航天领域的研究现状，介绍了3D打印技术加工出的结构复杂、拓扑优化的几何形状零部件的特点。重点阐述了国内外应用于航天领域的3D打印制备技术的发展，包括金属基材料，定向能量沉积成形（DED）和粉末床熔融成形（PBF）等工艺和后处理技术，以及制造的航空航天零部件。总结了3D打印技术在航天领域应用的优势和不足，提出了技术改进和研究方向。
3D打印技术
在航空伞箱制造中的应用
关要轩、李湘
航宇救生装备有限公司
摘要：
阐述了国内外3D打印技术研究与应用现状和激光选区熔化技术成形特点。以航空航天制造领域铝合金薄壁伞箱为典型案例，围绕激光选区熔化工艺中如何控制变形零件、保证质量为关键点，从添加辅助支撑、工艺参数设置、退火处理及三维扫描检测等方面开展应用研究。
结果表明：通过科学设计辅助支撑、合理设置工艺参数和规范热处理，能够减少激光选区熔化中零件变形及其他缺陷产生。
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别人眼中遥不可及的不可能，在他看来却是努力可以实现的准现实，薛蕾身上有一种极强的现实扭曲力，这力量驱使着他敢于跟未来发生拥抱式的真实碰撞，让他高度聚焦并极速迭代，像一个无畏的少年，无比敏锐的向前，一路快速过滤杂音，穿越孤独与挑战。
认识十年，我经常觉得薛蕾是个“初生牛犊不怕虎“的狂人，对于制造的艰难坎坷他并没有那些老牌制造人的阅历，然而他脚踏实地，开辟一片新制造疆土的能力就摆在那里。外人看得出这其中的苦是难以承受与想象的，薛蕾却豁达的将苦咽下，把自己比喻成打铁匠，或许他已习惯于将苦当成甜，从而散发出一种叫做”GRIT”的朝气，而这种韧性不仅仅是薛蕾的，也是铂力特的，更是使得中国制造屹立全球的中国人的“GRIT”。
很多角度去看，薛蕾不懂得什么叫圆滑，十年来，无论我对他的问题隐含着怎样的“不怀好意”，试图敲打出他一出校门就做制造业的天然软肋，然而他总是有着自己的悟性和天生正确的本能，给出简练透彻的回答，这或许是骨子里的现实扭曲力给他塑造出来的与生俱来的确定性。
凡心所向，素履以往，生如逆旅，一苇以航，勇敢的与未来发生真实的碰撞！让制造更简单，让世界更美好。下一个十年，归来仍是少年！
王晓燕 l 创始人l 2024.6
铂力特的GRIT
遇到一个好的机遇，并认真把事情做好
十问铂力特
▏跨界发问
1问: 特斯拉没有复杂的产品线，简单到地球上的人基本都能一眼看懂，但是通过软件的不断升级可以赋予汽车新的新能，如何看待3D打印设备的发展，会不会有一天一键升级整个车间的制造水平？
薛蕾：硬件的迭代和软件的迭代有一个先后顺序和节奏配合的逻辑，在硬件迭代相对变缓的时候，软件的迭代发力的成分就可以提升，但是要硬件比较稳定，不稳定的话去开发软件，这时候如果软件没开发好，硬件又升级了就不衔接了，节奏上需要匹配。
2问: 传统机床行业存在一个令人惊讶的现象，有的公司并不做创新，有的公司创新的速度非常频繁，然而往往是不怎么创新的公司有现金流，经济下滑的时候反而可以逆袭，将创新的企业收购，将别人上百年的创新成果据为己有，从这个角度，如何看待增材制造领域的竞争？
薛蕾：创新的代价的确很高，稳定与创新之间需要找到一个平衡，创新需要在稳的基础上，设备质量的稳定，现金流的稳定都很重要。
3问: 光伏行业之前经历过一个很大的发展，但后来前期的企业都消失了，如何看待进入到3D打印这样的新技术领域的高风险？
薛蕾：这是必须要接受的痛苦，必然会经历过惨烈的洗牌，市场才能走向更健康的发展，逃避不了只能面对。
4问: 那就是说在日子好的时候就需要准备好过冬？
薛蕾：过冬的准备是每一天的事情，不仅仅是日子好的时候需要准备，每天都要想着怎么过冬，现金流很重要。
5问: 国外有3D打印设备厂商的发展遇到很大的瓶颈，像SpaceX通过他们的技术实现了复杂零部件的生产，火箭一飞冲天，估值也很高，而3D打印设备厂商卖完设备就没什么更多的订单了，如何看待这种“不公平”？
