金属粉末床熔融（PBF）是制造金属零件的一项关键增材制造（AM）技术。然而，该工艺易受到孔隙、裂纹、翘曲等缺陷的困扰，从而削弱最终产品的质量。针对这一问题，学界和工业界日益关注利用原位监测、数据预处理与机器学习（ML）技术来进行金属 PBF 过程中的缺陷检测与预测。

来自新加坡制造技术研究院的科研团队发表了以“Towards intelligent defect detection in metal powder bed fusion: A review of in situmonitoring, data pre-processing, and machine learning“ 为题的综述论文。论文对粉末床熔融金属增材制造技术的原位监测、数据预处理与机器学习领域的最新进展进行了系统分析。谷·专栏将分上、下两期分享该综述。本期为上篇。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101112

本文特别强调了数据预处理这一新兴趋势，该技术作为原位监测与机器学习之间的桥梁发挥着关键作用。

通过解决背景噪声、数据丢失以及数据体量庞大等挑战，原位监测数据的预处理对于提升粉末床熔融（PBF）金属增材制造过程中缺陷检测与预测的准确性具有重要意义。此外，论文还讨论了该领域的重要方法、技术与发展趋势，并对当前面临的挑战及未来潜在的发展方向进行了深入探讨，为推动金属PBF 增材制造-3D打印部件缺陷研究中的原位监测、数据预处理与机器学习技术提供了新的视角。

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 引言

增材制造（Additive Manufacturing, AM），又称三维（3D）打印技术，已发展成为一种成熟且广受欢迎的制造技术。该技术通过逐层堆积材料，从计算机辅助设计（CAD）或数字三维模型中构建三维物体。与传统生产方法相比，AM 具有材料浪费更少、环境污染更低等优势。此外，其在零件设计上的高度灵活性，使得定制化产品和轻量化设计成为可能，因此已在诸多领域得到广泛应用，如航空航天、生物医学、汽车以及柔顺机构等行业。

粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF）是金属与合金工程零件的主要增材制造技术之一。金属PBF工艺通常包括预处理（如零件设计、模型分析、路径规划、打印及后处理）（见图1）。

图1

在打印过程中，粉末在设备中被熔化，并根据 CAD 模型形成零件。在拆除成形板并将样件切割下来后，打印样品会进入后期检测，包括性能鉴定、机械加工、热处理，以及光学显微镜、X 射线计算机断层扫描（XCT）、疲劳测试等测量环节。随后，后处理如表面精加工和数控加工（CNC）会进一步将打印部件加工为最终产品，以实现应力最小化、降低孔隙率并获得高几何精度。在此背景下，后期检测过程对于保证打印部件的质量和可重复性至关重要，是其有效应用的前提。然而需要指出的是，后期检测也存在一些不足，包括检测流程耗时、材料浪费以及可能对打印部件造成不可逆损伤。

图1 展示了在金属 PBF 全流程中实现质量保证的两种关键数字化方法。从预处理到后期检测阶段，多尺度物理建模揭示了影响打印过程的各种因素，包括显微组织、铺粉行为、热分析、几何变形以及力学性能。这种深入分析有助于优化工艺参数，从而提升3D打印零件的质量。由此可见，物理建模使制造商能够预测和控制金属PBF的结果，提升了生产效率与可靠性。然而，物理建模并非本文的研究重点，本论文更关注原位监测方法。

原位监测是另一种被广泛采用的质量保证手段，它通过提供过程参数、缺陷检测和材料特性等方面的实时数据，在金属PBF过程中发挥关键作用。借助持续的过程监测，原位传感器能够发现异常、偏差和缺陷，从而实现即时调整，以维持打印质量与一致性。这种由原位监测所支持的实时反馈回路显著增强了工艺控制，降低了错误发生的可能性，并最终提高了 增材制造过程的整体质量与可靠性。

基于数据的数字化监测结合原位过程检测，在缓解这些缺陷方面已日益重要。然而，挑战如金属PBF工艺的复杂性、庞大的数据量以及信号噪声的存在，可能阻碍数据的有效利用，机器学习（ML）方法被频繁用于原位数据处理以克服这些挑战。用于缺陷检测的ML模型在收集的数据集上进行训练，而无需完全理解底层物理机制，使其能够识别制造过程中的模式和异常。然而，其有效性依赖于其统计特性以及对不同数据特征的适用性。

• 随机森林（RF）是一种基于集成的算法，在处理噪声数据集和缺失值时特别稳健，通过聚合多棵决策树（DTs），使其适用于结构化缺陷检测应用。然而，RF 在计算上可能要求较高，并且在高度复杂的情境中缺乏可解释性。
• 支持向量机（SVM）因其构建最优超平面的能力而著称，在高维空间表现良好，特别适合特征选择至关重要的小型到中型结构化数据集。尽管其分类精度高，但 SVM 需要仔细的参数调优，并且在大规模数据集上的可扩展性有限。
• 相比之下，神经网络（NNs）擅长建模非线性关系和提取高层次特征，使其特别适用于涉及非结构化数据的缺陷检测任务，如基于图像的检测和传感器驱动的异常检测。其深层架构允许高级特征学习，但需要大量的计算资源和规模庞大且标注良好的数据集来降低过拟合风险。

因此，适当的 ML 模型选择应考虑数据集规模、数据复杂性和计算限制，RF 更适合结构化缺陷分类，SVM 更适合高维但小规模数据集，而 NN 则适合大规模非结构化缺陷检测。然而，使用原位监测数据训练 ML 模型存在挑战，包括噪声、离群点、缺失值、数据不平衡、标准化需求、特征选择以及时间序列处理。这些问题必须通过严格的原位数据预处理来解决，这是弥合实时监测与 ML 驱动缺陷检测之间差距的关键步骤。适当的预处理能够增强数据可靠性，最小化离群点，并确保稳健的训练和测试数据集，最终提高基于 ML 的缺陷检测系统的准确性和可信度。

随着金属 PBF 结合原位监测、数据处理和 ML 成为主要研究焦点，许多研究总结了原位监测和 ML 的进展。具体而言，Shi 等总结了电子束粉末床熔融（EB-PBF）的缺陷形成和过程控制。Grasso 等全面回顾了金属 PBF 工艺的原位传感、测量和监测技术，包括方法学分类以及这些方法性能的比较分析。Peng 等综述了激光粉末床熔融（L-PBF）过程中的缺陷，考察了原位监测和缺陷检测方法，并讨论了它们在 L-PBF 工艺中的应用和集成。Fang 等在回顾 AM 加工链、控制框架、原位监测系统和缺陷检测方法的同时，提出了新的 AM 控制框架。AbouelNour 等探讨了表面以下和内部缺陷的原位监测，涵盖了通过成像和声学方法获得的数据的表征、分析和处理。他们还介绍了结果验证的离线检测技术，以及应用和多样化的 ML 模型。Babu 等讨论了 ML 的工作流，包括监督、无监督和强化学习的类别，以及其在不同子流程中的应用，包括预处理设计阶段、参数优化、异常检测、原位监测和 AM 的最终后处理阶段。Zhang 等介绍了金属 PBF 中的 ML 方法，并讨论了其在不同类型缺陷聚类或预测中的应用。此外，还总结了原位监测和 ML 技术。在这些研究中，Taherkhani 等提供了迄今为止最详细和系统的原位监测方法与 ML 应用分析，将其基于信号类型和波长划分为辐射型和非辐射型传感器。他们的综述最后提出了 ML 在预测和检测各种缺陷中的应用见解。

在这些全面综述的基础上，有必要探讨如何将这些进展有效地集成到金属 PBF 的未来发展中。ML 技术在电弧增材制造（WAAM）和定向能量沉积（DED）中已取得显著成功，可被改造用于实时缺陷检测、自适应过程控制和零件质量提升。通过利用原位监测和自适应控制，离线 ML 模型可在制造前优化工艺参数，而在线 ML 模型可实时处理传感器数据以诊断缺陷并动态调整加工条件。金属 PBF 系统还可以受益于基于强化学习的控制模型，从而实现主动缺陷缓解并减少由工艺引起的孔隙和裂纹等缺陷。此外，过程监测和传感技术，包括热成像、声发射（AE）和光学断层扫描（OT），已在 WAAM 和 DED 中显示出有效性，并可定制用于金属 PBF，以提高缺陷检测的准确性。结合基于深度学习的计算机视觉模型，金属 PBF 系统可以利用预训练的卷积神经网络（CNN）架构，从熔池图像中提取特征并识别缺陷趋势。此外，已在其他 AM 工艺中应用的合成数据增强，可以通过模拟缺陷场景补充训练数据集，从而提高金属 PBF 模型的鲁棒性和泛化能力。展望未来，将自适应 ML 缺陷缓解策略与基于物理的仿真相结合，将实现混合建模方法，使金属 PBF 系统能够预测缺陷形成并主动优化工艺参数。这一进展将推动闭环控制系统的发展，实现缺陷的自主修正和零件可靠性提升，最终使金属 PBF 与智能制造和工业 4.0 的目标保持一致。

与此同时，在控制与监测、图像数据处理、计算机辅助设计和增材制造商业方法等领域，知识产权活动显著增加。2001 到 2010 年间，这些领域的年度专利申请数量保持在 100 以下。然而，从 2011 到 2020 年，这一数字显著增长。仅在 2019 和 2020 年，就有超过 3000 件专利申请被公开，其中与控制和监测相关的超过 1500 件，图像数据处理相关的超过 300 件。这一增长归因于先进传感器和机器视觉技术等创新，确保了 AM 工艺的精度、质量和可靠性。通过监测关键参数，如熔池形态、羽流行为和工艺稳定性，这些技术能够实现实时反馈。然而，ML 和图像数据处理在金属 PBF 中的全部潜力尚未完全发挥。

遗憾的是，仅仅集成原位监测和 ML 并不能确保 ML 训练的数据输入有效或预测准确。作为接收原位监测信号并生成处理数据以供 ML 训练的桥梁，图像预处理决定了 ML 和应用最终结果的可靠性和稳健性。基于此，研究团队旨在开展一项全面综述，涵盖原位监测方法、数据预处理以及随后的 ML 在金属 PBF 中的应用。因此，本综述拟回答两个研究问题：(i) 金属 PBF 的原位数据预处理有哪些新技术？(ii) 原位数据处理如何弥合监测与 ML 缺陷检测之间的差距？

为了使综述全面，研究团队在第 2 节简要描述了金属 PBF 的常见缺陷及其形成机制；第 3 节描述了不同原位监测方法及其优缺点，并重点介绍了新近发展的原位监测技术；第 4 节聚焦于第一个研究问题，详细阐述了图像和信号预处理的结构，重点介绍了关键步骤和最新进展；第 5 节则回答第二个问题，详细讨论了如何将原位监测数据与 ML 模型结合进行缺陷检测。尽管两个问题详略不同，但它们本质上是相互联系的，共同构成本综述的核心主题，即通过原位监测和智能处理相结合，实现金属 PBF 的数据驱动质量控制。最后，本文以对原位监测、原位数据预处理和 ML 在金属 PBF 中的挑战与未来发展的展望作为结束。

