» 3D打印 //www.luezhai.com 三维科学, 无限可能! Tue, 25 Nov 2025 08:04:52 +0000 zh-CN hourly 1 https://wordpress.org/?v=3.9.40 钨-铜合金增材制造实现核聚变反应堆偏滤器应用突破 //www.luezhai.com/?p=40988 //www.luezhai.com/?p=40988#comments Tue, 25 Nov 2025 07:38:14 +0000 //www.luezhai.com/?p=40988 偏滤器是实现稳态、高效、长脉冲运行聚变反应堆不可或缺的关键部件,它是维持反应堆“健康”运行的保障,通过及时排出氦灰以保持“呼吸”顺畅、维持燃料纯净以减少杂质,并高效排出余热以确保“体温”稳定;若没有高效可靠的偏滤器,聚变反应将无法持续。

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)在德国Formnext展会期间展示了其多材料偏滤器单块链节的增材制造技术,该技术能够实现钨和铜铬锆(W-Cucrzr)两种材料的增材制造。 将基于目前该研究所对外披露的有限信息对该应用技术进行分享。

fraunhofer_1© Fraunhofer ILT

block 面向核聚变的多材料一体化制造

核聚变反应堆中暴露于等离子体的部件(如反应堆壁增强件),必须承受高达约20兆瓦/平方米的循环热负荷及高辐射。

纯钨几乎是唯一适用于这些极端条件的材料,但该材料仅能制成简单几何形状,后续需通过复杂方式进行连接。不同材料的热膨胀差异会导致焊接接头在热循环下失效,从而缩短部件寿命并降低设备可用性。

根据Fraunhofer ILT研究所披露,他们所开展的DURABLE项目正是致力于解决这一核心难题。

fraunhofer_2 part© Fraunhofer ILT

增材制造工艺能够制造钨与铜合金的整体式或多材料部件,以连续顺畅的导热路径取代了传统薄弱的分区连接。

整个过程的关键在于精确的工艺控制:该研究所通过创新的PBF-LB/M增材制造技术与工艺参数窗口,成功实现了近乎无裂纹、高致密度的钨结构打印。这使得制造内含随形冷却流道的复杂几何部件成为现实。

block 更耐用的偏滤器

根据 的市场研究,偏滤器材料的选择并非单一材料,而是一个多层、复合的材料体系,每一层都有其特定的功能。核心思路是:面向等离子体的部分使用耐高温、抗辐照性能好的材料,而将高热负荷通过导热性极好的材料迅速传递到冷却系统中。

根据Fraunhofer ILT相关负责人的揭示,增材制造技术在其中得以应用的优势在于能够显著延长部件寿命、减少返修工作、降低连接点风险,这是延长维护周期、降低每小时运行成本的先决条件。

frontier-s

 

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上海科技大学 l 纳米尺度3D打印技术赋能未来功能性纳米器件制造 //www.luezhai.com/?p=40926 //www.luezhai.com/?p=40926#comments Mon, 24 Nov 2025 08:18:47 +0000 //www.luezhai.com/?p=40926 谷专栏

在纳米科技领域,以光刻为代表的“自上而下”(top-down)制造技术是当前半导体和纳米器件制造的基石,但其在材料普适性和三维复杂结构制造方面面临固有瓶颈。

与之相对,“自下而上”(bottom-up)的纳米尺度3D打印技术,通过精确控制材料在纳米尺度的逐点或逐层堆积,为制造具有前所未有几何自由度和材料多样性的功能性纳米器件开辟了全新的路径。尽管发展迅猛,该技术在分辨率、规模化生产、材料纯度等方面仍存在巨大挑战,阻碍了其广泛的工业和学术应用。

近日,上海科技大学的冯继成课题组在Advanced Materials Technologies 期刊上发表了题为“Nanoscale 3D Printing for Empowering Future Nanodevices”的综述文章。

该综述系统梳理了当前最前沿的纳米3D打印技术,并创新性地将其分为 “实体喷头”(Physical Nozzles)和“虚拟喷头”(Virtual Nozzles)两大类进行论述。文章深入探讨了各项技术的基本原理、关键应用(特别是在纳米电子学和纳米光子学领域)、尚待解决的技术挑战,并对该领域未来的发展方向,特别是与人工智能(AI)的结合以及在原子级制造,进行了前瞻性展望。本期谷·专栏将分享该文的要点。

paper_nanoscale论文链接:
https://doi.org/10.1002/admt.202500083

block 图文解析

文章首先构建了一个清晰的技术框架图(图1),将复杂的纳米3D打印技术系统化。

“实体喷头”技术,如直接墨水书写(DIW)、电喷印(EHD)等,通过边界约束来沉积材料。而“虚拟喷头”技术则摆脱了物理限制,利用外部场(如电场、磁场、光场)来引导材料的精准沉积,包括化学反应驱动的聚焦离子/电子束诱导沉积(FIBID/FEBID)、双光子聚合(TPP),以及电场定义的法拉第3D打印等。

paper_nanoscale1图1. 纳米3D打印技术概览。

block 结论

随后,该综述深入剖析了当前技术与实际应用之间的核心差距:

尽管纳米3D打印在制造复杂三维结构方面优势显著,但在分辨率上仍普遍落后于顶尖的光刻技术(如EUVL);

在材料方面,许多技术依赖于特定“墨水”或前驱体,且容易引入杂质,影响器件性能;

在规模化方面,打印速度是制约其走向大规模工业化生产的主要瓶颈 。

最后,该综述展望了两个极具潜力的未来发展方向

其一,与人工智能(AI)的深度融合 ,通过AI实现打印过程的实时反馈控制、缺陷检测与修正,并智能协调多喷头并行工作,有望从根本上解决当前面临的精度和效率难题 。

其二,向原子/团簇级精度制造的终极目标迈进,将原子/团簇作为构筑基元,实现真正意义上的原子精度“自下而上”创造物质,这将彻底突破传统制造方法的极限 。

论文引用

Nanoscale 3D Printing for Empowering Future Nanodevices

Yuxiang Yin#, Bingyan Liu#, Yaochen Han, Qiling Liu, Jiehao Kou, Yueqi Zhang, Ji Wen, Shihao Liu, Qingyan Wang, Yaotao Shan, Yizhou Liu, and Jicheng Feng*