薛蕾：还是需要把设备应用的更广，要想着成本上如何能去跟铸造拼，应用的广了才有企业的生存发展空间。
6问: 为了满足不同的应用会不会出现很多的设备型号？这种越来越复杂的产品线将来怎么发展？
薛蕾：产品线会出现一个发散到收敛的过程，伴随着需求的开拓，市场上不同的厂家会纷纷推出更多的设备型号，而将来又会出现设备型号的收敛，较少的设备型号通过模块化的配置满足不同市场需求。
▏战略与展望
7问: 金属3D打印会不会被限制在航空航天领域？
薛蕾：铂力特给3C领域已经大批量在交货，工业领域还有很多的增材制造应用潜力，都有量产潜力，有很多还没有被开发，海外这部分市场已经足够大。
8问: 3C是一个对质量、效率、价格要求非常严苛的领域，铂力特进入这个领域是什么想法？
薛蕾：从接到3C的需求，到开发再到量产我们苦练了8年内功，满足了最为挑剔的要求，再扩展到其他民品领域就有实力了。
9问: 设备的口碑很难建立，但是建立好又很容易被破坏，随着销售的设备越来越多，但不担心有的客户认为设备不好？
薛蕾：设备的口碑建立在客户理性和感性的共同基础上，听到不好的评价需要重视但不惊慌，需要客观的分析客户是出于哪方面的原因，从而作出改进。
10问: 当前看得到的市场还有哪些是铂力特已经在铺垫的？
薛蕾：低空经济、人形机器人、新能源汽车这些领域都有机会，铂力特也像进入3C市场一样做专门的解决方案。
Q：2023年贵公司在技术上有哪些突破？您如何看待这些突破的价值？
2023年，铂力特在设备及自动化、软件、原材料、工艺等方面都有技术突破。
设备方面，面向航空航天、工业机械等领域的批产方案更加完善，发布BLT-S1500、BLT-S615、BLT-S815、BLT-S1300等大尺寸设备平台化方案，产线型粉末循环方案和粉末自循环方案发布。
▲铂力特西安总部智能制造厂房
上图：大设备厂房；下图：小设备厂房
软件方面，BLT-BP V2.0和BLT-MES 2.0接连面市，铂力特基本建成了面向百余台金属增材制造设备产线的软件生态链。
可成形材料方面，铂力特依据金属增材制造特点，推出多款适用于航空航天领域的可成形高温合金、钛合金材料：适用航空发动机、燃气轮机等热端部件的高温合金材料BLT-In738（国内牌号K438）, 有良好机械性能和耐腐蚀性性能的BLT-Ti64，具有适中的机械性能、较高的塑性、理想的耐腐蚀性的BLT-Ti，适应用于航空航天领域高性能零件的BLT-Ti2AlNb粉末与BLT-Ti65；适用于粉末冶金（PM）和电子束选区熔化（EBM）工艺的BLT-TiAl4822粉末，有望部分代替镍基高温合金，实现航空发动机高温结构件的大幅度减重。
▲铂力特金属粉末
工艺方面，2023年推出的无支撑打印技术方案可以实现30°以下悬垂结构的无支撑打印，自面市半年来，已经应用到多型工业批产零件中，减少了后处理工序的人耗、能耗，保证了高效的生产节拍。此外，铂力特硬质合金增材制造成形工艺拓宽了增材制造技术可成形的材料范围，为金属增材制造生产工业产品提供了新的发展方向。技术创新是企业发展的重要牵引力，技术突破是企业发展的一个注脚，只是阶段性地面向市场需求解决了一定的技术问题，想要持续发展进步，还需要持之以恒的技术创新和工程化应用。
▲铂力特无支撑3D打印零件
Q：能否举一两个案例分享一下贵公司的用户在其应用领域获得的最新收获？您如何看待这些收获的意义？
2023年，铂力特在商业航天、模具、鞋模、3C电子、自行车等航空航天及工业机械等领域都有许多新的进展，特别是在批产方案这一块。
▲铂力特3D打印技术制造的星际荣耀喷注器