 原位监测在金属 PBF 中可检测的缺陷类型及其形成机制

金属 PBF 工艺包括 L-PBF 和 EB-PBF。其基本原理是在基底平台上选择性熔化铺设的粉末。该过程逐层进行，重复粉末铺展、熔化以及平台下降，从而逐步构建三维零件。L-PBF 通常在惰性气体环境下运行，这种环境能形成无氧气氛，保证粉末材料的稳定性并降低氧化风险。相反，EB-PBF 则在真空环境中进行，并包含预热步骤。其能量通过带电电子与粉末颗粒的动能碰撞传递至粉床。这一根本差异导致 PBF 系统在设备配置、工艺环境以及材料适配性方面存在显著差异（图2）。理解这些区别至关重要，因为缺陷的形成机制以及原位监测方法的适用性在不同 PBF 系统中存在差异。

图2

金属 PBF 中缺陷的形成通常源于熔化与再凝固时间尺度之间的不平衡。熔化速率过低会导致零件内部熔化区不足，而熔化速率过高则可能引起粉末汽化。基于这一点，金属 PBF 的缺陷一般可分为两类：

(i) 工艺过程中的瞬态现象，如飞溅、羽流和球化；
(ii) 终态缺陷，如未熔合（LoF）、孔隙、裂纹、致密度异常和变形。

本综述将重点探讨未熔合、孔隙和裂纹这三类关键的最终零件缺陷，以及飞溅与羽流这两类关键的过程现象。这是因为这些缺陷更容易通过原位监测（如高速相机或光电探测器，图 2a）进行检测、分类或预测，并且常常成为 ML 模型实时分析的目标。其他问题，如结球、致密度变化和零件变形，则为了保持讨论的清晰与范围而不作详细阐述。具体而言，结球与熔池不稳定性和粉末分布不均有关；致密度是一种反映底层微观缺陷的宏观属性；而变形则指零件尺度的几何偏差，通常需要不同的传感方式和分析尺度来研究。

未熔合（Lack of Fusion, LoF）

未熔合（LoF），又称不完全熔合孔，通常分布在能量源扫描道之间以及沉积层之间。其形成方式主要有两种：第一种是能量源扫描道之间重叠不完全，导致粉末之间部分未被熔化（图3a，左）；第二种是层与层之间熔化不完全（图3a，右），从而导致结合不良和粉末未熔化。LoF 的典型特征是在打印零件中夹杂未熔化的粉末颗粒（图3b），这会降低零件的致密度。在零件的断面上（图3c），可见未熔化粉末和 LoF，通常被认为是导致断裂的重要原因。综上，LoF 会削弱层间稳定性，促使结构失效。它还会引起应力集中，从而降低打印零件的疲劳寿命。LoF 可通过光学成像、声发射（AE）捕捉、热成像以及电子信号成像等方式进行监测。

图3

最新研究进一步表明，LoF 缺陷可能是逐层演化的结果，而非瞬时形成。例如，有研究通过原位监测与离线 XCT 验证的同步手段揭示：LoF 缺陷可能源于局部工艺异常，如熔池重叠不足或能量输入波动，这些异常可能在多个层次中持续存在而未被察觉。部分异常最初可能通过后续的再熔化过程得到自我修复，但若反复出现，则会导致缺陷累积。这一发现强调了需要区分工艺异常与真正缺陷：前者可能是瞬态且可恢复的，而后者会导致机械失效。因此，理解 LoF 的逐层动态形成过程，对于开发可靠的原位缺陷预测模型至关重要，其意义已超越了传统的异常检测方法。

孔隙（Porosity）

材料的孔隙率可定义为未被材料填充的体积分数，也可以通过孔隙的类型来描述，如气孔、匙孔、链状孔隙以及表面破口孔。由于未熔合（LoF）或裂纹也可能形成孔隙，因此这里仅对气孔和匙孔进行详细讨论，而 LoF 和裂纹作为金属 PBF 的其他典型缺陷，分别在第 2.1 节和第 2.3 节中说明。

气孔通常呈圆形，其尺寸与粉末颗粒相当，来源于熔化过程中气体未能完全逸出。除了被困气体外，孔隙的形成还可能源于原料中存在的挥发性杂质，如吸附的水分、润滑剂和有机残留物，它们在高温下分解，产生气体副产物进入熔池。此外，某些气体（尤其是氢气）在凝固过程中液相与固相之间的溶解度差异，也会促进气体空腔的形成。气孔可出现在 L-PBF 和 EB-PBF 工艺的产品中，可能会削弱其机械完整性和性能。

匙孔模式熔化所致的孔隙率是激光粉末床熔化（L-PBF）中另一常见缺陷。该类匙孔通常表现为球形空腔，富集于熔池底部（图4a）。尽管气孔与匙孔均呈球形结构（图4b），但气体气孔轮廓光滑，而匙孔则具有凹凸不平的轮廓界面。此类气孔尖锐棱角处更易萌生裂纹。疲劳测试试样内部孔隙缺陷引发裂纹萌生与扩展的机理示意图（图4c）表明，气孔与匙孔会严重制约成形件的疲劳性能与服役寿命。该孔隙缺陷可通过声发射捕捉与热成像技术进行检测。

图4

裂纹（Crack）

凝固裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹是金属 PBF 中常见的缺陷，每种裂纹都具有不同的特征（图5a）。凝固裂纹通常在凝固的最后阶段形成，原因是累积应力超过了材料的屈服强度，这类裂纹常见于成分复杂的合金中。液化裂纹通常呈现曲折形态，并伴随有由组分液化或低熔点二次析出相引起的再凝固组织。高温失塑裂纹则发生在纯固态条件下，通常出现在镍基高温合金中，表现为冷却过程中延展性降低，特别是在脆性温度区间。

裂纹会显著削弱打印零件的力学性能，导致零件提前失效（图5b）。它们不仅影响零件的疲劳寿命和承载能力，还可能破坏零件的密封性和气密性，同时降低表面质量与美观度。由于裂纹修复难度极高，因此预防与早期检测裂纹的形成对保证打印零件质量至关重要。

裂纹可通过光学成像、声发射（AE）捕捉以及热成像进行识别。

图5

飞溅（Spatter）与羽流（Plume）

在金属 PBF 中，“飞溅”是指在高能激光或电子束的作用下，熔融金属在熔池周围产生的小颗粒现象。这些颗粒通常由未熔化或部分熔化的金属组成，可能被喷射到周围区域（图6），从而引入意外杂质，并可能影响零件的最终表面质量。与此同时，“羽流”是指在金属熔化过程中，由于金属表面在高温下蒸发和气化而形成的可见喷雾或烟雾（图6）。羽流的形成与金属汽化、蒸发或挥发性杂质的存在密切相关。

图6

来自飞溅和羽流的污染物不仅可能改变粉末的化学成分，还会促进缺陷的形成。如果飞溅物粘附在3D打印零件表面上，则会阻碍铺粉器的工作，影响下一层粉末的铺展，从而导致粉末分布不完整，形成孔隙。同时，飞溅颗粒会妨碍粉末的循环，造成相邻间隙。飞溅物的后续凝结会阻碍熔池中液态金属的铺展（图7a）。由此可能在目标区域产生未熔合（LoF），并引发翘曲、鼓包与分层等现象（图7b）。羽流在加工条件变化下会发生振动，导致能量通过激光辐射的吸收或反射而损失。此外，熔化道表面上的飞溅会阻碍相邻熔道的成形。强烈羽流和飞溅的突然爆发或消失会显著影响熔池质量。此外，样品中还可明显观察到杂质与空隙，其空隙尺寸通常大于飞溅颗粒，这进一步证明了熔道中的空隙和未熔化粉末颗粒源于飞溅颗粒对粉末沉积与激光辐射的阻碍作用。

图7

飞溅与羽流可通过光学成像、声发射（AE）捕捉、热成像以及电子信号成像等方式进行监测。

最新研究进一步强调了飞溅与羽流行为在缺陷形成中的前兆作用，以及它们作为工艺不稳定性指标的重要性。例如，有研究表明，熔池形态的多尺度变化与飞溅动力学密切相关，并建立了基础模型来表征这些复杂的时间特征。另一些工作则提出了一种适用于 L-PBF 的统一数据结构，将飞溅和羽流的观测结果与 XCT 扫描中最终的缺陷位置对齐，凸显了系统化数据组织在基于 ML 的缺陷预测中的重要性。这些发现表明，飞溅和羽流信号不仅反映了实时的工艺状态，还能够实现对潜在缺陷的早期检测，从而在工艺监测与预测控制之间搭建桥梁。

本文转载自：筑基手册

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你是否想过，能像打印复杂图案一样“打印”出性能可定制的金属材料？多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术是实现路径之一。尽管该技术尚存挑战，但它已为复杂工况下的材料设计开辟了新维度。

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多材料激光粉末床熔融（MM-LPBF）技术制造具有复杂异质结构的双金属材料，以解决传统合金在复杂工况下难以兼具多种优异性能的问题。传统合金因成分均匀而性能受限，而多材料集成结构可弥补这一缺陷。增材制造技术，尤其是L-PBF，因其在制造复杂结构方面的优势而备受关注，但现有技术仍面临诸多挑战。

来自华东理工大学的研究团队在国际期刊CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology上发表了Multi-material laser powder bed fusion (MM-LPBF) additive manufacturing of dual-phase heterostructure steel。该研究通过改进L-PBF系统和工艺软件，成功制造了316 L奥氏体不锈钢和18Ni300马氏体钢的双金属集成材料，并探索了其在动态冲击载荷下的性能表现，为开发新型高性能合金系统提供了理论和实验支持。本期谷·专栏将对该研究进行简要分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2025.07.001

 全文概述

MM-LPBF增材制造技术能够实现多种金属材料的人工设计和空间有序集成结构的精细化制造。通过基于成分相似性和冶金相容性的异种材料匹配筛选，利用316L奥氏体不锈钢和18Ni300马氏体钢粉末作为原材料，采用MM-LPBF技术制备了三种具有不同异质性结构的双金属集成块状材料，分别是交错多层平面、交错多层棋盘和交错多层旋转光栅结构。

3D打印出的双金属构型呈现出细晶马氏体相（BCC晶体结构）和粗晶奥氏体相（FCC晶体结构）的双相和双峰结构，且双相区域按照人工设计呈现空间有序分布。双相区域之间的界面通过激光熔池熔化-凝固行为形成的“双相交错混合”过渡形式牢固结合。这些空间排列的相区的特征几何尺寸为200-500μm，双相混合区宽度为100μm，作为界面区域。考虑到奥氏体钢和马氏体钢双金属集成材料的强度-延展性协同效应，实验验证了在不同冲击应变率条件下异质结构的动态冲击性能，结果表明这些双相、双峰和多级异质结构具有良好的抗冲击性和能量吸收能力。这种MM-LPBF增材制造路径有利于使用更多集成的不同金属材料开发具有强度-韧性协同效应的新型合金体系。

 图文解析

图1展示了自制的双材料制造系统及其在MM-LPBF工艺中的应用。图1a说明了该系统被整合到商用LPBF机器中，图1b则展示了系统的关键特征，包括可移动双圆筒粉末输送机构、基于真空的粉末清除装置以及500W激光器。通过优化工艺参数，实现了超过99.8%的相对密度，并针对316L合金和18Ni300合金分别设定了不同的激光功率和扫描速度。此外，定制软件支持独立应用优化后的激光参数，粉末床层厚保持为50µm，连续层之间的旋转角度为67°。