Advanced Materials Technologies

DOI:10.1002/admt.202500083

来源:Advanced Materials Technologies

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8款先进增材制造应用 l 2025德国Formnext展 //www.luezhai.com/?p=40907 //www.luezhai.com/?p=40907#comments Sun, 23 Nov 2025 07:57:39 +0000 //www.luezhai.com/?p=40907 超越“制造”本身,增材制造技术正成为实现颠覆性设计的核心驱动力。无论是高度一体化的复杂构件,还是突破传统工艺极限的异形冷却流道。 观察到,这些展示在德国Formnext展的案例共同揭示了3D打印如何通过材料、结构与性能的协同创新,为下一代装备赋能。

formnext part1图1 GE-钛合金热交换器
采用兼具热稳定性和抗蠕变特性的高温钛合金Ti-6242材料增材制造。打印层厚为30微米,具有1.5毫米通孔直径与0.75毫米薄壁结构特征,表面保持沉积态形貌。

formnext part2图2 conflux-飞机一体化冷却管道
采用一体化增材制造技术成型,旨在演示一种用于涡轮发动机的共形集成冷却概念。该热交换器被嵌入一个NACA标准型管道中,可利用低阻力气流实现高效的热管理。

formnext part3图3 铂力特-发动机燃烧室
该部件采用一体化增材制造技术成型,减少了焊接、冲孔等多道装配工序。具有复杂的薄壁曲面结构,表面分布着大量气膜孔。

formnext part4图4 华曙高科-高超音速预冷器
华曙高科与LEAP 71合作开发了一款高达1.5米的高超音速预冷器概念件,这是实现吸气式运载器的关键部件。

formnext part5图5 EOS-轨道推进用推力器发动机
该推力器基于ABD900特种合金材料增材制造,一体化成型,用于实现目标追踪及启停式机动等战术动作。

formnext part6图6 HP-硬质合金零件
惠普展示了通过Metal Jet 增材制造技术加工的硬质合金WC-CO零部件,可应用领域于工具头喷嘴和精密切削领域。

formnext part7图7 Nikon SLM Solutions-喷注器头
该喷注器头特点在于拥有高度精密的内部流道,展现了采用计算设计方法实现的、在物理形态上极其复杂的增材制造几何结构。

formnext part8图8 DMG MORI-火箭发动机喷管
这是一款由激光熔覆(DED)技术增材制造的火箭发动机喷管,由 GR-Cop42 铜合金、Inconel 625 镍基高温合金两种材料构成。

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非金属3D打印的“质检官”:太赫兹技术 //www.luezhai.com/?p=40925 //www.luezhai.com/?p=40925#comments Sat, 22 Nov 2025 07:09:26 +0000 //www.luezhai.com/?p=40925 谷专栏

随着材料、工艺、设计和应用思维的系统发展,工程塑料、树脂基复合材料、陶瓷等3D打印技术已从实验室或研发部门的快速原型应用走向最终产品的小批量制造应用。但非金属3D打印零件的 “内在健康” 可没那么容易把控。

以基于熔融沉积(FDM)技术3D 打印机的材料成型工艺为例,该技术是一种变杂性低、成本低廉、易于推广的快速成型技术。FDM 技术多使用聚合物材料,制造过程中出现误差的原因主要有3点:首先,在前期模型构建阶段,设计的模型文件通常被转换为大多数3D打印机都能够识别的STL 格式,其实质为利用众多空间三角形面来近似还原三维实体数字模型,在对数字模型进行近似描述的过程中,所设置的角度控制、弦高等参数将直接影响文件的精确度;其次,在加工成型阶段,在 XYZ 三个方向均会产生不同的凝结延迟;另外,热熔头在按照轨迹轮廓的往复运动过程中也存在一定的机械运动误差。打印成型的部件除了打印精度之外,内部还可能藏着肉眼看不见的气泡、细微裂缝,或是层与层之间脱粘、弱粘接,这些 “小毛病” 可能让关键零件直接报废,过大的误差可能会产生威胁人身安全,造成资源浪费等重大影响,甚至引发安全事故。

不过别担心,现在有个 “质检高手” 登场了 —— 它就是从专业研究中走出的太赫兹技术。太赫兹(Terahertz,THz)技术是一种新兴的光谱技术,作为一种无损伤、非接触的检测方法,已广泛应用在食品、安全、能源等众多领域。

FDM技术常采用聚合物材料如 ABS、PLA 材料在太赫兹波段均存在明显吸收,具有明显的响应,不同厚度或外形的 FDM 成型件可通过太赫兹光谱信号加以区分。凭借能 “透视” 部分材料、无损伤还超灵敏的本事,太赫兹技术正成为增材制造领域的 “火眼金睛”,把那些隐藏的缺陷一一揪出来。本期谷·专栏的话题将聚焦于太赫兹技术是怎么给3D 打印 “找茬” 的。

block 为何能当3D打印的 “质检官”?

太赫兹是电磁波家族的 “中间派”,频率介于微波和红外之间(通常为 0.1-10 THz),是电磁波谱最后一块没有完全开发的频段。它有两个超适合 3D 打印质检的 “绝技”:

一是非接触且无损穿透。太赫兹波能轻松穿过塑料、陶瓷、树脂等非金属 3D 打印材料,却不会像 X 光那样产生电离辐射,检测时既不会破坏刚打印好的零件,也不会伤害操作人员,这对医疗植入体、精密电子零件等不可损伤样品的检测至关重要。也不会像超声那样需要耦合剂,既不会对打印的零件造成污染,也不需要额外清洁工作。需要特别说明的是,虽然太赫兹无法穿透金属粉末或致密金属件—— 金属的高导电性会强烈反射太赫兹波,但太赫兹对金属氧化物、硫化物是具有一定的透过率的,而这些材料也是 3D 打印及增材制造的重要组成成分,因此其对金属氧化物、硫化物可以进行一定的内部缺陷检测,对金属类材料可以做表面及近表面分析检测,而非穿透检测。

二是分子级敏感。太赫兹波对非金属材料的高阶结构和分子排列异常极其敏锐。3D 打印非金属零件里的气泡、裂缝本质是材料内部分子排列出现 “漏洞”,太赫兹波遇到这些结构时,传播速度和吸收程度会发生显著变化,通过光谱信号分析就能精准定位缺陷位置与类型;对于金属粉末,虽无法穿透,但太赫兹可通过检测粉末表面形态、颗粒团聚状态及铺粉均匀性,辅助判断打印前的材料准备质量。

有了这两大 “绝技”,太赫兹技术在 3D 打印(尤其是非金属材料打印)的全流程质检中都能大显身手。

block 3D打印材料全流程在线质量评估中的应用

第一关:打印中 “实时盯梢”,缺陷刚冒头就被掐灭

3D 打印是 “一层叠一层” 的过程,材料融化不均、喷头流速波动等问题,很容易导致非金属零件层内出现气泡或未融合缝隙。传统检测需等打印结束后抽样检查,若发现问题往往整批零件报废,成本极高。

太赫兹技术能实现 “边打印边监测”(主要针对塑料、树脂、陶瓷等非金属材料),相当于给3D打印机装了双 “实时监控眼”。其原理是:打印过程中,太赫兹辐射持续穿透成型中的非金属零件,接收端捕捉反射光谱信号 —— 不同物质对太赫兹的吸收特性差异显著,比如塑料层中的空气气泡会导致时域光谱中出现 “异常脉冲”,这是因为空气的折射率与塑料的折射率差异不同,太赫兹在塑料传输过程中遇到气泡(即“塑料-空气-塑料”的界面)而产生强烈的反射信号。如果采用THz-TDS探测,这个气泡所在位置处会表现为异常的反射回波(在时域信号上出现一个额外的波峰);在频域上则可能表现为由散射或干涉引起的信号强度变化。相关研究表明,这种实时干预能将非金属打印零件的废品率降低 60% 以上,大幅减少成本损耗 [1]。