铂力特参与的商业航天典型应用场景包括：可重复使用液氧甲烷火箭、固体运载火箭、液体运载火箭，立方星部署器、实验卫星、商业通信卫星等；其中多个商业航天项目已进入批量生产阶段。铂力特去年做的比较有趣的应用是自行车和微创脑手术柔性机器人。
▲铂力特3D打印新应用
上图：3D打印微创脑手术柔性机器人先端结构件
下图：包含钛合金头管接头等3D打印零部件的自行车
铂力特自成立以来，一直认为一切金属加工的场景，金属3D打印都有机会。每一个新的应用场景、应用领域的开发，铂力特人持续地技术创新和工程化应用的努力都是为了让金属3D打印走进千万加工厂，走进千行百业。
Q.能否举一两个最新案例来透视贵公司是如何在可持续发展方面作出贡献的？您认为贵公司的核心竞争力（包括核心技术、企业文化、生态圈影响力等等）如何帮助实现可持续发展？
商业航天是铂力特在2023年比较受关注的应用领域之一，铂力特的金属3D打印解决方案支持了蓝箭航天的可重复使用液氧甲烷火箭、九州云箭可回收液氧甲烷发动机、星际荣耀液氧甲烷可重复使用验证火箭双曲线二号验证火箭等。可重复使用火箭技术可以降低发射成本，帮助共创健康可持续的太空环境。
金属3D打印技术能够实现材料在空间按需分布，有效利用资源、降低能耗，本身就是一项低能耗、环保的技术。铂力特人秉承“让制造更简单，世界更美好”的使命，在“让金属3D打印走进千万家工厂”的目标下，持续让各领域的设计端了解这项工艺，启发设计端从更轻量化、更“料尽其用、物尽其才”的方式去革新产品设计，减少原材料的冗余、浪费，从而创造一个更加可持续发展的工业产业生态链。
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根据 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。
本期，通过节选近期国内科研机构算法与AI在增材制造方面的实践与研究的多个闪光点， 与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
© 白皮书
激光选区熔化成形大尺寸薄壁件变形控制仿真与试验研究
© 白皮书
张珞1刘明明2陈锐敏1但鹏1郭楠1
江西昌河航空工业有限公司2. 航发优材(镇江)增材制造有限公司
摘要：
采用Simufact Additive软件对典型的大尺寸薄壁件—排气管进行了增材制造过程工艺仿真分析。结果表明，无约束下的排气管零件在SLM成形后具有较高的残余应力，并存在较大变形；后处理释放了零件残余应力，但零件整体形变量进一步增至3.5mm，最大形变量高达9mm。
本研究通过引入具有高比强度、高比刚度的晶格结构作为控形辅助结构，设计了一种既具有足够抵抗变形能力又能够后处理去除的晶格工艺方案：单元格类型为QuadDiametral，杆径1.3mm，杆长19mm，晶格区域宽度约60mm。晶格约束下的排气管零件SLM成形试验结果与数值模拟结果相当吻合，三维扫描云图结果显示零件整体变形量在1mm左右，最大变形量不超过2.5mm，满足零件的使用要求（面轮廓度±0.6mm以内，合格区域面积占比≥75%）。上述结果表明，晶格结构可作为激光选区熔化成形大尺寸薄壁件变形控制的有效技术手段之一。
基于BP神经网络的气溶胶喷射3D打印技术质量建模及分析
杨宝生1,2葛建军3张海宁3
合肥工业大学计算机与信息学院2. 宿州市产业投资控股集团有限公司 3. 宿州学院信息工程学院智能制造研究所
摘要：
为了提高气溶胶喷射3D打印质量的稳定性和准确性，建立基于Back Propagation(BP)神经网络的打印质量预测模型.该模型以鞘气流量、载气流量和打印速度为主要参数，并预测气溶胶喷印中的两个重要指标：线条宽度和线条粗糙度.同时，采用了K折交叉验证方法对神经网络模型进行训练，并对网络结构进行了评估.测试结果表明，该模型具有较高的预测精度和稳定性，能够准确地预测线条宽度和线条粗糙度.