图 1. （a）内置可移动双粉末室装置的国产双金属MM-LPBF增材制造系统示意图，（b）双金属打印工艺，（c）分别具有交错多层平面（I型）、交错多层棋盘（II型）和交错多层旋转光栅（III型）异质结构的三类双金属集成块状材料，以及（d）I型数字模型的解构，（e）II.型，以及（f）III.型。

图2通过试样模型的尺寸图和实际试样的照片，全面展示了三种不同异质结构（I型交错多层平面、II型交错多层棋盘、III型交错多层旋转光栅）的几何形状、尺寸参数和材料分布情况。

图 2. 用于 SHPB 动态压缩冲击试验 （a） 的这三种类型试样的试样模型和尺寸图 ，以及通过 MM-LPBF AM 的 I 型 （b）、III 型 （c， d） 和 II 型 （e） 试样的照片。

图3展示了I型样品中镍、铬、锰和钴呈现分层分布，而铁元素由于两种合金含量相似，分布波动极小，这种微小波动对实现两种合金界面处的强冶金结合至关重要。微观结构分析显示，316L合金区域呈现柱状晶粒，而18Ni300合金区域为细晶粒结构，且18Ni300合金区域的晶界密度远高于316L合金区域，主要归因于马氏体相变。该相变导致18Ni300区域形成BCC结构，而316L区域保持FCC结构，最终形成了BCC/FCC双相层状异质结构。

图 3. 通过 MM-LPBF 对双金属样品进行横截面显微照片：垂直于构建方向 （BD） 的 I 型样品（a）;与 BD 平行的 II 型样品 （b）;与 BD 平行的 III 型样品 （c）。

图 4. SHPB 动态压缩试验获得的 3 类异质结构试件和基体材料的工程应力-应变数据：1000 s （a）、2000s （b） 和 3000 s （c） 应变速率下的工程应力-应变曲线，以及 UCS （d）、总应变 （e） 和吸收能（f） 与应变速率的关系。

 总结

1. 通过多材料激光粉末床熔化（MM-LPBF）技术，成功构建了三种具有异质结构的双金属集成块体材料，包括交错多层平面、交错多层棋盘格和交错多层旋转光栅。这些双金属结构展现出双相异质组成，包含细晶粒的马氏体相（BCC晶体结构，平均晶粒尺寸为3.97μm）和粗晶粒的奥氏体相（FCC晶体结构，平均晶粒尺寸为26.33μm）。

2.异质相界面展现出良好的晶格过渡。在伸长的激光熔池和材料混合的干扰下，形成了宽度约为100μm的水平界面和宽度超过150μm的垂直界面，这些界面处的相互作用更为剧烈。

3.动态分离式霍普金森压杆（SHPB）测试表明，双金属样品兼具18Ni300合金的高强度和316L合金的韧性。通过“混合规则”“桶效应”“连续交错相互作用”以及界面区域的背应力强化等机制的联合效应，直观地展示了多材料增材制造样品解决强度 – 韧性权衡的潜力。

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随着电子技术持续演进，液体冷却系统的应用正突破传统边界，迈向高性能电子设备、电动汽车、电信、航空航天等多个细分市场。

尤其是近日在AI芯片制造领域备受关注的“微通道水冷板（MLCP）”技术，以将金属盖与液冷板进行集成并内嵌微通道的方式，来突破现有风冷和液冷技术的极限，从而应对AI芯片功耗增长带来的数据中心散热挑战。散热技术与AI芯片设计的协同演进，为金属增材制造-3D打印技术带来了机遇。金属3D打印技术凭借实现高设计自由度的天然属性，在复杂微流道设计、模块化集成等方向上与下一代高性能液体冷却系统有着值得探索的融合路径。
将通过热设计专家Expert Thermal所做的液体冷却冷板设计参考，从冷板设计的关键细节、注意事项与设计权衡、冷板制造技术及金属3D打印带来的设计自由度、关键热考量因素、冷板可靠性测试、未来展望等方面，为致力于推动下一代液体冷却系统制造的谷友提供些许参考。

本期文章为下篇，聚焦于金属3D打印带来的制造自由度、液冷冷板设计的关键热考量因素、冷板可靠性测试、新兴市场的未来展望等话题。

高性能“散热引擎”：液体冷却冷板设计参考指南 l 上篇

 金属3D打印带来的制造自由度

尽管拓扑优化能显著提升热工水力效率，但要完全释放其潜力，则需要超越传统制造技术极限的先进工艺。 传统机械加工难以应对拓扑优化设计所产生的复杂内部几何形状。正因如此，金属增材制造已成为生产先进冷板冷却系统的关键所在。这些技术提供了实现复杂流体通道、内部流道和有机形状所需的几何灵活性与精确控制能力，并具备高重复性。通过实现不受传统制造约束的性能驱动型设计，增材制造使得构建专为极端热需求而定制的下一代冷板成为可能。

• 复杂内部流道的制造

拓扑优化流道通常具有非平面、空间变化的横截面、分支微通道及渐变过渡等特征，这些是数控加工或传统钎焊无法实现的。金属增材制造能够实现：

• 内部流道分叉、多尺度通道及嵌入式流道
• 整体式结构，消除界面热阻和易泄漏的连接点
• 对局部壁厚和孔隙率的精确控制，助力实现定制化的热管理行为

这解锁了为性能而设计的可能性，使几何形状由物理规律驱动，而非受制于制造约束。

• 性能与重量、体积的优势

利用增材制造，设计人员可以：

• 在热关键区域集成点阵支撑结构或随形冷却流道；
• 在减轻重量和缩小体积的同时保持结构完整性，这对航空航天及高密度电子产品至关重要；
• 将多个冷却组件（如通道、流道、安装件）整合为单一零件，提高可靠性并减少组装时间。
• 通过设计适应提升冷却效率

通过将拓扑优化算法与增材制造兼容的约束条件（如悬垂角度、粉末清除口）相结合，可以制造出能够实现以下目标的冷板：

• 使冷却剂输送与热通量梯度分布相匹配；
• 同步降低热阻与泵送功率；
• 通过定制化的材料沉积与后处理工艺（如用于提高致密度的热等静压）承受循环热载荷与压力载荷。
• 验证与标准符合性

3D打印冷板可与传统制造单元经历同样严格的可靠性测试（如针对腐蚀的ASTM B117、针对压力的IEC 62368-1）。此外，原位监测与无损评估（如CT扫描）确保了制造质量并在部署前实现缺陷检测。

TPMS结构微通道3D打印展示件
制造商：广东必极科技有限公司

“TPMS 三重周期极小曲面”，在数学上被证明是在给定空间内实现最大表面积的最优结构之一。广东必极科技所展示的3D打印TPMS微通道晶格结构样件，最小结构为0.2mm。

铜金属3D打印一体化水冷板
制造商：广东必极科技有限公司

可应用于AI服务器GPU芯片冷却，无需钎焊，100%零泄漏，其内部采用TPMS微通道晶格结构设计，能够解决单个芯片1500W的散热需求。

上图：用于汽车功率电子器件的增材制造液冷冷板
下图：Fabric8Labs 电化学增材制造的下一代AI 数据中心冷板

 液冷冷板设计的关键热考量因素

• 建立组件级热分布图

设计的首要步骤是构建热分布图。该图作为整个系统的蓝图，用于识别整个器件上的热点区域及热量分布。此步骤包含以下内容：

• 各组件的尺寸、位置及功耗
• 允许的表面温度（全局或针对每个组件）
• 冷却剂属性：类型、流速及进口温度
• 冷板的总可用压降
• 计算局部热通量，包括基板内部的热扩散效应

一份构建完善的热分布图是战略基础，它为流道布局、流量平衡及热交换器几何形状的设计提供关键依据。

• 评估热性能的关键输入参数

开发定制冷板设计始于对关键热力学与流体动力学输入参数的理解。这些核心因素直接决定了冷板的架构、流路策略以及整体设计复杂度。通过将性能要求与物理约束相结合，工程师可以在设计流程早期做出明智决策。下方矩阵总结了最关键的设计驱动因素及其对系统复杂性的影响，为优化性能与可制造性提供了实用指南。

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• 详细热分析

在明确设计条件后，下一步是结合材料选择（铝、铜或复合材料）进行详细热分析，并构建液体流路网络。此阶段工作内容包括：

• 计算各元件底部表面温度
• 评估冷板整体压力降
• 识别局部过热点或流动死区

若未达到设计目标，则需对流体路径进行重新布设与优化，具体可能涉及：

• 调整流道序列
• 绕过低热耗区域
• 向高热风险元件分配更多冷却液
• 实现表面温度均匀性的设计策略

当要求表面温度均匀分布时，设计复杂度显著提升。两种关键策略可助力实现该目标：

• 并联流路：将相同元件布置在工况一致的平行流路上，确保各流路入口温度一致
• 逆流布局：在相邻流道中采用相反流向（如蛇形布道），有效降低板面温度梯度

在更先进的设计中，可采用多层流体通道结构，以提升热量移除路径的空间控制精度。

• 面向制造的设计：成本驱动因素

复杂冷板的制造成本可能较高，尤其在机械约束导致流道布局效率低下时。常见成本驱动因素包括：

• 固定的进出口位置
• 阻碍流道布设的安装孔位
• 多种翅片几何形状或腔体深度要求
• 需要电火花加工或多工序机械加工

为控制成本，保持设计灵活性至关重要。热设计工程师通过与电气、机械工程师早期协同，可影响元件布局规划，从而为更高效的流道集成创造条件。这种跨领域协作通常既能提升散热效果，又能降低制造成本。

 冷却液选择

冷却液的选择对冷板系统的性能与可靠性起着至关重要的作用。冷却液不仅需要高效吸收和传输热量，还必须与系统的材料及运行条件兼容。

闭式回路冷板冷却系统中常用的液体包括：

• 去离子水：具有优异的热性能，但需要特别注意材料兼容性。
• 抑制性乙二醇/水混合物：广泛用于防冻和耐腐蚀保护。
• 介电流体：合成的非导电性油液，非常适合与敏感电子元件直接接触。
• 定制化热传递流体：专为需要特定热或化学性质的特殊应用而设计。

选择合适的冷却液需要在导热性、粘度、电导率、环境兼容性以及长期稳定性之间进行权衡。系统设计必须充分考虑这些特性，以确保最佳的流速、热容量和腐蚀控制。

 冷板可靠性测试

为确保液冷冷板（尤其是在航空航天、电信和国防等关键任务应用中的）长期可靠性，需要执行一套全面的鉴定流程。为确认其在热、机械和流体领域的耐久性，工程师需依赖无损检测与性能测试相结合的方法。这些方法是对静水压测试、耐腐蚀性评估及动态应力分析等传统程序的重要补充，可在部署前对冷板完整性进行完整评估。

1、泄漏测试

泄漏完整性对液冷冷板至关重要，以防止流体渗入电子设备或造成闭环系统压力损失。行业标准方法包括：

• 压力衰减测试
  • 标准：EN 1779
  • 方法：对冷板加压（通常使用干燥空气或惰性气体）并密封，监测一段时间内的压力损失。
  • 接受标准：根据EN 1779标准，对于高完整性接头，压力下降小于0.5%视为合格。
  • 应用：发货前的最终质量检测，尤其适用于铝钎焊或搅拌摩擦焊组件。
• 浸没气泡测试
  • 标准：EN 1779
  • 方法：将加压后的冷板浸入液体槽中；通过目视检查气泡流以识别泄漏点。
  • 优点：可定位微泄漏；实现快速视觉评估。
• 静水压爆破与验证测试
  • 标准：IEC FDIS 62368-1(8)
  • 方法：在1倍最大工作压力下测试5分钟（验证测试）；在3倍最大工作压力下测试2分钟（爆破验证）。
  • 应用：确保内部流道和连接器焊接接头的机械坚固性。对电信或汽车级冷板至关重要。