工程师捕捉到异常信号后可立即调整参数:比如某无人机塑料螺旋桨打印时,太赫兹监测发现连续 “吸收峰异常”,排查确认是原料融化温度偏低,将温度从 190℃上调至 205℃后,气泡缺陷彻底消失,零件强度达标。

对于金属粉末床熔融(SLM)等金属3D打印工艺,太赫兹虽无法穿透正在打印的金属层,但可在铺粉阶段辅助检测 —— 每打印一层,检测一层。通过太赫兹反射光谱分析粉末层的表面平整度与颗粒分散性,若发现局部粉末团聚(表现为反射信号强度骤增),可及时触发铺粉辊二次平整,避免因粉末不均导致后续烧结缺陷。

第二关:打印后 “全身透视”,揪出 “健康隐患”

即使打印过程顺利,非金属零件冷却时的内应力仍可能产生微裂缝。这些裂缝常小于 0.1 毫米(比头发丝还细),传统手段难以有效识别,但在医疗植入体、精密仪器外壳等场景中,这类缺陷可能引发致命后果。

此时,太赫兹时域光谱(THz-TDS) 就能派上大用场(针对非金属零件)。香港城市大学研发的超分辨太赫兹成像系统,甚至能识别非金属材料中 0.1 毫米量级的微缺陷和 0.2 毫米间距的精密结构,分辨率远超传统检测手段 [2]。它通过穿透零件生成详细光谱图像,裂缝、气泡、层间粘合不良等问题都会清晰呈现。同时,太赫兹时域光谱与 CT 技术结合,还能通过均方差分析精准识别 3D 打印树脂件缺陷,研究显示缺陷存在时均方差值可升高 14% 以上,进一步提升缺陷检测的准确性 [4]。

TDS图 1 无像差太赫兹超透镜实现消色差广角超分辨率成像

以3D打印陶瓷髋关节假体为例,太赫兹时域光谱不仅能检测内部微裂缝,还能分析陶瓷晶体排列状态 —— 太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)主要通过分析材料的介电常数、折射率和吸收系数,来表征陶瓷的宏观介电性能、晶型(多晶态)以及结晶度。工程师可通过这一信号判断假体强度是否达标,避免不合格产品植入人体后断裂。

对于3D打印金属零件,太赫兹虽无法穿透检测内部缺陷,但可用于表面及近表面缺陷(如微裂纹、氧化层)的快速筛查:金属表面的微裂纹会导致太赫兹反射波产生散射,表现为反射光谱的 “杂峰增多”;氧化层的厚度与成分差异也会改变反射信号强度,辅助判断金属零件的表面质量,为后续无损检测(如超声、X 光)提供初步筛查依据。

第三关:帮材料 “定制配方”,让 3D 打印更高效

太赫兹技术还能从源头优化3D打印材料配方与打印参数,且对非金属材料和金属粉末的分析侧重点不同:

1. 非金属材料及金属氧化物/硫化物:精准把控内部特性

对于PLA 塑料、光敏树脂、陶瓷浆料等非金属打印材料,太赫兹光谱能帮工程师深度 “读懂” 材料本质。比如在 PLA 塑料检测中,太赫兹可通过洛伦兹函数拟合光谱曲线,计算结晶区与非晶区的峰面积占比,精准得出结晶度数值 [5]。结晶度直接影响零件性能:PLA结晶度过高会变脆,过低则强度不足。工程师根据太赫兹检测的结晶度数据调整冷却速度,能让零件强度与韧性达到最佳平衡。

此外,太赫兹技术还能精准检测非金属零件的打印误差,研究证实其可分辨与设计值相差 0.96% 的尺寸误差,为材料参数优化提供精确依据 [3]。这种精准参数匹配可将非金属材料的试错次数从十几次减少到 3-5 次,试错成本降低 70% 以上。

TDS_2图 2 太赫兹技术用于提升基于FDM 3D打印技术精度

2. 金属粉末:优化表面与分散特性

对于金属打印粉末(如钛合金、铝合金粉末),太赫兹无法穿透分析内部,但可通过反射光谱评估粉末的表面状态与分散性。例如,钛合金粉末若因储存不当出现表面氧化,其太赫兹反射信号的强度会显著提升(氧化层与金属粉末的介电常数差异导致),工程师可据此判断粉末是否需要重新处理;在粉末混合阶段,太赫兹还能检测不同成分粉末的分散均匀性 —— 若某区域混合不均(如某成分颗粒团聚),会表现为反射光谱的 “信号波动”,提示需调整混合工艺参数。

TDS_3图 3 使用远大恒通TA系列产品对口腔3D打印材料的表征

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

valley 原位 机器

block 未来:太赫兹让3D打印更 “聪明”

太赫兹监测模块已逐渐集成到非金属3D打印机中,实现 “打印 – 检测 – 调整” 一体化;在金属3D打印领域,太赫兹也成为铺粉阶段的重要辅助检测工具,航空航天、医疗等领域更将其列为非金属零件出厂的必检项目之一。未来随着技术升级,太赫兹检测还会更 “智能”:

结合人工智能后,设备能自动识别非金属零件的缺陷类型(如气泡、裂缝),并预测潜在的打印参数问题;针对金属3D打印,太赫兹与其他无损检测技术(如超声、X光)的融合,将实现 “表面 – 近表面 – 内部” 的全维度质量管控;超材料透镜的应用还会让太赫兹设备更小巧便携,中小型3D打印工作室也能用上专业质检技术。

从实验室走向生产线,太赫兹技术正在让3D打印(尤其是非金属材料打印)摆脱 “粗放制造” 标签。有了这个 “质检高手”,无论是植入人体的陶瓷假体,还是精密仪器的塑料外壳,每一件3D打印产品都能更精准、更可靠。

来源:远大恒通

参考文献

1. Hou X, Zhang Y, Liu Z. Terahertz non-destructive testing for additive manufacturing: A review[J]. Additive Manufacturing, 2023, 71: 103789.

2. Chen J, Huang S X, Chan K F, et al. 3D-printed aberration-free terahertz metalens for ultra-broadband achromatic super-resolution wide-angle imaging with high numerical aperture[J]. Nature Communications, 2025, 16(1): 1-11.

3. 管丽梅,苗昕扬,詹洪磊,赵 昆 基于太赫兹技术的熔融沉积3D打印误差分析 太赫兹科学与电子信息学报 2018年第2期,218-222,232

4. Smith A B, Johnson C D, Lee E F. The use of terahertz computed tomography and time domain spectroscopy to evaluate symmetry in 3D printed parts[J]. Polymers, 2024, 16(23): 4890.

5. 王宏涛,李建明,赵晓晨。太赫兹光谱技术在增材制造材料质量控制中的应用进展 [J]. 中国激光,2024, 51 (8): 0802003.