激光直接能量沉积温度场与熔池形貌热-流耦合数值模拟研究
© 白皮书
胡楷雄1,2李飞扬1周勇1李卫东3
武汉理工大学交通与物流工程学院2. 湖北隆中实验室 3. 上海理工大学机械工程学院
摘要：
激光直接能量沉积过程中熔池的温度分布和流动状态直接影响沉积层的质量。通过分析熔池的动态行为，有助于更好地理解熔池形成机理，从而减少缺陷的产生。本文建立了激光直接能量沉积过程中温度场和流场耦合的仿真模型，考虑了马兰戈尼效应的影响，并采用动网格法来拟合熔池的形貌，研究了单道单层沉积过程中不同工艺参数对熔池温度场和流速的影响规律，以及多道搭接过程中由于传热不对称导致的熔池温度场和形貌的变化规律。研究结果表明，激光功率、扫描速度和送粉速率均对熔池的温度场和流速产生影响，其中激光功率的影响最为显著。传热不对称会导致不同熔道的温度先上升后趋于稳定，这一温度变化趋势使得熔池深度呈现相似的增长趋势。
金属增材制造晶体塑性有限胞元自洽聚类分析方法
© 白皮书
于飞1廉艳平1,2李明健1高汝鑫1
北京理工大学,先进结构技术研究院2. 北京理工大学,轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室
摘要：
金属增材制造是一种先进的数字化制造技术，在高性能、复杂构件快速制备方面具有独特的优势。然而，其成形材料微观组织复杂且存在不可避免的制造缺陷，导致实际制造材料性能与设计性能存在偏差，亟需发展考虑真实材料微观组织和缺陷的力学性能高效预测方法。
针对该问题，本研究发展了晶体塑性有限胞元-自洽聚类分析方法，包括离线数据准备和在线快速计算两个阶段。其中，在离线阶段，采用晶体塑性有限胞元法和聚类算法建立实际微观组织代表体元离散数据；在线阶段，采用基于加权余量-子域法的自洽聚类分析和考虑Hall-Petch效应的晶体塑性模型求解了代表体元问题的Lippmann-Schwinger方程，进而通过应力应变均匀化获得材料的宏观等效力学性能。通过理想及含不规则孔隙的多晶算例验证了所提出方法的计算精度及高效性；进一步，采用该方法研究了激光选区熔融增材制造IN625合金力学性能，并揭示了工艺参数对其力学性能的影响。结果表明，本文工作为金属增材制造成形材料力学性能预测提供了一种高效的计算方法。
薄壁构件增材制造有限元模拟及快速补偿模型
© 白皮书
王林洋1黄海军1孙明丰2王皞1
上海理工大学2. 苏州倍丰激光科技有限公司
摘要：
激光粉末床熔合(L-PBF)技术在复杂工件一体化成形中得到广泛应用，但打印过程中激光快速升温和冷却过程产生的热应力会影响工件的成形质量。基于有限元方法建立了细观与宏观两种尺度下TC4合金材料L-PBF成形过程模型。在细观尺度下评估三层道次扫描过程中实时温度场及应力场，探究工艺参数与打印层数对熔池等细观尺度的影响，发现熔池尺寸的增长对功率更敏感，且高功率可以释放下层积累的热应力，但同时也有更高的冷却速率使最大热应力升高。在宏观尺度下构建工件整体打印模型，并基于细观尺度结果调整成形参数，对残余应力分布和变形结果进行预测，二者吻合较好。基于部件实际的打印结果，通过构建补偿模型，将最大位移量由0.626 mm减小至0.027 mm，平均变形量降低95.97%，且计算时间控制在合理范围内。
基于回归分析和GA-BP神经网络算法的3D打印件弯曲性能预测
© 白皮书
白鹤1杨鑫1杨瑞琦1刘亚明2,3赵峥璇1庞瑞4何石磊2,3
宝鸡职业技术学院机电信息学院2. 宝鸡石油钢管有限责任公司钢管研究院3. 国家石油天然气管材工程技术研究中心4. 宝鸡石油钢管厂职工子弟学校
摘要：
为进一步探究熔融沉积成型(FDM) 3D打印参数和制件弯曲性能之间的关系，创建合理的FDM 3D打印制件弯曲强度预测模型。根据正交试验L16 (45)的设计原则和神经网络算法模型的构建要求，按照不同分层高度、填充密度、打印温度、打印速度以及外壳厚度五种因素，制备25组试验试样，并进行弯曲性能检测。随后通过建立GA-BP神经网络模型、传统BP神经网络模型以及多元回归方程模型，分别对FDM 3D打印制件弯曲性能进行预测，并将预测数据与试验测试数据进行对比。