2、流量与热测试

为验证冷却性能，必须在操作条件下表征其液压阻力与热有效性。

• 流量测试
  • 目的：量化压降与流速的关系，生成液压性能曲线。
  • 设置：使用校准的质量流量控制器和差压传感器的流量测试台。
• 热测试
  • 目的：在已知热通量下确定热阻或温升。
  • 测试条件：进口冷却液温度、流速和施加的热负载均需标准化。
  • 标准实践：在环境应力测试后进行，以检测热性能退化，通常与基线性能进行比较。
  • 应用：确认生产单元的一致性及是否符合系统级冷却规范。是国防和航空航天电子冷却的必备测试。

3、目视检查

作为基础的质量保证步骤，目视检查用于识别可能影响结构或外观质量的宏观缺陷。

• 评估范围：
  • 表面处理均匀性（阳极氧化或涂层后）。
  • 焊道连续性及变色（特别是激光焊或FSW接头）。
  • 进口/出口配件或通道中存在毛刺、裂纹或空洞。
  • 热界面平面的错位。
• 相关标准：
  • IPC-A-610（电子组装件）。
  • ISO 8785（表面缺陷）。

4、超声波检测

主要用于对粘结或焊接冷板进行内部缺陷的无损检测。

• 标准：ASTM E2375（粘结结构），ASTM E317（接触式UT）。
• 技术：将高频超声波脉冲穿透部件；分析反射波以识别以下迹象：
  • 分层
  • 焊接区未熔合
  • 气孔或外来夹杂物
• 方法：
  • 用于平板件的脉冲回波模式。
  • 用于复杂几何形状的浸没式UT。
  • C扫描成像以可视化亚表面异常。
• 应用：对验证搅拌摩擦焊冷板或多层扩散焊冷板至关重要。航空航天和医疗设备标准越来越多地要求将UT作为质量文件的一部分。

5、盐雾测试（耐腐蚀性评估）

盐雾测试是一种标准化的加速腐蚀测试，用于评估冷板外表面、涂层及防护处理在恶劣环境条件下的耐久性。它模拟长期暴露于含盐大气环境，尤其与海洋、工业及沿海应用相关。

• 测试标准
  • ASTM B117 – 操作盐雾（雾化）装置的标准实践。
  • 这是全球基准，用于评估金属涂层（例如，阳极氧化铝、化学镀镍、钝化不锈钢）在连续盐雾下的耐腐蚀性。
• 应用：户外电信和工业机箱：验证表面处理在盐雾和冷凝循环暴露下的耐久性。

 未来展望：AI驱动设计、数字孪生与新兴应用

• AI辅助设计的融合

冷板设计需要平衡热性能、流阻、可制造性与可靠性，其复杂性使其成为AI辅助优化的理想对象。工程师正逐渐采用由机器学习与深度学习模型驱动的数据驱动设计循环，取代传统的参数扫描方法。

此类系统能够：

• 利用代理模型在毫秒内预测广阔设计空间内的热流动性能
• 加速逆向设计流程，根据目标性能指标直接生成最优几何构型
• 持续从测试数据、CFD仿真及现场表现中学习，优化后续迭代版本

通过整合神经网络、进化算法与降阶模型，AI不仅能协同优化冷板内部结构，还可对泵组选型、热界面材料选择及流道布局等系统级参数进行整体优化。这种从确定性仿真到生成式AI引导设计的转变，已在早期工程流程中实现10-50倍的效率提升。

• 数字孪生在自适应冷却中的应用

作为物理系统的实时映射虚拟体，数字孪生正在重新定义热控制策略。在液冷系统中：

• 实时传感器数据可输入数字孪生体，用于诊断能效异常或预测潜在故障
• 预测模型能模拟不同负载场景，主动调节泵速或阀门开度以维持热安全状态
• “假设分析”仿真使热工程师能探索未来工作负载模式、环境条件或组件升级方案，无需物理原型

对于超大规模数据中心或航空航天电子设备等高价值应用，冷板不再是被动组件，而是成为实时自适应、最大化冷却效率与系统运行时间的闭环热智能系统的有机组成部分。

• 在电动汽车、边缘AI与6G硬件中的长期潜力

随着电子技术持续演进，液体冷却冷板的应用正突破传统领域边界，新兴前沿包括：

• 电动汽车：电驱逆变器、车载充电机与高压电池连接点亟需紧凑、坚固且高效的液冷方案。针对发动机舱环境（需耐受振动、宽温变与快速负载循环）专门设计的冷板正获得广泛应用。增材制造与拓扑优化技术为实现轻量化模块化解决方案提供支撑，完美契合电动平台扩展需求。
• 边缘AI服务器：与集中式数据中心不同，边缘部署需要在热约束环境中实现高密度计算。集成快速接头、泄漏检测功能并兼容介电流体的冷板，可确保在通信机柜、智能工厂及自主基础设施中的安全部署。经AI增强的冷板设计在保障高热性能的同时，不影响系统可靠性或物理空间占用。
• 6G通信硬件：6G时代向更高频段毫米波与太赫兹通信的迈进，将显著增加基带单元与射频单元的热通量。传统风冷难以应对局部功率密度挑战。采用嵌入式微通道网络与超薄型设计的冷板，对于确保热稳定性、信号完整性及设备长期可靠性将发挥关键作用。

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随着电子技术持续演进，液体冷却系统的应用正突破传统边界，迈向高性能电子设备、电动汽车、电信、航空航天等多个细分市场。

尤其是近日在AI芯片制造领域备受关注的“微通道水冷板（MLCP）”技术，以将金属盖与液冷板进行集成并内嵌微通道的方式，来突破现有风冷和液冷技术的极限，从而应对AI芯片功耗增长带来的数据中心散热挑战。散热技术与AI芯片设计的协同演进，为金属增材制造-3D打印技术带来了机遇。金属3D打印技术凭借实现高设计自由度的天然属性，在复杂微流道设计、模块化集成等方向上与下一代高性能液体冷却系统有着值得探索的融合路径。
将通过热设计专家Expert Thermal所做的液体冷却冷板设计参考，从冷板设计的关键细节、注意事项与设计权衡、冷板制造技术及金属3D打印带来的设计自由度、关键热考量因素、冷板可靠性测试、未来展望等方面，为致力于推动下一代液体冷却系统制造的谷友提供些许参考。

本期文章为上篇，聚焦于冷板工作原理、冷板液体冷却的优势、关键细节、注意事项与设计权衡、冷板组装、拓扑优化的定制冷板通道，此外还将在文末分享我国企业的3D打印应用案例。

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 冷板是怎样工作的？

冷板是液体冷却系统的基础。与依赖笨重散热器和风扇通过对流散热的传统风冷不同，冷板采用闭式回路液体冷却方法。这种方法以更高效率直接将热量从高功率元件（如CPU、GPU、内存模块和功率电子器件）带走。

实现这一性能的关键在于冷板内精密微通道中冷却剂的循环。当流体流经发热器件下方时，会吸收热能并将其携带至远程热交换器进行安全耗散。这种直接让液体与热表面的接触方式实现了更快、更均匀的热量去除，从而实现更严格的温度控制、提高系统可靠性并延长电子元件的使用寿命。

一个典型的冷板由两个主要结构部件组成：

基板：包含微通道热交换器

顶盖：封闭流体通道并集成进口/出口连接器

这两个部件通过一种永久性连接工艺结合在一起，该工艺会根据所选材料（通常是铝、铜或先进复合合金）进行优化，例如钎焊、扩散焊或焊接。即使在压力、振动或温度循环条件下，连接处也需要在整个冷却系统使用寿命期间保持液体密封性。

图：冷板设计

管路与顶盖上的流体端口相连接，形成冷却液循环所必需的进口与出口流路，使其得以流经内部通道。

冷板基座被设计为与目标器件（如处理器或功率模块）直接接触。为最大限度降低界面热阻，需在器件与冷板之间施加 TIM2 材料（热界面材料，通常为导热垫或导热膏）。此举可确保两者表面紧密接触，从而将热量最大限度地传导至正下方的液冷微通道中。

 关键细节决定成败

• 高导热材料

铜或铝因为优异的导热性，而被选为大多数冷板的制造材料。新兴设计也可能集成石墨复合材料或其他先进材料，以在提升性能的同时减轻重量。

• 通道几何形状优化

内部流动通道的设计和拓扑结构显著影响冷却剂流速、压降和热均匀性。微通道密度、翅片几何形状和湍流促进器都经过精细调整，以满足应用特定的热通量要求。

要在热性能和液压阻力之间实现最佳平衡，需要部署针对几何灵活性和复杂性水平定制的多种优化方法：

1、尺寸优化

尺寸优化的核心在于调整一组定义部件几何形状的有限离散或连续参数，例如通道宽度、翅片高度、间距以及壁厚。这些参数通常对应于技术图纸和CAD模型中所见的尺寸。

连续变量（例如，以毫米为单位的通道宽度）适用于基于梯度的优化方法（例如，序列二次规划、BFGS）。

离散变量（例如，通道数量或翅片行数）通常需要全局搜索技术，如遗传算法、粒子群优化或模拟退火。

应用案例：在给定流速下，为达到目标压降，选择冷板中的最优翅片间距和通道深度。

2、形状优化

形状优化通过细化冷却结构的内部和外部曲面，以改善流动分布或最小化热点。与尺寸优化不同，形状由空间的连续函数（例如，贝塞尔曲线、B样条）描述，这使得设计空间是无限维的。

优化通常采用基于伴随法的灵敏度分析来执行，即计算相对于局部形状扰动的梯度。网格变形或边界变形技术常用于CFD耦合框架中。

应用案例：优化进出口集流管，以减少再循环区并提升平行微通道间的流动均匀性。

3、拓扑优化

拓扑优化通过允许在设计域内任意位置添加或移除材料，提供了最高程度的设计自由度。由此产生的非直观布局可能包含穿孔、内部空腔和分支结构，从而显著提升热工水力性能。

两大主流技术包括：

基于密度的方法：引入一个连续的密度场来插值材料分布。

水平集方法：利用隐函数追踪演化中的界面，从而实现更清晰的几何提取。

这些方法常与惩罚方案（例如，SIMP）结合使用，并需要为满足可制造性进行正则化处理。

应用案例：在空间约束下，设计具有分支或树状通道的散热器，以实现最小热阻。

4、混合与多目标优化方法

在实际应用中，优化往往需要在热阻、压降、重量、成本及可制造性等多个目标之间进行权衡。混合方法将不同技术（例如，先进行拓扑优化，再进行局部形状微调）结合起来，并辅以代理模型来降低计算负荷。

应用案例：针对高过载环境（如航空电子冷却）下的冷板，协同优化其热性能和结构性能。

• 外形尺寸与应用匹配性

较大的冷板自然能提供更大的传热表面积，但最佳效能源于对尺寸、重量和性能需求的平衡。在对重量敏感的应用（如航空航天领域），低质量的复合材料可能优先于高导热性金属。

• 按行业定制化需求

数据中心优先考虑热效率和耐腐蚀性；航空航天领域看重轻量化且耐振动设计；而电信系统则要求在紧凑外形下实现高可靠性。冷板设计必须满足每个行业独特的热管理和机械约束条件。