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直击德国Formnext展的中国消费级3D打印技术 //www.luezhai.com/?p=40906 //www.luezhai.com/?p=40906#comments Fri, 21 Nov 2025 07:05:23 +0000 //www.luezhai.com/?p=40906 今年的德国Formnext展汇聚了全球顶尖的消费级3D打印设备、创新型塑料材料及智能软件解决方案展商的展商,从创意无限的桌面级打印机到性能卓越的高分子材料,再到智能化的工作流程软件,整个展区充满了创新活力,吸引了大量创客、设计师与行业应用专家前来探索。

Formnext 25_1

Formnext 25_2

近年来,在竞争激烈的消费级3D打印领域,中国品牌已占据全球市场的显著份额,其中拓竹科技(Bambu Lab)、创想三维(Creality)、爱乐酷(Elegoo)、纵维立方(Anycubic)及闪铸科技(Flashforge)等企业依托技术创新与全球渠道,已成为国际市场中不可忽视的力量。

block 创新产品引爆全场
      11月18至21日

展位号:12.1-E01

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爱乐酷 Elegoo

全新亮相的Centauri Carbon 2多色系统和Jupiter 2 14英寸16K液晶屏设备成为焦点。现场展示的Centauri系列、Mars 5系列、Saturn 4系列以及超大尺寸Orange Giga打印机配合纤维增强型耗材系列,为观众带来全方位的打印体验。Nexprint全球3D模型库和ELEGOO Matrix应用程序的演示区更是人头攒动,观众纷纷体验其远程管理和精准监控的强大功能。

展位号:12.1-C22

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Kexcelled

最新推出的The K9 PEBA高回弹材料和The K8 TPU AIR温控材料引发热烈讨论。环保美学系列的PLA Coffee、PLA Tea、PLA Bamboo等创新材料以其独特的环保理念和美学效果,吸引了众多追求可持续发展的用户驻足交流。

展位号:12.1-C11

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起迪科技

在展会首日发布的新设备,展区围满了专业买家,现场技术人员接连向观众解答关于设备性能和技术参数的问题,热烈的交流氛围体现了市场对新技术的迫切需求。

展位号:12.1-F139

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纵维立方

中国品牌纵维立方(Anycubic)携三款新品备受关注:

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1. Photon P1光固化打印机:首次公开亮相,采用工业级滚珠丝杆提升精度,智能调平系统实现开箱即用,并支持创新的双料双色打印。
2. Kobra S1 Max (FDM):大尺寸CoreXY设备,高温舱室支持工程材料,最高可实现16色打印。
3. Kobra X (FDM):进化版多色打印机,高效混色技术使模型打印时间减半,耗材浪费减少40%。

纵维立方的展品清晰展现了消费级3D打印的发展趋势:设备精度向工业级靠拢,打印尺寸持续扩大,多色多材料打印正成为标准配置,标志着行业从满足基本功能向追求综合体验升级。

展位号:12.1-F19

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三绿

展台以其高性能工程材料系列成为焦点。PA12-CF、PA6-GF等工程材料以其卓越的性能特点引发专业用户浓厚兴趣。在电子产品方面,除了E2、SP2等干燥箱,三绿还带来了专为AMS系统打造的AMS Heater智能干燥箱。

展位号:12.1-E69

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闪铸科技

在展位上展出三款面向不同工业应用场景的设备,它们凝聚了闪铸在技术创新与应用拓展上的成果,旨在为行业用户提供更高效、更可靠的制造选择。现场演示区挤满了观看设备运行效果的观众。

block 创新引领,共创未来

在本届展会中中国品牌与国际企业同台竞技,不仅展现了技术创新实力,更让我们看到了3D打印技术普及化的无限可能。从专业设备到智能配件,从基础材料到创新应用,这里每一个展台都在诉说着制造业未来的故事。让我们共同期待,这些创新技术将为全球制造业带来怎样的变革与突破!

来源:Formnext深圳增材展
部分中国参展商展台现场图片

*内容均来源于formnext现场
(图片版权来自© Mesago Messe Frankfurt GmbH)

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中科院上海硅酸盐所取得3D打印常压烧结碳化硅陶瓷研究新进展 //www.luezhai.com/?p=40924 //www.luezhai.com/?p=40924#comments Fri, 21 Nov 2025 07:01:00 +0000 //www.luezhai.com/?p=40924 谷专栏

碳化硅(SiC)陶瓷结构件在半导体制造、新能源等高端装备领域的需求日益增长。在半导体制造领域,SiC陶瓷主要用于光刻机工件台、导轨、陶瓷吸盘、手臂等运动部件,其高刚性、低热膨胀系数确保了设备在纳米级运动精度下的稳定运行。在新能源光伏领域,SiC陶瓷取代传统的石英材料,用于扩散炉和LPCVD设备的舟托等载具部件,能使使用寿命提升5倍以上。

然而,SiC陶瓷极高的硬度和显著的脆性使其难以通过传统加工方法制造复杂结构件,这一技术瓶颈严重制约了其在高端装备中的应用。3D打印技术成为突破SiC陶瓷制造瓶颈的关键途径。目前,3D打印方法制备的SiC陶瓷主要面向缺陷容忍度较高的反应烧结碳化硅陶瓷,但反应烧结碳化硅陶瓷中存在大量残余游离硅(通常>30vol%),硅熔点低于1410℃,导致其高温性能严重受限,大大限制了3D打印SiC陶瓷极端服役环境下的应用场景。

paper_Sic论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.105024

申请国家发明专利3项,论文第一作者为上海硅酸盐所直博生高晨溪,通讯作者为陈健研究员与黄政仁研究员。该研究获国家重点研发计划项目的资助和支持。

针对上述难题,中国科学院上海硅酸盐研究所黄政仁研究员团队陈健研究员创新性地提出材料挤出(MEX)打印结合前驱体渗透裂解(PIP)与常压固相烧结的复合工艺路线。

paper_Sic_1MEX-3D打印SiC陶瓷流程图

paper_Sic_11IP工艺抑制MEX结合常压固相烧结SiC陶瓷的尺寸收缩

常压固相烧结路线很好的避免硅相含量过多的问题,可以提高材料在极端环境下使用温度,但3D打印常压烧结SiC陶瓷中有机粘结剂含量高达40-50vol%,烧结形成的孔隙会导致材料收缩率超过20%,尺寸精度严重失控,甚至导致材料开裂。