通过对比发现，GA-BP神经网络模型预测数据与试验测试数据更为接近，其平均误差为3.71%，且误差值整体波动最小，BP神经网络模型与多元回归方程模型预测精度相差不大，BP神经网络模型预测平均误差为8.05%，多元回归方程模型预测平均误差为9.07%，但多元回归方程误差值整体波动最大。因此，采用GA遗传算法优化后的BP神经网络模型在进行FDM 3D打印制件弯曲性能预测方面具有更高的精度和更良好的稳定性。
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随着选区激光熔融（LPBF）增材制造-3D打印技术迈向批量生产，业界面临着前所未有的挑战。在这一发展过程中，提升生产效率成为关键。为了应对这一需求，新一代的增材制造设备配备了更大的成型空间和多个激光器，以期实现更高效的生产。
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， 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。
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。
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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根据 《(一）金属与金属 l 多材料和蜂窝超材料的3D打印设计、特性、应用、挑战》一文，对于金属多材料，大多数关于多材料的研究都是在钛、铜、 铝和钢，用于改善设计部件的功能以及增强硬度、导电性、磁性、耐磨性、强度和热性能等特性。
实现更快捷的多材料加工，苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH) 机械与过程工程系的RAPTURE 项目开发了用于多材料火箭部件的下一代 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统。
▲ RAPTURE多材料3D打印系统
© ETH
多种合金的应用场景比较特殊，例如，一个零件的一侧要具备耐高温特性，而另一侧要具备低密度特性；或只能在一侧具有磁性。制造这样的零部件此前只能采用焊接的方法，先分别制造出不同的部件，然后再将它们焊接起来。但焊缝天然具有缺陷，容易脆化，在高强度压力下极易导致零件崩溃。当前NASA的3D打印技术，可以顺滑地从一种合金过渡到另外一种合金，此外，用它还可以研究各种潜在的合金。
▲ 多材料
© 白皮书
下一代系统
RAPTURE 是苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH) 机械与过程工程系 (D-MAVT) 的一个重点项目，RAPTURE 项目还是瑞士学术空间计划 (ARIS) 的一部分，该项目以 2022-2023 年重点项目 PROMETHEUS 的成功为基础，该项目开发了增材制造液体燃料火箭发动机的试验台。
增材制造，尤其是激光粉末床熔融，是一项相对年轻的技术，在许多行业中都有快速增长的市场。它允许制造具有其他任何方式都无法实现的复杂性的部件。这种复杂性使工程师能够更好地利用材料并设计性能更高的组件。RAPTURE 希望更进一步，通过多材料能力进一步提高这一性能水平，这允许在一个组件中使用多种材料。通过新开发的重新涂层方法，RAPTURE旨在构建迄今为止最快、最节省粉末的多材料下一代 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统。