 冷板液体冷却的优势

• 卓越的传热性能

液体冷却的效率比空气冷却高出数个数量级。由于液体相较于空气具有更高的密度与比热容，实现同等热量传递所需的质量流量显著降低。这一特性使得热设计能够实现紧凑高效的布局，从而应对更高的功率密度。微通道液冷板具备对流传热系数高、极限散热密度大及热阻低的综合优势。

• 实现电子设备紧凑化与轻量化

通过冷却液流动将热量转移至远端，冷板系统减少了电子设备自身对庞大散热器或风扇的依赖。这有助于打造更小巧、更轻便的系统——对于军事、航空航天及移动设备等空间和重量受限的应用场景而言尤为关键。

• 提升电子器件性能表现

热稳定的工作环境使得半导体器件和处理器能够在无需降频的情况下更接近其性能极限运行。在高性能计算、电力电子及射频系统中，这直接转化为处理吞吐量、精度与可靠性的全面提升。

• 支持热量远程排放与回收利用

由于热交换器与电子设备实现了解耦，废热可被远距离排放至机柜外、建筑物外部，甚至可重新导向用于加热其他子系统。这为更大范围系统设计中的热能再利用与能效优化创造了新的可能。

 注意事项与设计权衡

• 系统复杂性与集成开销

尽管电子设备日益紧凑，但液体冷却系统通常需要增加冷板、泵、热交换器和管路等额外组件，这无疑增加了系统体积与复杂性。部分配置还需膨胀罐或压力调节器来管理冷却剂的热膨胀，从而同时增加了设计工作量与系统总成本。

• 泄漏与腐蚀风险

液体冷却系统引入了多种机械连接件（如接头、连接处、管路、钎焊点），这些均构成潜在的泄漏风险。水是一种优良的冷却剂，但存在凝固与沸腾的限制，除非经过乙二醇改性处理。然而，乙二醇会降低冷却液的热容量。替代性冷却剂（如氨或介电流体）或许在性能或电绝缘性方面具有优势，但往往伴随毒性、腐蚀性或可燃性等安全隐患。

• 维护与可服务性

冷板内部依赖狭窄的流道，这些通道长期运行后可能积聚杂质、发生腐蚀或堵塞。大多数冷板的内部几何结构（无论是机加工、钎焊还是3D打印-增材制造成型）是不可现场维护的，因此必须建立前瞻性的过滤、腐蚀控制与系统冲洗方案，以避免不可逆的性能下降。

• 泵送功率

微通道冷板能够实现极高的传热系数与较低的热阻，但其代价是流动阻力的增加。当通过减小通道尺寸来强化散热时，系统压降会显著上升，这就要求配置更大功率的泵并导致能耗增加。在设计过程中，必须对流体网络中的分配均匀性与压降特性进行审慎考量。

 冷板组装：组件与系统集成

一套完整的冷板冷却解决方案不仅限于冷板本身。它还包括一套辅助性的流体分配组件、连接硬件及可选的安全系统，共同确保无缝集成、可维护性及运行可靠性。

图：冷板组装

冷板组件的关键构成部分：

• 冷却液管路

管路将冷板与更大的液冷回路相连，实现冷却液的连续流动。

金属材质选项（如铜、铝）提供机械耐久性及高耐压性。

非金属材质选项（如PTFE、PEX、EPDM）则具备柔韧性及化学兼容性优势。

管路材料的选择必须与冷板的流体连接器类型以及系统要求（如弯曲半径、耐温范围与耐化学性）相匹配。

• 快速接头

快速接头可在进行日常维护或设备检修时，快速隔离冷板与流体管路，而无需排空整个系统内的冷却液。这对于保障数据中心的运行时间与可维护性至关重要。

• 转换连接器（可选）

作为流体管路与快速接头之间的适配器，转换连接器确保了不同几何形状的流体连接器与各类管路标准之间的兼容性。

• 泄漏检测系统

在流体管路和连接器周围缠绕泄漏检测电缆或感应绳，可在发生流体泄漏时实现早期检测与报警。这对于保护下游电子设备，并最大限度减少数据中心等敏感环境中的停机时间至关重要。

 传统冷板制造

冷板采用多种技术制造，包括钎焊、搅拌摩擦焊（FSW）、软钎焊和 O 型圈密封——每种技术根据性能、成本和可靠性需求提供独特优势。钎焊支持高压操作并允许集成翅片结构，但成本可能较高且会导致铜退火，从而降低结构强度。FSW 避免了退火并实现了坚固的整体结构，尽管需要更多的材料和加工时间，增加了总成本。软钎焊更经济且避免了热软化，但可能导致脆性焊点、空洞以及对于某些翅片几何形状（如刮削翅片）的限制。组装方法的选择取决于应用特定的热性能、机械完整性和制造成本之间的权衡。

图：ToffeeX 冷板

 拓扑优化的定制冷板通道

传统冷板设计通常采用横截面几何形状一致的直形或均匀弯曲冷却流道。虽然制造简单，但这类设计存在若干制约冷却效率的性能局限：

传热效率不足

传统流道提供的冷却液与热源间接触面积有限，削弱了对流传热效果，导致热性能难以最优，尤其在高功率或非均匀热通量应用中更为明显。

流动特性受限

传统设计中的急弯与均匀几何形状会引发流动分离与湍流，既限制冷却液流速又增加压降，最终导致流量降低与热传输能力受损。

冷却分布不均

由于标准流道未考虑发热量的空间差异，冷却液会均匀分配而忽略局部热通量变化。这造成高负载区域形成热点，其他区域却过度冷却，既浪费冷却能力又危及系统可靠性。

图：基于拓扑优化的复合冷板热设计

而拓扑优化通过计算算法设计则针对特定热力学与流体动力学目标来定制流体路径。该方法突破几何简洁性的束缚，生成通常仅能通过增材制造（AM）或先进机加工实现的非直观高性能流道架构。从而实现以下优势：

• 强化传热效率

定制优化的流道路径最大化接触面积并精准覆盖高热通量区域，显著提升排热能力。与传统布局相比，可实现更高效、更快速的冷却效果。

• 提升流量与降低压降

通过减少急弯结构与优化流体速度分布，拓扑优化流道有效降低流动阻力。得以在更低泵功下实现更高冷却液吞吐量，同步提升冷却效率与系统能效。

• 组件全域均匀冷却

与均匀流道设计不同，拓扑优化布局使冷却液分配适配局部发热情况，确保温度均匀性，消除热点现象，并充分提升冷板覆盖区域的热利用效率。

最后分享两个来自我国3D打印企业在液冷散热领域的应用案例：

针/片混合结构铜金属3D打印样件
制造商：广东必极科技有限公司

考虑到芯片散热不均匀问题，广东必极科技展示的针/片混合结构3D打印样件，在最大程度提升散热比表面积的同时，能够更有效的针对不同散热区域进行特殊设计，同时通过分流设计，降低流阻。

铜金属3D打印仿生流道样件
制造商：广东必极科技有限公司

通过AI软件自动生成仿生流道，最大限度降低压阻，降低水泵能耗，以此降低整个液冷系统的PUE值。

未完待续

下篇将侧重于分享：金属3D打印带来的制造自由度、液冷冷板设计的关键热考量因素、冷板可靠性测试、新兴市场的未来展望等话题。

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3D打印企业与设计工作室携手，让鞋履创新与个性化制造触手可及。

从耐克、阿迪达斯到安踏、亚瑟士……众多运动品牌已在3D打印鞋领域探索多年。这些鞋子设计独特，穿着体验新颖，但如果从商业模式来看，仍是传统的“品牌设计-生产-销售”闭环。消费者依然只能购买成品，这与传统购鞋体验并无本质区别。

与传统模具制造适合大规模生产不同，3D打印的独特优势在于不受规模限制的灵活性，让小批量定制生产变得经济可行。这为实现个性化消费创造了条件。

最近，3D打印企业拓竹与洛杉矶设计科技工作室Presq的合作，展示了另一种可能：通过发布开源3D打印鞋模型文件，将创造力交还给用户，让每个人都能实现鞋履定制与改造的“自由”。

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上图展示了双方合作上线的首款开源3D打印鞋履设计，从诞生之初就为定制与实验而生。为创作者、设计师和创新者们提供了重塑、改造并塑造属于自己未来鞋款的工具。

首版开源设计文件包括以下内容：

• 基础文件：提供美码男款10号标准文件，并附赠尺寸缩放系数表，适配不同尺码需求
• 优化3D打印方案：专为拓竹H2D打印机优化的.3mf切片文件，推荐采用85A哑光TPE为主材料，PLA为支撑材料，确保支撑易剥离、性能可靠，实现开箱即穿的成品质感
• 可编辑CAD源文件：将基础模型化为创意画布，任由用户添加模块化配件、改变纹理或进行性能调整

设计文件下载地址：
https://makerworld.com/zh/@presq?ref=blog.bambulab.com

了解到，这仅仅是合作的起点。Presq工作室计划每月推出一款全新设计，持续为用户带来可自由探索、可3D打印并赋予个性的创新款式。

图：3D打印鞋模型设计师与用户的互动。

作为洛杉矶的设计科技工作室，Presq致力于构建从概念到实物的完整创作流程。从模块化3D打印鞋履起步，他们正在帮助创作者、社区和品牌将灵感转化为具有文化共鸣的实体产品。

此次合作的深层意义，或许已超越了一双鞋本身。Presq 工作室为用户提供与拓竹3D打印机性能结合的开源、可用的设计模型，一条从想象到实物的路径变得清晰可见，不仅降低了创作门槛，更让个性化制造成为普通人触手可及的体验。

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过去十年中，金属3D打印技术的应用已逐渐渗透进建筑行业，为节点连接件等建筑构件提供创新性的解决方案，但是在大型建筑工程中的应用仍十分有限。

WAAM电弧增材制造通过融化金属丝材，逐层沉积制造所需构件，与SLM金属3D打印技术相比，兼具更高沉积速率与更低材料成本，在大尺度金属部件及整体结构制造领域具有显著优势。WAAM技术所具有的可扩展性和成本效益，决定了它适用于对大型结构件和整体结构具有需求的建筑领域。

香港近期制造并安装了当地首个采用WAAM 3D打印技术制造的大型建筑物——“Weaving Love（织爱亭）”。这是金属3D打印在建筑艺术领域的重要突破。项目组通过融合先进结构分析方法、优化技术与补充物理试验，成功运用WAAM实现了艺术表达的创新设计。

 优化设计，释放技术潜力

Weaving Love项目组指出，建筑领域对于电弧增材制造（WAAM）钢结构应用的研究维度涵盖材料性能、构件与节点力学行为及结构整体性能。然而，将WAAM技术融入结构设计仍面临诸多挑战：逐层沉积工艺因热梯度引发材料各向异性，导致不同加载方向力学性能存在差异，这为刚度与屈曲行为预测带来困难；高沉积速率与热效应会引发几何变异与变形，如局部厚度变化与整体初始弯曲；此外，急剧的热循环会产生传统钢材罕有的显著残余应力，且难以通过热处理有效消除。这些因素共同影响WAAM钢结构承载力。因此，项目组认为，需要通过专项物理试验确定设计参数，包括力学性能材料试验、几何特征三维扫描、构件初始缺陷测试等。