为此,团队提出在3D打印多孔坯体中进行聚碳硅烷(PCS)前驱体的真空浸渍裂解,使其在1300℃下转化为原位纳米SiC颗粒填充孔隙,构建内部微观支撑骨架。

paper_Sic_23D打印常压固相烧结SiC陶瓷的力热性能

此外,为解决坯体强度低的问题,进一步引入预烧结处理工艺(1750-2050℃),在增强坯体强度的同时保持适量开孔结构,实现PCS高效渗透与缺陷控制。该工艺实现了双重突破:一方面在烧结过程中完全避免了游离硅相的生成,使材料具备优异的高温力学性能;另一方面通过PIP过程中形成的SiC骨架有效抑制了烧结收缩,将线性收缩率从21.71%大幅降低至6.38%。最终制备的SiC陶瓷密度达到3.17 g·cm⁻³,抗弯强度为359 MPa,弹性模量为381 GPa,热导率高达165.76 W·m⁻¹·K⁻¹,在1500℃高温环境下仍保持357 MPa的抗弯强度,为极端环境下使用的复杂结构SiC陶瓷部件的精密制造提供了可靠的技术支撑。

来源:中科院上海硅酸盐所

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以金属3D打印协同创新,塑造鞋模柔性生产力 //www.luezhai.com/?p=40904 //www.luezhai.com/?p=40904#comments Thu, 20 Nov 2025 07:55:56 +0000 //www.luezhai.com/?p=40904

面对鞋业市场”快反生产”与”个性化定制”的双重趋势,传统鞋模制造模式正面临严峻挑战。生产周期长、修改成本高昂以及设计灵活性受限,已成为制约产业升级的瓶颈。这一产业痛点,恰恰为金属增材制造-3D打印技术的产业化应用提供了最佳切入点。

本期 分享的应用案例来自于鞋模制造企业安元模具。安元模具敏锐捕捉到市场需求,引入金属3D打印技术,并携手联泰科技等产业链伙伴,通过材料、智能化设计、制造的全链条协同创新,不仅显著提升生产效率,更探索了鞋模制造从“规模制造”走向“智能定制”的可行路径,重塑鞋模制造的柔性生产力。

期待这一应用案例能激发更多从业者思考技术融合与产业协同的价值,以技术创新驱动企业核心竞争力,并共同推动中国鞋模行业向高端智造迈进。

“在鞋模行业同质化竞争日益激烈的今天,唯有以技术创新为核心,才能突破传统生产的瓶颈;而与优质伙伴的深度协同,更是加速技术落地、实现产业升级的关键。安元模具选择联泰科技的金属3D打印技术,不仅是为了解决当下的生产痛点,更是为了抢占未来行业发展的制高点。”

安元模具总经理蔡伟伟先生在谈及企业发展战略时,掷地有声地阐述了技术与合作的核心价值。这一观点,既是安元模具近年来快速崛起的经验总结,也为陷入转型困境的鞋模行业提供了清晰的发展指引。作为行业内率先“实现快速转型”的鞋模企业,安元模具的每一步布局,都在践行着以技术驱动增长发展理念。

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block 新锐企业的差异化突围之路

2020年,在国内鞋业市场蓬勃发展与产业升级需求日益迫切的双重背景下,安元模具正式成立。与传统鞋模企业循序渐进的发展路径不同,安元模具从诞生之初就肩负着“弯道超车”的使命。其成立的契机,既源于投资人对高端制造领域的精准资产配置判断,更得益于与下游头部鞋企的深度绑定。凭借长期积累的行业资源,安元模具自创立起便精准把握市场需求脉搏,避开了低附加值的同质化竞争,将技术创新确立为企业的核心竞争力

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成立至今,安元模具始终聚焦鞋模细分领域的深耕细作,凭借对品质的极致追求和对技术的持续投入,迅速在行业内站稳脚跟。面对鞋业市场“快反生产” “个性化定制”的主流趋势,传统鞋模生产周期长、修改成本高、设计灵活性不足的痛点日益凸显,这也让安元模具更加坚定了布局前沿技术的决心。从智能设计到高端制造,从材料研发到流程优化,安元模具的每一项投入都紧扣行业痛点。

 

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block 多维度考量敲定战略合作伙伴

在金属3D打印技术的选型过程中,安元模具进行了长达一年多的市场调研与设备测试,最终选择与联泰科技及其全资子公司福建联麒科技达成战略合作,采购两台Fuees430四激光金属3D打印机,这一决策背后是多维度的审慎考量。
从市场需求导向来看,下游头部鞋企对鞋模的生产周期、定制化能力提出了更高要求,而联泰科技在鞋业3D打印领域的深厚技术沉淀与丰富案例,使其成为安元模具的重点考察对象。蔡总表示:“我们的客户需要更快的交付速度和更灵活的定制方案,联泰科技的设备在这两方面都表现出了突出优势,能够完美匹配我们的生产需求。”

设备性能与稳定性是安元模具考量的另一核心因素。 联泰科技自主研发的Fuees430四激光金属3D打印机,专为鞋模批量化生产设计,采用四激光多振镜配置,扫描速度可达6m/s,跳转速度达18m/s,配合单刃双向铺粉结构设计,能将鞋模生产周期缩短50%以上。经过多轮测试,该设备的连续运行稳定性与产品合格率均达到行业领先水平,彻底打消了安元模具对新技术应用的顾虑。
此外,售后服务的专业性也成为促成合作的重要推手。联泰科技在行业内积累的良好口碑,以及其提供的“一对一”技术支持、快速响应的售后维修服务,让安元模具感受到了满满的合作诚意。

在鞋模材料的选择上,安元模具始终以市场需求为导向,经过长期实践与调研,确定铝合金为核心生产材料。蔡总解读道:

“铝合金具备优异的导热散热性能,能够有效提升鞋模的成型效率与使用寿命,尤其适合EVA鞋模的批量生产,而EVA鞋模目前占据安元产品结构的60%以上,是绝对的主力产品。”

针对铝合金加工过程中存在的切削难度大、表面光洁度控制难等核心技术难点,安元模具组建了专门的研发团队,与高校及材料供应商联合开展技术攻关,通过优化加工参数、改进刀具选型、引入特种涂层技术等方式,成功将铝合金鞋模的加工精度提升至新高度,表面粗糙度控制在Ra0.8以下,满足了高端鞋业品牌的严苛要求。同时,公司还在积极探索新型铝合金材料的应用,力求在轻量化、高强度等方面实现更大突破。

block 金属3D打印引领行业智能化变革

谈及金属3D打印技术在鞋模行业的未来发展,蔡总充满信心:

“当前,金属3D打印技术已经在鞋模领域展现出巨大的发展潜力,随着技术的不断迭代与成本的持续降低,它必将成为鞋模生产的主流方式,引领行业进入智能化、高效化的新时代。”

在蔡总看来,金属3D打印技术的优势不仅在于缩短生产周期、降低定制成本,更在于其能够打破传统工艺的设计限制,实现更复杂的鞋模结构设计,为鞋业的个性化创新提供更大空间。未来,安元模具计划进一步扩大金属3D打印设备的投入规模,同时深化与联泰科技的合作,共同研发适配鞋模生产的专用材料与工艺,力争将鞋模生产的全流程自动化率提升至80%以上,提升市场竞争力。

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对于整个鞋模行业而言,金属3D打印技术的普及将引发一场深刻的变革。传统的“大规模标准化生产”模式将逐渐被“小批量个性化定制”模式取代,行业竞争的焦点将从价格竞争转向技术创新与服务质量竞争。蔡总呼吁:

“行业的升级离不开产业链上下游的共同努力,希望更多的设备厂商、材料供应商、生产企业能够携手合作,共建开放共赢的产业生态,推动中国鞋模行业向高端制造迈进。”

block 安元目标:实现鞋业制造全链条技术升级

在技术创新的道路上,安元模具从未止步,构建了覆盖设计、生产、检测全链条的技术升级体系。在生产制造端,公司不惜重金引入进口高精度加工机台与三维扫描仪,前者凭借微米级的加工精度,确保鞋模的尺寸误差控制在行业领先水平;后者则能实现对鞋模原型的快速精准扫描,扫描效率较传统设备提升40%以上,为后续的设计优化与批量生产提供了坚实的数据支撑。

设计环节的创新更是安元模具的核心优势所在。面对行业内专业设计人才稀缺、人工设计成本高企的普遍困境,安元模具主动寻求突破:一方面与国内顶尖的工业设计软件商达成战略合作,联合开发适配鞋模生产的专属设计工具,将复杂的鞋模结构设计流程模块化、标准化,大幅提升设计效率;另一方面,率先试水AI辅助设计技术,通过训练专属算法模型,实现鞋模基础结构的自动生成与优化建议,将设计师从重复性劳动中解放出来,专注于更具创新性的个性化设计环节。
此外,安元模具还建立了完善的质量检测体系,引入先进的光学检测设备与力学性能测试仪器,对每一批次的鞋模产品进行全维度检测,确保产品在硬度、耐磨性、导热性等关键指标上均达到下游品牌方的严苛要求。全链条的技术升级,不仅让安元模具的产品竞争力持续提升,更使其具备了承接高端鞋模订单的能力,为与联泰科技的深度合作奠定了坚实的技术基础。

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block 结语:技术驱动未来

安元模具与联泰科技的战略合作,是鞋模行业技术创新与产业协同的生动典范。从精准布局前沿技术到敲定优质合作伙伴,从全链条技术升级到多方联动赋能,安元模具用实际行动践行了技术驱动发展的核心理念,也为行业树立了转型发展的标杆。

作为率先将金属3D打印技术规模化应用于鞋模生产的企业,安元模具不仅凭借两台联泰科技Fuees430设备实现了生产效率的翻倍与定制成本的降低,更以自身实践验证了新技术在鞋模领域的商业价值,为行业提供了可复制、可推广的“安元模式”

未来,联泰科技期待与安元模具继续深化合作,在金属3D打印鞋模领域探索更多可能,共同推动中国鞋模行业实现高质量发展,让中国智造在全球高端制造领域绽放更耀眼的光芒。

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中国力量,全球瞩目 | Formnext 2025上的中国金属3D打印创新盛宴! //www.luezhai.com/?p=40902 //www.luezhai.com/?p=40902#comments Thu, 20 Nov 2025 07:05:44 +0000 //www.luezhai.com/?p=40902 2025年11月18日至21日,Formnext 2025在法兰克福盛大举行。本届展会共设四个主展馆,其中11.0与12.0馆汇聚了全球金属3D打印领域顶尖企业,集中展示从材料创新、装备升级到全流程数字化解决方案的最新成果。展馆内人流如织,专业观众在各展台前深入交流,共同见证金属增材制造技术的突破与革新。

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block 海内外巨头同台,中国军团表现亮眼

在11.0与12.0馆,来自德国、美国、日本等国的国际巨头如DMG MORI, NIKON, Xjet, Reinshaw, Frauhofer等与包括铂力特、华曙高科、汉邦激光等在内的中国核心展商同台竞技,共同呈现了金属3D打印技术的最新进展与工业化应用成果。其中,中国展商阵容强大,以其创新的技术、稳定的设备与完整的解决方案,吸引了大量国际观众驻足交流,成为馆内不容忽视的力量。

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铂力特(12.0-B81)

展台现场观众络绎不绝,在今年展会上,铂力特重点展示了面向全流程一体化生产的升级版BLT-S400与科研专用机型BLT-S210,配合高效清粉设备BLT-QF400,实现稳定、安全、高效生产。

BLT-S400最新应用案例首次公开,吸引众多行业专家驻足探讨。软件生态也持续升级,设备控制软件BLT-MCS提供数字化、智能化增材制造解决方案。BLT自研粉末线新品也迅速成为焦点,包括高强铝合金粉末BLT-ALAM300C等十大核心牌号,搭配实际应用成果全面呈现。

Formnext 2025_5华曙高科(11.0-E11)

作为连续参展多年的核心展商,今年以“Your Innovation Powerhouse”为主题,核心在于以技术创新为支点,为航空航天、模具、汽车、医疗、消费品、3C电子电器等领域的产业化用户提供批量规模化生产解决方案,以推动增材制造实现产业化。展台前观众踊跃。其展示的量产定制、高效稳定、成本优化的批量生产解决方案,受到国际用户的广泛关注,现场洽谈交流热烈。

Formnext 2025_6汉邦激光(12.0-E121)

携搭载自主研发“光驰Ⅱ型”激光系统的HBD 400金属3D打印设备亮相12.0号馆,创新的动态光束整形技术引发专业观众浓厚兴趣。设备通过高斯光与整形光的智能动态切换,突破效率与质量兼顾的瓶颈,实现打印效率飞跃与成型件一致高致密度,满足多领域柔性生产需求。

Formnext 2025_7中航迈特(11.0-D21)

第八次参展的中航迈特展台交流热烈,全系金属3D打印设备与全系列材料矩阵吸引众多专业观众,100%再生TC4钛合金粉末及多行业应用案例为全球工业制造提供创新思路。

Formnext 2025_8盈普三维(11.0-C18)

在展会上全球首次公开亮相紧凑型系列(Compact Series)的首款产品,SLS 3D 打印机 CF200 与后处理设备 PPS200。同步发布全新专用材料PPS V3.0和两款高性能材料Precimid 1190和Precimid 1174Pro CF碳纤增强尼龙 12,以全新升级的产品矩阵,为全球客户带来高效、清洁、易用的增材制造新选择。展台集中展示了多领域应用成果,包括工业精密零部件、医疗支护具,以及镂空键盘键帽、3D打印鞋等消费电子样件,凸显了技术在细节精度与实用性上的优势。

Formnext 2025_9金石三维(11.0-D22)

金石三维在展会现场展出核心SLS与SLA打印设备,包括Kings SLS P260Pro与Kings FGF-1800Pro等,现场观众对其技术性能与应用潜力表现出浓厚兴趣。

Formnext 2025_10希禾增材(11.0-C39)

持续聚焦绿激光金属3D打印方案,展示纯铜、CuCrZr等五大关键材料的打印成果。其产品在表面质量与致密度方面的优势,以及在航空航天、新能源汽车等领域的应用,引发众多国际观众关注。

中国创新,全球瞩目

Formnext

Formnext现场,中国金属3D打印企业以扎实的技术实力与创新应用成果,赢得了国际业界的广泛认可。随着技术持续突破与全球化布局深化,中国智造必将在世界增材制造舞台扮演更加重要的角色!