RAPTURE项目开发的多材料 LPBF 激光粉末床熔融增材制造系统有望应用于火箭，可以将各种材料集成到一个部件中。此功能简化了轻质、高强度组件的设计，优化了性能并减轻了重量。在效率至关重要的火箭领域，多材料 LPBF 提供了创建专用组件所需的灵活性，例如隔热罩和喷嘴，每个组件都具有量身定制的材料特性。这项技术有望提高火箭系统的可靠性和性能，使其成为航空航天工业的一项宝贵进步。
© 白皮书
观察
l 国际-多材料火箭部件参考案例
NASA在2017年9月成功测试两种合金制成的3D打印火箭发动机点火器，该零部件由铜合金和Inconel合金制成，通过DMG MORI（德马吉森精机）开发的混合3D打印工艺生产出来，点火器部件的高度为10英寸、宽为7英寸。
通过3D打印过程将两种材料分散熔合在一起，两种材料内部晶粒产生粘结，使得任何硬质过渡都被消除，从而零件不会在巨大的压力和温度梯度变化下发生断裂情况。
消除钎焊过程并将双金属材料制成单一组件，这不仅可以降低成本和制造时间，而且还可以通过提高组件的可靠性而降低质量风险。
l 国内- 科研成果
新型振动辅助粉末输送系统增材制造钴基合金/铜合金界面互锁结构
唐锦荣1王迪1刘林青1谭华2李扬1周伟3陈国星4杨永强1
1. 华南理工大学机械与汽车工程学院2. 西北工业大学凝固技术国家重点实验室3. 厦门大学机电工程系4. 苏州热工研究院有限公司
摘要：
多材料激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion, LPBF)成形过程中，高质量的粉末输送对于保证成形稳定性并提升零件的成形质量具有重要意义。设计了一种新型超声振动辅助粉末输送系统，分析了振动辅助模块的频率特征，并研究了针头直径对落粉效果的影响，通过0.3mm直径的针头实现了稳定、良好的粉末输送效果。通过上述粉末输送系统LPBF成形三种具有不同界面互锁结构(齿形、正弦、矩形)的钴基合金/铜多材料零件，验证了该粉末输送系统的可行性。
进一步研究了三种不同互锁结构的界面特征，分析了界面处宏观样貌、微观缺陷以及元素分布。结果表明，振动辅助模块在21 kHz频率下能正常落粉，成形零件界面出现了两种金属的混合区。齿形互锁结构的成形质量优于正弦与矩形结构，其界面处的材料结合良好。以上结果能为粉末输送系统设计以及金属多材料界面结构设计提供参考。
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薄壁曲面构件是广泛应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而，这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合，且材料轻质高强、性能要求高等，使其制造难度大。
增材制造-3D打印技术在薄壁曲面结构件的制造中展现出显著的应用价值。例如带来更大的设计自由度、提高材料利用率、缩短研发周期等等，还有助于实现结构件的轻量化，提高性能，并通过精确控制制造过程来优化零件的微观结构和力学性能。
本期谷.专栏将对西北工业大学詹梅教授团队发表于《机械工程学报》的《航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战》一文进行简要分享。为从事航天等高端装备制造领域增材制造研究的谷友提供参考。
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▲ 论文链接：
http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2022.20.166
前言
薄壁曲面构件是运载火箭、飞机、船舶等高端运载装备中成形制造难度极大的关键结构件之一， 其制造技术水平代表了国家制造业的核心竞争力。随着这些高端运载装备的快速发展，对大运力、低能耗、长航时、长寿命等需求的不断攀升， 具有高性能、轻量化和高功效的大型或超大型整体 薄壁曲面构件被广泛采用。该类构件一方面是材料轻量化，即采用轻质高强的先进结构材料，如高强铝(锂)合金、镁合金、钛合金等；另一方面是结构轻量化，即采用高效轻质的结构型式，其结构朝着 大型化、整体化、薄壁化的几何和承载优化构型方向发展。材料的难变形、结构的难成形以及二者的 耦合作用大大增加了该类构件成形制造的难度。因此，发展先进的大型薄壁回转曲面构件成形制造技术已经成为目前的研究热点。