优化技术在WAAM结构设计与建造中具有关键作用，涵盖参数化建模、材料用量与3D打印策略等多维度。将优化技术与WAAM相融合可显著增强其优势并释放全部潜力。

图：香港3D打印Weaving Love（织爱亭）

目前，旨在实现优异力学性能与降低材料用量的先进优化方法已有多种，通过优化设计模型、材料配置及打印策略等方法，可同步提升WAAM结构效率与结构完整性。例如，拓扑优化能创建形态专门适配WAAM材料独特力学性能的轻量化结构，从而提升材料效率与整体结构性能。

据悉，3D打印织爱亭项目组采用了基于NIDA Professional v10软件平台的二阶直接分析法。这一先进结构设计方法，实现了不依赖有效长度等经验假设的稳健优化设计。此外，打印路径优化可提升制造效率，减少生产时间与材料浪费。项目旨在通过上述优化技术实现高力学性能与低材料损耗的平衡，展现WAAM与先进优化技术协同创造高效可持续设计的潜力，最终印证该组合技术在现代工程中孕育创新解决方案的能力。

图：整个项目周期中所应用的先进优化技术

作为WAAM技术在香港建筑界的开创性实践，项目组在应对上述挑战的同时证明了这一技术的工程可行性。WAAM 3D打印亭子宽5.0米、长4.8米、高3.55米，总重2.64吨，是香港首个全尺寸金属3D打印建筑结构。亭身部分由S308L不锈钢材料“编织”而成的复杂图案组成，既展现了WAAM能够实现的几何自由度，也彰显了通过这一技术实现革新结构设计的潜力。

项目组揭示了这一作品从方案构思至竣工的全过程，呈现推动项目成功的技术创新、设计策略与协同机制，为工程中的应用实践提供了重要参考。

 设计与概念

“织爱”展亭作为香港首个采用WAAM技术建造的3D打印金属结构，其设计灵感源自新娘头纱的柔美形态与象征意义，通过1312个心形结构传递永恒爱意的文化内涵。设计过程历经概念构思、建筑布局、实体膜结构、密网格模型、初步模型到最终优化模型的六个迭代阶段，融合参数化建模、拓扑优化与二阶直接分析等先进技术，在保证结构稳定性的同时实现材料减量31.2%。展亭采用三层编织结构体系，通过精准控制42° 3D打印倾角平衡了结构性能、制造可行性与视觉通透性，并运用光影交互设计营造昼夜变化的浪漫氛围，最终成就了这座融合数字建造、结构美学与文化寓意的创新典范。

图：（a）为3D打印织爱亭的全景；（b）亭子的非重复性肌理，以精妙美学形态实现结构功能一体化。

图：3D打印亭子设计开发流程图。

几何微调：沉积速率、表面质感与可打印性

“织爱”展亭的几何设计需经过精密微调，以确保美学表现与结构完整性的统一。项目组重点优化了沉积速率、表面纹理、可打印性及打印路径等关键参数。这些参数的协同调控保障了复杂数字设计向物理实体——兼具结构稳健性与视觉冲击力——的精准转化。

沉积速率优化

沉积速率直接影响建造时长、材料效率与成型精度。本项目通过协调送丝速率与焊枪移动速度，在保持图案精密度的同时实现均匀沉积，达成效率与精度的最佳平衡。

表面纹理与焊道几何形态

通过将送丝角度优化为竖直方向20°-60°区间，有效控制焊道形态与表面成型质量。超出该阈值易导致波纹或失稳现象，印证了精确控制对实现光滑表面与结构可靠性的必要性。

为验证表面质感与沉积速率的工艺适配性，项目组在研发阶段制作了多组打印试件，通过评估试件的表面纹理、焊道几何形态及材料综合可打印性，为WAAM工艺的最终调整提供依据，确保表面纹理符合美学标准，且沉积速率实现速度与质量的协同优化。

图：研发阶段制作的打印试件

可打印性与逐层沉积控制

项目组采用机械臂配合实时焊枪调控实现逐层沉积，并通过阶段式三维扫描验证尺寸精度，确保与数字模型吻合。针对复杂几何形态的打印难点，通过分段分析将展亭分解为可操作单元。关键策略包括：将打印倾角控制在42°以内以防止悬垂结构物料滴落，同时采用兼顾结构完整性与制造可行性的优化分段案，从而精准复现心形母题与流线形态。

打印路径优化

打印路径（即沉积头的轨迹规划）对实现复杂几何形态至关重要。项目组通过45°-50°-55°坡度打印试验评估竖壁质量并优化特殊几何参数。主要改进包括：将壁厚调整为4mm以确保稳定性；通过试件打印与焊缝试验验证沉积均匀性；微调焊枪速度与送丝速率以抑制热变形。算法化路径优化实现了：(a)减少急转路径以降低残余应力；(b) 保持连续沉积确保层间结合均匀；(c) 避免机械臂与已打印构件干涉。这些措施共同促成了项目组以前处理最小化方式完成该复杂大型金属结构的建造，这也彰显了WAAM技术在建筑创新领域的应用潜力。

图12 3D打印坡度试验显示＜45°为最优打印几何条件。

 结构分析与设计

项目组针对WAAM工艺特有的材料各向异性、几何变异和初始缺陷等挑战，开展“织爱”展亭的结构设计。他们通过采用99.7%统计接受率的材料验证标准、三维扫描几何控制及构件物理试验数据，建立了以二阶直接分析法为核心的结构体系。基于308L不锈钢材料试验确定的232MPa设计强度，结合考虑P-Δ与P-δ效应的非线性分析，成功解决了复杂曲面结构在2.9kPa风压及±35℃温变等多工况下的稳定问题，最终实现结构性能与艺术形态的有机统一。

图：压缩测试：（a）取样位置；（b）测试样本。

 增材制造过程

项目组通过严格规划与精密控制确保尺寸精度、结构完整性与美学品质。以下是制造流程的详细概述。

机械臂规格与配置

制造系统采用两个机械臂工作站，各配备八轴旋转平台，其可打印尺寸分别为：

• 工作站1（RS-R1）：3.1(长)×3.1(宽)×6.6米(高)
• 工作站2（RS-L2）：4.0(长)×2.0(宽)×2.0米(高)

该配置在保证精度的同时实现了大尺度构件制造。

图：八轴机械臂3D打印工作站。

打印仿真与准备

项目组在正式打印前进行了多轮仿真优化，针对S1至S5分段重点验证打印参数可行性与工艺可靠性。

现场监测与控制

通过实时监测系统动态调整打印参数，重点监控：

环境条件：湿度44%-50%，全程温控保障

机械参数：动态调节电压、电流、送丝与移动速度

材料沉积：采用1.2mm ER308L不锈钢焊丝，精确控制沉积速率

尺寸验证：通过阶段式三维扫描确保与数字模型吻合

图：实时监测与控制系统

分段制造与组装

基于优化分段方案，各分段经独立打印与后处理确保质量。关键步骤包括：

分段分析：控制打印倾角并保障结构连续性

后处理：打磨、喷砂与防锈处理

组装验证：分段经三维扫描校验，采用定制金属框架按结构曲率组装。工厂完成600余处MIG/TIG焊点，经焊缝检测与荷载试验确认结构性能。

图：3D扫描与外观检查。

在亭子建造完成之后，项目组在现场安装环节依托前期的精密规划与四维模拟，实现了单日高效吊装，将施工对建筑运营的干扰降至最低。

 成果与未来启示

项目组指出，经与传统数控机床加工量化对比，本项目实现施工周期缩短52%、成本节约67%、材料浪费降低80%。关键技术突破包括42° 3D打印倾角优化、复杂几何形态分段策略及严格材料验证，共同保障了美学表现、耐久性与结构安全的平衡。竣工后三维扫描质量验证显示：经去噪处理的点云数据中98.9%以上区域与设计模型偏差控制在±10mm范围内。

 经验与挑战

本项目为WAA金属3D打印技术应用于建造大型复杂几何建筑结构领域带来了启示。这类建筑结构通常是传统热轧等制造工艺难以实现的。项目开展过程中值得借鉴之处包括：设计与建造阶段全程贯通的优化方法；二阶直接分析法在3D打印金属结构中的成功实践；结合三维扫描尺寸校验的分段制造策略。

项目组还指出，现行设计规范中材料力学性能标准缺失是目前该技术应用中仍存在的挑战。出于保守设计原则，项目组采用限定接受率范围内拉伸试验最弱值作为设计依据。此外，最优打印参数与策略的确定仍具耗时性与高成本特性。为推动金属3D打印技术在常规建筑中的普及，亟需建立包含结构设计参数与标准化打印工艺的完整指南。

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在人类对清洁能源与可持续飞行的不懈追求中，有一个看似简单却极其棘手的难题：如何让飞机摆脱对化石燃料的依赖，又不至于因为能源设备过于笨重而根本飞不起来？