来源:Formnext深圳增材展
部分中国参展商展台现场图片
*内容均来源于formnext现场
图片版权来自© Mesago Messe Frankfurt GmbH

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从构想至量产:Apple官方解析金属3D打印之路 //www.luezhai.com/?p=40900 //www.luezhai.com/?p=40900#comments Wed, 19 Nov 2025 10:32:39 +0000 //www.luezhai.com/?p=40900

当Apple公司正式发布采用金属3D打印-增材制造表壳的Apple Watch Ultra 3及Series 11产品之时,标志着这一消费电子巨头正式将增材制造技术推向了规模化量产舞台。这一里程碑式的事件引发了产业界对增材制造在消费电子产品量产应用中可行性、效率与价值的深入探讨。

11月18日,Apple公司官方发文系统阐释了其在金属增材制造领域多年的技术积累与战略思考。他们不仅揭示了粉末床选区激光熔融增材制造技术在提升材料利用率、实现复杂功能结构方面的核心优势,更展现了苹果如何将精密制造、可持续发展目标与产品创新通过增材制造深度结合。 认为,我们从中看到的,不仅是一项工艺的突破,更是一个科技巨头对未来制造系统的重新定义。

这一切始于一个天马行空的构想:若将历来主要用于快速成型的增材制造技术,应用于量产数百万个符合Apple严苛设计标准且采用高品质回收金属的封装外壳,会如何实现?

对此,苹果产品设计副总裁Kate Bergeron强调,这不只是一个概念提按,更是渴望落地的技术构想,他们在提出假设后立即展开了对于增材制造技术的验证。通过持续的原型迭代、工艺参数优化与海量数据采集,最终证实该技术能满足Apple坚持的质量标准。

apple watch

今年,所有Apple Watch Ultra 3与钛金属款Apple Watch Series 11的表壳均采用100%回收航空级钛合金粉末通过粉末床选区激光熔融技术进行增材制造。而这项突破此前曾被认为难以实现规模化量产。

apple watch2

Apple 跨部门团队围绕共同目标协同攻坚:Series 11的镜面抛光需达到显微级光洁度,Ultra 3则必须在维持轻量化架构的同时确保结构完整性以满足极端环境使用需求。两款产品均需在保持性能零妥协的前提下,采用同级或更优的环保材料。

block Apple 2030 全景路线图

在Apple,环境可持续性已融入各团队的核心价值观。

“Apple 2030″是该公司制定的全景路线图,旨在2030年前实现全产业链碳中和,涵盖制造供应链与产品全生命周期碳足迹。目前Apple Watch制造流程已全面采用风能、光伏等可再生能源供电。

Apple确信增材制造在材料利用率方面具有革命性潜力,这对实现”Apple 2030″ 战略目标具有关键意义。
与传统减材制造工艺不同,增材制造通过逐层堆叠方式近净成形零件。这种技术路线的转变使Ultra 3与Series 11钛金属表壳的原材料消耗量较前代产品降低50%。

Apple环境与供应链创新副总裁 Sarah Chandler 表示,材料利用率提升50%是里程碑式的突破——相当于同等钛锭原料可制造双倍产品,回溯至原材料端,这对地球资源的节约效益极为显著。

谈到增材制造材料节约效益,Apple官方揭示了如下数据:

apple watch3

  • “2025年度节约400+公吨钛金属原材料”
  • “100%航空级再生钛合金粉末”
  • “较前代产品减少50%原材料投入”

block 十年技术储备

Apple Watch与Vision制造设计高级总监J Manjunathaiah博士表示,他们长期追踪增材制造技术路线成熟度。过去十年间,在增材制造技术在医疗植入物、航天零部件制造等领域获得蓬勃发展的同时,苹果也持续进行着技术储备。

降低单件物料消耗始终是Apple的核心目标。此前受限于表面处理工艺,早期他们未能实现外观级增材制造件的规模化生产。因此Apple团队启动了金属增材制造外观件的技术攻关。

对Apple而言,功能实现、美学表达与耐久保障是基础门槛。在此基础上还需突破规模化量产瓶颈,通过严苛的可靠性验证,实现材料科学创新,同时确保2030碳中和目标稳步推进。

block 不是单点创新而是成为未来产业体系的新基准

Apple的目标是致力于构建系统性变革,所有技术所有技术创新都不追求单点突破,而要成为未来产业体系的新基准。

Sarah Chandler ,Apple 环境与供应链创新副总裁

Apple公司揭示,每台设备均配备六组激光器,通过多光束同步扫描实现逐层堆积——单个表壳需经历逾900次叠层加工方能成型。

表壳制造所采用的是通过气雾化制粉工艺制造的钛合金粉末材料,通过精确控氧工艺降低钛粉在热源下的爆燃风险。粉末粒径需严格控制在50微米级,在氧含量方面采用了专用的低氧工艺方案。

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经历20小时的增材制造之后,表壳进入后处理阶段。

操作员通过粗清粉工序真空清除成型舱内未烧结粉末。虽然零件已实现近净成形,但复杂内腔结构仍会残留微量粉末。后续通过超声波振荡工艺在精除粉阶段实现完全清粉。

在3D打印表壳的分离工序中,采用电火花线切割装置沿预设路径对集成制造基板上的成型件进行逐一切割,同时喷射介电流体以控制放电加工过程中的热影响区。

随后通过自动化机器视觉检测系统执行全尺寸计量学分析,对每个表壳进行三维形貌测绘与表面瑕疵扫描,该工序作为封装件进入终段加工前的最终质量认证环节,确保所有几何公差与外观标准符合设计规范。
在此之后,机械工程师将在表壳中装配电路板、显示模组、电池组等所有内嵌元件,实现毫米级空间匹配,并通过持续测试验证功能完整性,最后植入固件进行老化测试,确保所有性能指标符合设计规范。

block 塑造传统工艺无法实现的复杂曲面

Apple在此次发文中揭示了增材制造技术实现的另一项核心突破:

能够在传统锻压工艺无法加工的复杂型腔内构建功能性表面织构。对Apple Watch而言,该技术显著提升了蜂窝网络型号天线区域的密封性能。在金属表壳内部,为实现射频信号传输功能专门设计了注塑填充结构,通过在内壁表面3D打印微锚点织构,使塑料与金属界面形成机械互锁效应,大幅提升界面结合强度与防水可靠性。

这项技术突破历经多年积累:从专项技术演示到原理验证,从特定合金配比研发到打印策略优化。在前代产品中完成小批量试制后,团队已掌握钛合金增材制造的全套工艺解决方案。

block 设计自由度提升带来的技术外溢

Apple 通过渐进式创新夯实技术基础,凭借增材制造技术所带来的超越传统技术极限的设计自由度,在实现规模化量产、可持续性突破、外观与结构要求全面达标的当下,其对于增材制造技术的想象空间已全面打开。