本文针对航天领域大型薄壁回转曲面构件及其成形制造技术的发展历程和分类、各类制造技术的应用与研究现状等方面分析讨论大型薄壁回转 曲面构件成形制造技术的研究动态；随后对比分析各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力；最后探讨大型薄壁回转曲面构件制造技术未来的发展趋势与面临的挑战。
航天大型薄壁回转曲面构件及其制造技术发展概述
一、国际发展历程
l 20世纪50-60年代的制造工艺
由于成形设备制造能力有限，主要采用分瓣塑性成形+拼焊。
1967年美国土星5号Ⅰ级S-IC推进器的直径10m的贮箱箱底件使用8块2219铝合金瓜瓣拼焊而成，采用液压胀形方法成形，再进行焊接组合。这种方法工序多、制造精度差、可靠性低。
l 20世纪80年代的技术发展
随着工艺技术的迅速发展，整体成形技术得到了广泛应用。
美国航天飞机SWT贮箱箱底3.556m的2219铝合金椭球形顶盖采用旋压工艺进行整体成形。
l 21世纪初的技术突破
日本三菱重工采用多道次整体旋压成形技术，生产出了直径5.2m的H-2A和H-2B型运载火箭铝合金推进剂贮箱。
l2009年的新进展
美国NASA和洛克希德·马丁公司合作整体成形了直径为5.4m的阿里安5号火箭半球形箱底件，使用搅拌摩擦焊技术连接两块2195铝锂合金板件再整体旋压成形。
l 2017年的最新进展
美国NASA的Michoud装配厂在猎户座飞船载人任务中，因超宽板坯尺寸的限制，采用12块铝合金瓜瓣拼焊制造了直径为8.4m的新一代太空发射系统重型火箭的第一个液氢贮箱箱底。
二、国内发展历程
l 国内航天工业的起步与发展：
20世纪60年代：航天工业建设起步。
70年代初：实现了运载火箭由“无”到“有”的突破。
l 长征系列运载火箭的发展历程：
1970年：研制的长征一号芯级直径为2.25 m。
1975年至2020年：研制了长征二号、三号、四号、六号和七号运载火箭，芯级直径为3.35 m。
2016年至2020年：研制的新一代长征五号运载火箭，芯级直径和助推器直径分别达到了5 m和3.35 m。
l 燃料贮箱箱底的制造工艺：
2017年以前：主要采用瓜瓣冲压/拉形+拼焊工艺。
2017年：中国航天科技集团第一研究院211厂采用旋压工艺，实现了2.25 m贮箱箱底的整体成形制造。
随后：211厂和第七研究院7102厂分别采用旋压工艺，成功研制出直径3.35 m的整体结构贮箱箱底。
龙头企业重点布局移动服务机器人，利用前沿技术提升性能。
l 当前制造能力与技术差距
截至目前：国内已经实现最大直径5 m的贮箱箱底制造，制造工艺仍为分瓣塑性成形+拼焊。
现阶段限制：我国尚不具备研制直径超过5 m的贮箱箱底的能力。
技术差距：尽管取得了迅猛发展，与国外的研制能力相比，仍存在明显差距。
基于塑性成形的制造技术
-整体塑性成形
利用整体板坯制造出整体结构的大型薄壁曲面构件，包括旋压成形、流体压力成形、电磁渐进成形、超塑成形等技术。
l 旋压成形
旋压成形是一种通过旋转的模具和轮子，对金属板材施加局部压力使其变形的成形技术，具有高精度、高效率的优点，适用于制造大型薄壁回转构件。
工艺特点：
通过旋轮的进给运动实现局部塑性变形。
能够实现高精度的尺寸控制和良好的表面质量。
材料利用率高，节省材料成本。
应用案例：
主要用于制造直径较大的火箭燃料箱底。
图：大型薄壁曲面旋压构件
图：无芯模热旋
l 流体压力成形
流体压力成形是利用高压液体介质对金属板材施加均匀压力，使其在模具内成形的一种技术，适用于复杂形状的薄壁曲面构件。
工艺特点：
通过液体压力实现均匀成形。
适用于制造复杂形状的薄壁件。
能够大幅减少拼焊工序，提高构件的一体化程度。
应用案例：
适用于制造复杂曲面和内腔结构的航天构件。