要知道，如果将一架普通客机的70吨航空燃油，替换成同等能量容量的锂电池，飞机的重量会飙升到惊人的3500吨——这样的“电飞机”恐怕连离开地面都成问题。

传统的燃料电池也面临同样的困境：虽然该技术清洁高效，但也因大量金属部件的使用而“体重超标”，长期无法在航空航天这一“斤斤计较”的领域大展拳脚。

然而，这个僵局最近被一项来自丹麦技术大学（DTU）的突破性研究打破了。

 完整的陶瓷单体结构
     没有任何密封材料

一支由材料科学家和机械工程师组成的跨学科团队，从大自然中汲取灵感，运用前沿的3D打印技术，成功研制出一种名为“单体陀螺体固体氧化物电池”的全新燃料电池。

这项发表在《自然·能源》杂志上的成果首次让燃料电池的“比功率”（每克重量产生的功率）突破了1瓦/克的大关，达到了航空航天应用的门槛。

而且，可逆固体氧化物燃料电池支持在发电和储能（电解）模式之间切换。当切换到电解水模式（将电能转化为氢气）时，其产氢速率更是达到传统设计的近10倍。

传统SOC（固体氧化物电池）多采用平面或管式二维结构，依赖金属连接件和密封组件，导致系统重量大、体积笨重、结构复杂。

而在本次的技术突破中，研究人员开发出了单体化、无金属连接件的SOC结构，显著提升了其重量比功率、体积功率密度和稳定性。

这项技术的核心奥秘，藏在一个名为“陀螺体（Gyroid Geometry）”的奇妙几何结构中。

当我们仔细观察蝴蝶翅膀的微观结构，或者某些海洋生物（如珊瑚）的外形构造时，可能会惊叹于这些从自然界中诞生的“轻质高强度”技术。

图：蝴蝶翅膀上的天然螺旋结构（a）（b）

来源：DOI: 10.1126/sciadv.1600084

陀螺体是一种“三重周期极小曲面”，它在数学上可以被证明是在给定空间内实现最大表面积的最优结构之一。工程师们已经利用类似的原理设计了高效的热交换器。

而DTU的研究团队则是世界上首个被报道的成功将这种三维几何结构应用于电化学能量转换装置（即燃料电池）的团队。

他们采用高精度的陶瓷3D打印技术，用氧化钇稳定的锆石（8YSZ）粉末、光敏树脂等材料，一次性打印出整个具有陀螺体结构的电解质框架。

这个框架本身既是离子传导的电解质，又是支撑整个电池的坚固骨架。然后，他们通过湿化学涂覆技术，分别在框架的两侧“迷宫”通道内壁上涂上燃料电极和氧气电极。

最终形成的电池是一个完整的陶瓷单体结构，没有任何金属连接件或密封材料——而这正是传统燃料电池重量的主要来源（占比超过75%）。

图：平面固体氧化物电池（a）（b）与3D固体氧化物电池（c）（d）

来源：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01811-y

 航空航天级的比功率

这种“全陶瓷”的“单体”设计带来了革命性的优势。

首先，它轻巧紧凑。陀螺体结构赋予了它优异的比表面积，使得电化学反应可以在更小的体积内更高效地进行。

测试结果表明，这种新型电池在燃料电池模式下的功率密度超过1 W/g和3 W/cm³，首次达到航空航天应用所需的比功率指标。

这意味着，为同样功率的设备提供能量，新型电池的重量和体积可以大幅缩减。

其次，它的性能强悍。该电池结构中多孔的陀螺体通道让燃料和空气能够高效流通，热量分布也更均匀。

当切换到电解水模式（将电能转化为氢气）时，其产氢速率更是达到传统设计的近10倍。

同时，研究人员还对该电池进行了严苛的考验：在100摄氏度的温度剧烈波动下反复运行，并快速在发电模式和电解模式之间切换。

结果显示，该陶瓷电池展现出了良好的韧性，没有出现任何结构损坏或分层迹象。这种动态稳定性对于实际应用至关重要，尤其是在工况复杂多变的航空航天环境中。

除了性能卓越，其制造过程也更为简化。

传统燃料电池堆栈需要几十个制造步骤和多种材料，而这种单体陶瓷设计仅需三个主要步骤：3D打印、电极涂覆和共烧结。

这不仅降低了制造的复杂性，也为未来的定制化和现场生产提供了可能。

目前锂电池和燃料电池在航空航天领域应用受限，但本次新型燃料电池设计则有望改变这一现状——它首次展示了航空航天所需的瓦特与克的比值（或称比功率）。

研究团队指出，这一研究对于太空探索尤为关键。以美国宇航局（NASA）著名的“火星氧气原位资源利用实验”（MOXIE）为例，该设备目前需要依赖重达6吨多的传统燃料电池堆栈在火星上从二氧化碳中制取氧气。

而如果采用DTU的这种新型3D打印电池，实现相同性能的设备重量有望降至800公斤以下。这对于需要将每克重量都付出巨大代价才能送入太空的航天任务来说，无疑是好消息。

展望未来，研究人员希望通过使用更薄的电解质、用银或镍等更便宜的材料替代铂作为电流收集器，以及进一步优化结构，性能还有巨大的提升空间。

通过模仿自然的智慧（仿生设计）和拥抱数字制造（3D打印），研究人员创造出了更轻便、更高效、更坚固的能源装置，为航空航天绿色能源应用开辟新路径。

Reference：

[1]https://www.nature.com/articles/s41560-025-01811-y#citeas
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1098626
[3]https://interestingengineering.com/energy/3d-printed-fuel-cell-for-jets
[4]https://www.stdaily.com/web/gdxw/2025-09/22/content_405215.html
[5]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1600084

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增材制造陶瓷技术正在彻底改变空间通信系统中微波电子元件的设计和生产。陶瓷材料因其优异的电磁性能、高热稳定性和卓越的机械强度而成为此类设备中不可或缺的一部分。通过增材制造，可以更精确地控制陶瓷材料的形状和尺寸，使其能够满足微波电子元件对高精度和性能的严格要求。此外，电磁屏蔽元件在减轻电磁干扰、确保信号稳定传输方面发挥着至关重要的作用。增材制造陶瓷的使用提供了一种优化绝缘性能和增强屏蔽效果的新方法。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 增材制造滤波器

陶瓷材料具有极高的化学稳定性和耐腐蚀性，使其适合在恶劣环境条件下长期用于滤波器。此外，介电材料与增材制造的集成促进了广泛的εr。这是由于相同的介电材料能够实现不同的εr通过修改孔径、形状和层次结构等参数，从而实现陶瓷滤光片的定制，以满足特定要求并优化滤波效率和精度。由此设计一种使用基于光刻的陶瓷制造(LCM)技术的增材制造单片介电波导滤波器。图显示了该滤波器设计用于在11.5 GHz和850 MHz带宽下工作，该滤波器是使用单件式介电圆盘制造的，该电介质圆盘经过镀银以模仿传统金属外壳的功能。LCM技术提供了设计灵活性，无需定制模具，并允许更精确的制造。陶瓷结构金属化利用陶瓷的耐高温性、耐腐蚀性和绝缘性能，同时结合金属的高强度和导电性，从而优化功能。

图1. (a)四阶介电波导滤波器,(b)基于四阶半球谐振器的BPF,(c)C波段三分滤波器。

 增材制造谐振器

谐振器是一种能够在特定频率下稳定振荡的电子设备，广泛应用于频率生成、信号处理等应用。微波和高频信号通常用于卫星通信和雷达系统，介电谐振器的高稳定性和高Q因数使其成为这些系统的理想选择。介电谐振器的功能基于介电材料对电磁波的响应。εr材料的传播速度决定了这些波的传播速度，而谐振器中使用的介电材料的尺寸、形状和特性会影响其谐振频率。通过增材制造，可以根据各种要求设计和制造小型化、高性能的介电谐振器，从而优化雷达信号的传播和反射特性。这种方法可以实现更定制、更精确和更具成本效益的介电谐振器制造。

图2. (a)天线结构示意图,(b)三模谐振器,(c)单轴各向异性介电谐振器天线。

 增材制造传感器

增材制造传感器具有可定制和复杂的几何形状和架构的优势，当与陶瓷材料的压电、热电和压阻特性相结合时，可实现高精度和高性能的传感应用。压电陶瓷传感器以其独特的机电耦合行为为特点，在航空航天领域发挥着越来越重要的作用。它们提供对压力、温度和振动的精确监测，广泛用于监测发动机、机身和航空航天系统其他关键部件的运行状态。由于陶瓷材料固有的脆性，柔性陶瓷的发展已成为研究的重点。为此开发了使用DLP AM的柔性陶瓷复合压力传感器，其中结合了BaTiO3将MWCNT转化为光固化树脂，以优化介电性能和机械柔韧性。如图所示，设计了沙漏形应力集中结构来提高灵敏度。有限元分析和实验证实，在较宽的压力范围内提高了线性灵敏度，证明了DLP在高性能柔性传感器中的可行性。

图3. (a)柔性电容式压力传感器,(b)柔性压电复合材料及小型机器人示意图。

 总结

增材制造陶瓷可以定制陶瓷特性，例如高耐热性、低导热性和出色的电磁屏蔽，使其非常适合通信系统、雷达和热保护等航空航天应用。与传统制造相比，增材制造对于复杂的陶瓷部件具有显着的优势，为创建复杂的几何形状和轻质结构提供了更大的设计灵活性。这在航空航天领域尤其有价值，因为重量减轻可以显着提高燃油效率和性能。增材制造还支持组件集成，将结构完整性、热阻和电磁屏蔽等多种功能组合到一个零件中，从而减少零件数量并简化组装。这些技术还允许根据性能反馈进行快速原型设计和设计调整。

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在通向异质/梯度材料的工程化应用之路上，尚存在诸多挑战，指引着我们共同思考一个问题：我们是否已经准备好了一套从“设计-制造-性能评估”的完整技术生态系统，来真正驾驭材料在微观尺度上的自由“编程”？

论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/adf69e

作者
王迪，刘林青*，唐锦荣，刘洋，韦超*，翁徵潇，邵家伟，谭华，周伟，Bram Neirinck，Nicolas Gianfolcaro，杨永强，韩昌骏*

机构
华南理工大学，宁波大学，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，西北工业大学，厦门大学，比利时Schaeffler Aerosint SA

 1.文章导读

激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）能够精确控制材料在零件内部的分布，为精细、复杂结构异质/梯度金属材料构件的高性能、多功能性主动设计提供了创新途径。因此，异质/梯度金属材料LPBF成形技术已成为近年来金属增材制造技术创新的前沿热点之一。

近期，华南理工大学杨永强教授、王迪教授团队、中国科学院宁波材料技术与工程研究所韦超教授团队、西北工业大学谭华教授团队、厦门大学周伟教授团队、宁波大学刘洋教授团队以及比利时Schaeffler Aerosint SA公司团队，在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上联合发表了题为“Recent advances on additive manufacturing of heterogeneous/gradient metallic materials via laser powder bed fusion”的文章，系统综述了异质/梯度金属材料LPBF研究的最新进展，重点介绍了异质/梯度材料LPBF制造方法、界面缺陷与工艺调控、创新设计及潜在应用等方面，最终对异质/梯度材料LPBF技术进行了展望，旨在为异质/梯度金属材料LPBF技术的发展与研究提供思路与启示。本期谷·专栏文章将对该文进行简要分享。

图1 异质/梯度金属材料LPBF技术概述。

 2. 图文解析

（1）异质/梯度材料LPBF成形方法

目前，异质/梯度材料种类主要可以分为Z向异质材料、Z向梯度材料、XY向梯度材料和三维异质材料。其中，三维异质材料LPBF成形方法允许零件内部的材料沿XYZ三维方向进行定制性变化，增加了材料在3D空间上分布的自由度，从而实现构件多样化性能/功能的主动设计。三维异质材料LPBF技术的实现方式主要包括两种途径：（1）在单层打印过程中，首先激光扫描凝固一种粉末材料，然后去除未熔化的粉末并铺设另一种粉末；进一步进行激光扫描打印，最终实现不同材料在同一层内进行打印（如图2）；（2）直接将不同粉末按照定制化的图案预置在粉末床上，并通过激光一次性对粉末床上的两种粉末进行扫描熔化、凝固成形，而不需要单独的粉末去除步骤（如图3）。

图2 基于全幅面吸粉和铺粉的三维异质材料LPBF成形方法。

图3 基于选择性粉末沉积的三维异质材料LPBF成形方法。

（2）界面缺陷与工艺调控

优化界面激光工艺参数和材料打印顺序、定制化界面过渡区（例如，引入中间层材料或成分梯度材料）、改变激光能量分布（例如，激光整形）、采用界面重叠策略以及热等静压（HIP）后处理已被证明可有效减少界面缺陷并提高界面结合强度。此外，在异质材料界面处主动设计互锁结构有利于增加不同材料之间的接触面积，并约束平行界面方向上的自由度，从而提高界面结合强度（如图4）。

图4 异质材料界面互锁设计以提高界面结合强度。

通过在供粉仓中采用倾斜的粉末隔板可实现沿水平方向连续成分梯度的粉末供给，进而实现XY方向梯度材料的LPBF成形。成分的连续梯度变化可实现晶粒形貌、尺寸和织构的连续变化，保证其机械性能和导热/导电性能的平滑过渡（如图5）。

图5 水平方向成分梯度材料的微观组织与性能。

（3）创新设计与潜在应用

材料布局和创新结构设计的协同可激发异质材料LPBF技术在成形复杂异质材料结构方面的潜力，从而实现金属构件性能和功能的多样化、高度定制化。对金属晶格结构的几何形状和材料布局设计可以实现局部或定向的定制化热行为，以解决在热辅助结构中（例如太空望远镜中的反射镜架结构等）实现零热膨胀的挑战（如图6）。