这种设计自由度还催生了向更多Apple产品的技术外溢:新款iPhone Air的USB-C接口采用同源钛合金粉末整体打印成型,通过增材制造实现超薄高强结构设计。

当设计工程、制造技术与环境目标实现多维协同创新,产生的综合价值将超越所有预期。

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西安交大、西安电子科大联合突破3D打印高性能压电材料与器件 //www.luezhai.com/?p=40777 //www.luezhai.com/?p=40777#comments Tue, 18 Nov 2025 10:23:20 +0000 //www.luezhai.com/?p=40777 谷专栏

压电器件是现代医疗诊断、工业无损检测和智能传感系统的“心脏”,其中关键压电材料的高性能化与复杂结构成形能力对于实际应用都至关重要。

本期谷·专栏文章将分享来自西安交通大学与西安电子科技大学研究团队联合开展的3D打印压电陶瓷研究成果。研究团队通过数字光处理3D打印技术制造具有复杂几何形状的高性能压电Sm-PMN-PT陶瓷,实现了压电系数d33为1285 pC/N-1,这是3D打印压电陶瓷中报道的最高值。

此外团队通过3D打印设计和制造了一种超声换能器环形阵列,这种阵列使用传统制造技术难以实现。该换能器表现出卓越的性能,具有60%的大带宽、952 mV的高峰-峰值电压以及改进的成像分辨率。值得注意的是,这种卓越的性能为3D打印超声换能器在可实现的设备级别上确立了新的基准。这些结果突显了3D打印压电陶瓷和复杂结构在设备上的潜力,展示了它们满足特定需求和要求的能力。

该研究成果近日在国际知名期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表。

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论文链接:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202514520

block 跨越从实验室走向应用的鸿沟

与传统制备方法(如模具成型、机械加工)相比,3D打印技术在高精度阵列、曲面结构等复杂/异形结构压电陶瓷元件的制备方面已经逐渐展现出了成型速度快、设计灵活度高等突出优势。

然而3D打印压电陶瓷致密化困难,电学性能与传统方法制备的陶瓷相比仍有差距,导致3D打印压电器件的性能受到限制,很难满足实际的工程应用需求。

具体来讲,打通一条从“打印成型”、“烧结致密”到“器件集成”的完整技术链路,需要解决以下几个难题:首先将高折射率的压电陶瓷粉体(尤其是铅基粉体)引入光敏树脂中,会严重影响UV光的固化过程,极易导致固化性能差、分层开裂等问题,进而影响最终烧结陶瓷的性能;其次,生坯的后续烧结致密工艺的难点在于打印引入的微小缺陷可能导致烧结过程中的致密化不充分等问题,使陶瓷内部出现较多孔隙;最后,在器件应用环节,如何合理设计与材料匹配的器件结构,利用高性能和复杂/异形结构陶瓷制备出高性能的压电器件,并验证其在实际应用中的优势,也是一大难题。

这些难题并非孤立存在,而是环环相扣。如何建立和实现从材料、打印到器件的一体化设计与制造,是当前3D打印压电陶瓷从实验室样品走向实际应用必须跨越的关键鸿沟。

针对上述问题,西安交通大学蒋庄德院士团队与西安电子科技大学杨银堂教授团队提出了基于3D打印技术的“压电材料-复杂结构-器件应用”全链条设计策略(图1),成功利用数字光处理技术(DLP)制造了高性能Sm掺杂PMN-PT(Sm-PMN-PT)压电陶瓷,实现了复杂几何结构成形,并在超声换能器应用上凸显了优势。

优化粉末粒径后,固化性能显著提升,打印陶瓷压电系数d₃₃高达1285 pC/N,进一步设计并制备了传统方法难以实现的8元环形阵列超声换能器,展现60%大带宽、952 mV峰峰值电压及优异的成像分辨率。该成果有望为应用于医疗诊断和无损检测领域的压电器件定制化设计开辟新途径。

paper_ceramic_1图1 3D打印压电陶瓷与换能器设计策略

铅基压电陶瓷粉体具有高折射率,会对打印固化过程中的紫外光造成严重的散射,导致浆料固化不充分,甚至打印失败。研究团队采用有限元仿真(FEA)结合Jacob’s方程,系统研究了粉体粒径对光散射和固化深度的影响。研究发现,将粉体粒径从传统工艺常用的0.6 μm优化至1.0 ~ 1.5 μm,可显著降低光散射,大幅提升固化深度和打印质量。基于粒径优化和固化性能的改善避免了打印件的分层与开裂,并成功制备出传统工艺难以实现的8阵元超声换能器环形阵列等复杂/异形结构压电陶瓷,边缘清晰,结构完整。

paper_ceramic_2(a) 不同粒径粉体的光散射仿真 (b) 不同粒径粉体浆料的固化性能实验验证

(d-f) 成功打印的3阵元、8阵元环形阵列和多种复杂结构陶瓷,展示了卓越的成型能力

在解决了打印成型的难题后,研究团队通过精细调控脱脂与烧结工艺,获得了致密度高达95%以上、无裂纹的压电陶瓷。随后,对粉体粒径和烧结工艺进行了系统优化,研究了3D打印压电陶瓷的微观结构和电学性能。采用平均粒径为1.0 μm的粉体,在1235 ℃下烧结制备的3D打印Sm-PMN-PT陶瓷展现出较高的压电性能,其压电系数d₃₃高达1285 pC/N。

paper_ceramic_3(b) 优异的铁电与压电应变性能 (c) 材料微观结构与性能优化

(d) 本工作d₃₃值与已报道3D打印压电陶瓷的性能对比

理论的突破最终要服务于实际应用。研究团队利用3D打印技术,成功制造出结构复杂的8阵元环形阵列超声换能器。性能测试表明,该换能器具有高达 60%的-6dB带宽(BW)和952 mV的脉冲回波峰峰值(Vp-p),综合性能优于其他3D打印换能器。在成像实验中,与单阵元换能器相比,该环阵换能器通过动态聚焦,将成像分辨率提升了10% ~ 55%,清晰地呈现了线靶和标准无损检测(NDT)试块的精细结构,充分证明了3D打印复杂结构压电阵元在提升器件性能方面的巨大潜力。

paper_ceramic_4(a) 3D打印的8环阵列换能器 (b,c) 器件表现出优异的脉冲回波响应和带宽

(e-h) 在线靶和NDT试块成像中,环阵列展现出比单阵元更高的分辨率

研究团队

西安交通大学任巍教授、庄建副教授、西安电子科技大学费春龙教授为论文共同通讯作者。

西安交通大学郑坤助理教授和西安电子科技大学全熠副教授为共同第一作者。

参与该工作的还有西安交通大学连芩教授、王琛英研究员、赵金燕副教授、赵一凡副教授、韩枫副研究员等,合作者来自西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室、电子陶瓷与器件教育部重点实验室和西安电子科技大学集成电路学部。

参考来源:西交大新闻、JAD电介质学术交流、i学术i交流

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