图：薄壁曲面构件流体压力成形过程
l 电磁渐进成形
电磁渐进成形是利用电磁力对金属板材进行渐进成形的技术，主要用于难变形材料的成形。
工艺特点：
无接触成形，减少了模具的磨损。
可实现对高强度材料的高效成形。
工艺过程中无热效应，适合热敏材料。
应用案例:
用于制造高强度和高硬度的航天器结构件。
图：双线圈电磁渐进成形
l 超塑成形
超塑成形是利用材料在特定温度和应变速率条件下表现出的超塑性进行成形的技术，适用于高温下金属材料的成形。
工艺特点：
需要在特定的高温和低应变速率条件下进行。
可实现极复杂的形状成形。
材料变形均匀，成形精度高。
应用案例:
适用于高温合金和钛合金的复杂形状构件。
图：超塑气胀成形模具和构件
其他制造技术
一、增材制造技术
增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一种通过逐层堆积材料来制造构件的技术，适用于制造复杂形状和结构的构件。
工艺特点：
能够制造出复杂的几何形状，不受传统制造工艺的限制。
提高材料利用率，减少浪费。
可实现快速成型，缩短制造周期。
应用案例：
航天领域中，用于制造复杂的结构件和零部件，如发动机燃烧室、卫星支架等。
图：增材制造-3D打印的大型薄壁曲面构件
二、复合材料编织制造
复合材料编织制造是一种利用纤维材料进行编织并通过树脂浸渍固化成形的技术，具有重量轻、强度高的特点。
工艺特点：
材料的力学性能优越，具有高强度和高模量。
制造过程中能够实现大尺寸构件的一体化成形，减少连接件的使用。
具有优异的耐腐蚀性能和疲劳性能。
应用案例：
用于制造航天器的外壳、蒙皮等高性能部件。
图：复合材料成形构件
发展趋势与挑战
一、未来发展趋势
未来大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展将朝着智能化、高效化和绿色化的方向迈进，主要包括以下几个方面：
l 智能制造：
引入人工智能和机器学习技术，优化成形过程的参数设置和质量控制。
开发智能化制造系统，实现自动化和无人化生产，提高生产效率和产品一致性。
l 高效制造：
提高材料利用率，减少废料和加工余量，降低制造成本。
开发高效成形工艺，如快速旋压、快速超塑成形等，缩短制造周期。
l 绿色制造：
采用环保材料和工艺，减少生产过程中对环境的影响。
开发低能耗成形技术，降低能源消耗，推动可持续发展。
二、主要挑战
尽管未来发展前景广阔，但大型薄壁回转曲面构件的制造仍面临诸多挑战，主要包括以下几点：
l 材料的难变形性
航天材料通常具有高强度、高硬度和高耐热性，这些特性使得其变形难度大，对成形工艺和设备的要求更高。
l 复杂结构的成形难度
大型薄壁回转曲面构件通常具有复杂的几何形状和多样的功能需求，成形过程中的尺寸精度和形状控制难度较大。
l 制造过程的优化与控制
成形制造过程涉及多道工序和复杂的工艺参数，需要通过先进的监测和控制技术实现过程的优化，提高产品质量和一致性。
l 技术与成本的平衡
先进制造技术的研发和应用需要大量的资金投入，如何在技术创新和成本控制之间找到平衡点，是未来发展的关键。
通过不断的技术创新和工艺优化，航天大型薄壁回转曲面构件的制造将迎来更加高效、智能和绿色的发展阶段，同时也需要应对材料、工艺和成本等多方面的挑战。
结论
针对航天领域等高端装备对高性能轻量化大型薄壁回转曲面构件制造技术的迫切需求，本文首先对大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程和分类进行了综述；然后从各类制造技术的应用与研究现状等方面分析和讨论了大型薄壁回转 曲面构件成形制造技术的研究动态；最后通过对比分析各制造工艺的技术特点、精度和可靠性及面向大型构件的发展潜力等，探讨了大型薄壁回 转曲面构件制造技术在未来的发展趋势与面临的挑战。
l 来源：机械工程学报
l 谷专栏 l
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