图6 通过材料布局与结构设计实现316L/CuCrZr晶格热膨胀行为调控。

近年来，异质材料零件由于其多功能/性能的集成特性，在航空航天、生物医疗等领域展现出巨大的应用潜力。德国Fraunhofer IGCV利用LPBF成功制造了燃烧室、涡轮散热器和火箭发动机的演示零件（如图7a-c）。图7c所示的火箭发动机演示零件的高温暴露区域由铜制成，而承受高载荷的部分由高强度钢组成。此外，外部的铜翅片可作为冷却和支撑结构，这种设计理念使该火箭发动机在能效提升、可靠性保证方面比传统发动机更有潜力。与完全由镍基合金制成的单一材料零件相比，在燃烧器喷嘴中引入铜基合金可以使理论上的热交换性能提高36%，如图7d所示。在内燃机喷油器的冷却通道附近引入铜合金可显著改善热流分布，提高注射喷嘴的导热性，进而增加其工作寿命，如图7e。

图7 异质材料零件的潜在应用。

 3. 总结与展望

虽然目前异质/梯度材料的LPBF技术取得了重要研究进展，但仍存在以下几个方面的挑战：（1）异质/梯度材料LPBF模型的生成过程繁琐，目前不同材料模型大多依赖于人工分割与组合；（2）适用于异质/梯度材料LPBF过程的专用控制软件系统开发仍需进一步研究；（3）LPBF过程中零件不同材料区域成分的交叉污染问题；（4）相比单一材料LPBF，异质/梯度材料的LPBF成形效率仍需进一步提高；（5）界面缺陷的抑制与界面结合性能提升；（6）不同材料的热物理性质和冶金特性差异会加剧界面应力应变行为的复杂性，目前该方面仍缺乏关注；（7）混合粉末的循环利用与回收仍是该技术实现工程化应用的前提条件之一。未来潜在的发展方向包括异质/梯度材料的材料布局与结构设计、异质/梯度材料LPBF过程仿真、借助机器学习等方法预测和优化界面成形质量、引入外场辅助增强界面结合、热处理提升界面结合性能、标准化评估方法与体系建立（材料/工艺/性能/后处理）等。

论文引用

Wang D et al. 2025. Recent advances on additive manufacturing of heterogeneous/gradient metallic materials via laser powder bed fusion. Int. J. Extrem. Manuf. 6 062007.

作者介绍

杨永强 华南理工大学

杨永强，华南理工大学机械与汽车工程学院教授/博导。现任中国机械工程学会增材制造分会常务理事、中国机械工程学会生物制造分会理事、广东省增材制造协会会长、广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长等。在增材制造（3D打印）、激光材料加工等方面做了大量的研究工作，开发出Dimetal系列激光选区熔化金属3D打印设备，相关成果已经产业化。发表相关学术论文300余篇，专著8部。申请专利360余件，其中授权发明专利65件。获省部级奖励4项，多次入选ESI高被引学者。

王迪 华南理工大学

王迪（第一作者），华南理工大学机械与汽车工程学院教授/博导，长期从事金属增材制造工艺优化、装备开发与应用等研究工作。入选国家级青年人才计划、获得广东省杰出青年基金和省特支计划高层次人才等荣誉。主持国家重点研发计划课题2项、国家自然科学基金项目5项等。以第一/通讯作者发表论文100余篇，获省技术发明奖一等奖（排2）、省科技进步二等奖2项（排1，2）、省专利奖银奖等，授权国际/国内发明专利40余件，专利转化20余件，参与增材制造国家标准制定15项。2015至今连续八年担任全国增材制造青年科学家论坛共同主席，担任全国增材制造标准化技术委员会委员、全国特种加工机床标准化技术委员会委员、中国机械工程学会特种加工分会理事等。

韦超 中国科学院宁波材料技术与工程研究所

韦超（通讯作者），研究员，现任中国科学院宁波材料技术与工程研究所激光极端制造研究中心副主任，本科毕业于南京航空航天大学，硕士及博士毕业于英国曼彻斯特大学，主要研究领域包括多材料粉床增材制造、难加工材料激光复合加工。韦超是多材料粉床增材制造的技术发明者之一，在国际上较早实现了复杂三维多材料零件一体化成型，2023年入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单。2022年回国至今，围绕国家重大需求领域开展先进激光制造技术应用研究，作为项目负责人主持国家重点研发计划、军科委重大项目、中国科学院先导专项项目等科研任务，在研国拨项目经费约1亿元。现任《极端制造（英文）》国际期刊青年编委、中国机械工程学会极端制造分会委员，任英国机械工程师学会特许工程师及英国激光用户协会青年委员会委员。

韩昌骏 华南理工大学

韩昌骏（通讯作者），华南理工大学机械与汽车工程学院副教授/博导。长期从事激光增材制造研究，入选中国科协青年人才托举工程。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金（面上/青年/国合）、装备预研领域基金等国家/省部级课题10余项，获第一届全国博士后创新创业大赛金奖、广东省科技进步二等奖等。以一作/通讯在Adv. Mater., Int. J. Mach. Tool. Manu. Int. J. Extre. Manu.等SCI期刊发表论文50余篇（ESI高被引6篇，11篇影响因子>10）。担任中国有色金属学会增材制造技术专委会委员，中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员、Virtual and Physical Prototyping编委，International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing Frontiers 等期刊青年编委。

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自然界的介观结构是亿万年优化的“超材料”，而仿生科学的使命，是以工程智慧解码其物理本质，重塑人类技术边界。本期谷·专栏分享的研究成果，不仅为毛细流体学开辟了新范式，更预示着一个自驱动、低能耗、高通量的流体技术新时代。

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”

在毛细管作用的驱动下，液体接触超亲液粗糙表面时会自发扩散到纹理中；这被称为毛细管芯吸，在微流体、自清洁表面设计和芯片实验室技术等中广泛应用，具有重要意义。然而，由于缺乏制造技术，介观尺度粗糙度下的吸液现象研究甚少。受生长于南美的小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的启发，来自中科院的研究团队利用3D打印技术制造模拟了介观毛状体阵列，并研究了高通量毛细管芯吸过程。与微纹理表面上均匀厚度的攀爬膜不同，毫米级长度和亚毫米间距的毛状体的间隔填充会形成厚度不均匀的薄膜。与微纹理表面占主导地位的粘性耗散不同，文章揭示了一种惯性主导的过渡区，具有介观芯吸动力学，并构建了一个标度律，使得高度在不同条件下增长到时间的三分之二次方。最后，研究团队拟植物的营养供应方式，研究了非均匀厚度薄膜内部的质量输送，并在薄膜中实现了开放系统虹吸，其通量饱和条件由实验确定。这项工作探索了介观结构中的毛细管芯吸，并在低成本高通量开放流体系统的设计中具有潜在的应用价值。

 主要内容

01 自然界的流体大师：小太阳瓶子草

在南美洲的云雾森林中，一种名为小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的食虫植物悄然生长。它的瓶状叶片内壁布满密密麻麻的毫米级毛状体，这些看似简单的结构，却是自然界历经亿万年进化而来的流体传输神器。

研究发现，当雨水或露珠落入瓶内，液体会在毛状体阵列上自发形成润滑层，不仅帮助瓶子草诱捕昆虫，还能高效排出多余水分，防止瓶内积水腐烂。这种介观尺度 (毫米级长度+亚毫米间距) 的毛状体结构，完美平衡了毛细作用与流体惯性，成为科学家破解高通量流体传输难题的新钥匙。

科学冷知识！

传统微流体器件依赖微观结构 (微米级)，但受限于低流量；而宏观管道又需要外部泵驱动。小太阳瓶子草的介观结构恰恰填补了这一空白！

小太阳瓶子草的表征

02 科学突破：3D打印仿生毛刷阵列

中科院团队用紫外光固化3D打印 (精度18微米！) 复刻了猪笼草的毛状体结构。

仿生毛状体阵列毛细管芯吸的微观视图与膜厚度分析

通过实验，他们发现了三个颠覆性现象：

1. 非均匀液膜：打破传统认知

在微观纹理表面上，液体通常形成均匀厚度的攀爬膜。但仿生介观毛刷阵列上，液体却呈现“上薄下厚”的非均匀分布，形如悬链线 (即两端固定自然下垂的曲线)。这种结构能自发形成压力梯度，底部高压推动液体向上输送，顶部低压则维持流动稳定性。

弯月面轮廓受力分析

2. 惯性主导区：新标度律诞生

传统毛细理论认为，液体爬升高度 (H) 与时间 (t) 的关系遵循卢卡斯-沃什伯恩方程 (H∝t¹/²)，即粘滞力主导。但团队发现，介观毛刷上的液体在过渡区竟呈现H∝t²/³的关系，证明惯性力才是关键驱动力！这一发现为高通量流体设计提供了全新理论框架。

3. 开放虹吸：无泵自驱动

团队将毛刷阵列弯曲成n形，打造出无需封闭管道的开放虹吸系统。实验显示，其流量可达传统虹吸的3倍，且仅靠毛细力即可跨高度输水。更妙的是，通过调节入口高度差 (hₘ)，还能实现流量精准控制——这一特性在微灌溉和芯片散热中潜力巨大。

绒毛阵列改性装置的毛细汲水效果对比

为什么重要？

现有微流体技术依赖复杂泵阀，而猪笼草仿生方案仅需结构设计即可实现自驱动、高流量、低能耗的流体操控！

03 仿生应用：从实验室走向产业

这项发表于Biomimetics 的研究，不仅揭示了自然界的流体奥秘，更催生了一系列颠覆性应用：

1. 芯片散热：告别风扇与水泵

电子器件发热是制约算力提升的瓶颈。仿生毛刷阵列可通过毛细作用自动输送冷却液，且流量远超微流道。未来手机或服务器可能内置“电子猪笼草”，静默高效降温。

2. 农业灌溉：零能耗输水系统

在干旱地区，开放虹吸结构能利用昼夜温差凝结露水，并通过毛刷阵列自动输送到作物根部，减少90%的能源消耗。团队已在实验室模拟沙漠环境测试成功。

3. 物质传输：仿生“植物静脉”

通过溶解营养物质 (如糖、盐) 的实验，团队发现非均匀液膜会优先在薄层区蒸发，使溶质定向结晶于顶部。这一机制可应用于药物缓释贴片或微反应器设计。

 结论与展望

本研究通过仿生设计与3D打印技术，成功复现了小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的介观毛状体结构，揭示了其毛细芯吸过程中的惯性主导机制与非均匀液膜动力学，并建立了高度-时间标度律 (H∝t²/³)，填补了介观尺度流体传输的理论空白。本研究提出的介观毛细理论证明，毫米级结构可通过惯性效应实现高通量、自驱动的流体传输。基于此开发的开放虹吸系统，无需外部泵驱动即可达成3倍于传统虹吸的流量，为微流控、芯片散热及农业灌溉等领域提供了革新性解决方案。

当科学家向自然提问，答案早已写在亿万年的进化里。自然界的介观结构是亿万年优化的“超材料”，而仿生科学的使命，是以工程智慧解码其物理本质，重塑人类技术边界。这项研究不仅为毛细流体学开辟了新范式，更预示着一个自驱动、低能耗、高通量的流体技术新时代。

转载自：MDPI工程材料

原文出自 Biomimetics期刊
Chen, F.; Cheng, Z.; Jiang, L.; Dong, Z. Capillary Wicking on

Heliamphora minor-Mimicking Mesoscopic Trichomes Array. Biomimetics 2024, 9, 102.

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