德国增材驱动公司（Additive Drives）凭借其革命性的无稀土高性能电机技术，刚刚完成新一轮数千万欧元级融资，由丹麦北欧阿尔法基金领投，原投资方AM Ventures持续加注。

 为什么这项技术具有颠覆性？

摆脱稀土依赖！

该公司采用了#感应电机 路线，结合#金属增材制造 工艺，在不使用任何稀土材料的情况下，实现高达98%的能效等级（超越国际最高标准IE5，实际达IE7水平），将能源损耗降低70%。

 改写感应电机性能

根据 的了解，传统感应电机因转子存在电阻损耗和磁场较弱的情况，效率通常低于永磁电机。但Additive Drives通过增材制造设计思维驱动的产品创新，克服了感应电机的电阻损耗挑战。

据报道，该公司使用#金属3D打印技术 制造电机的冷却结构、轻量化拓扑优化部件等，从而提升电机效率（宣称达98%）、推重比和散热性能。这些创新集中在电机结构设计和制造工艺上，而非依赖稀土材料提升磁性性能。

本轮融资的核心目标是加速推动在该公司在全球人工智能数据中心、量子计算、电动交通等能源密集型行业的快速渗透。建设规模化产能，满足空中客车、宝马、奥迪等全球巨头客户的订单需求强化欧洲在关键工业技术领域的战略自主权。

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根据 的市场观察，增材制造（Additive Manufacturing, AM）正在重塑高端制造业的格局，但金属3D打印过程中复杂的物理化学变化——从激光与粉末的相互作用到熔池的快速凝固——充满了不确定性。在没有实时监测的情况下，这些”黑箱”过程可能导致气孔、裂纹、未熔合等致命缺陷，使价值数万美元的航空发动机叶片或骨科植入物沦为废品。

现代传感技术正在将增材制造从”事后检测”推向”过程控制”的新纪元。一套完善的传感系统不仅能实时捕捉制造异常，更能通过数据闭环实现工艺自优化，成为金属增材制造的”感官神经”。

▲自主增材制造的新时代
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 迈向自主增材制造新时代！

增材制造技术虽已在航空航天、医疗、能源等高端领域展现出变革性潜力，但认证（Qualification & Certification）始终是制约其规模化应用的最大瓶颈。传统减材制造历经数十年建立了完善的认证体系，而增材制造的”逐层累加”特性带来了独特的挑战：内部缺陷隐蔽、工艺窗口狭窄、批次一致性难以保证。

在这一背景下，传感器不再仅是质量控制的工具，而是构建认证可信度的核心基础设施。它们提供的连续、可追溯、可验证的数据，正在成为监管机构认可增材制造零件的”数字证据链”。

落到操作层面，国际上，SynaCore数字孪生体AM-DT的多模态仿真模型与AI算法，能预测3D打印零件的微观组织、机械性能等，并根据所预测的包含析出相的微观组织进一步预测热处理结果。正如人类的大脑可以同时处理不同模态的信息，SynaCore的数字孪生软件平台将机器、材料和工作流程同步为一个单一的自适应核心，从而减少浪费，加速创新周期。通过SynaCore，用户在打印前可通过数字孪生软件完成“虚拟试印”，显著减少实验轮次和试错成本。

正如大脑与眼睛、耳朵等器官以及神经系统的结合才能做出更好的预测与行动一样，增材制造设备正朝着标配智能传感系统的智能化方向进化。

l 核心传感技术矩阵：构建多维监测网络
1.1 光学传感系统：熔池行为的”显微镜”

高速红外热成像（High-Speed IR Thermography）

• 核心功能：以每秒数千帧的速度捕捉熔池温度场分布，监测温度梯度、冷却速率等关键热历史参数
• 技术参数：典型帧率1-10 kHz，温度分辨率<2°C，空间分辨率可达50μm
• 关键价值：识别熔池不稳定、球化现象、过熔/欠熔等缺陷前兆

可见光高速摄像（High-Speed Visible Imaging）

• 核心功能：记录熔池形貌、羽流（plume）行为和飞溅（spatter）动态
• 创新应用：结合机器学习算法，可实时分类飞溅类型（惰性飞溅vs氧化飞溅），预测层间污染风险

近红外/短波红外相机（NIR/SWIR Cameras）

• 独特优势：穿透金属蒸汽和等离子体羽流，获得更清晰的熔池边界图像，适用于高功率激光加工监测

1.2 声学传感系统：过程稳定性的”听诊器”

声发射传感器（Acoustic Emission, AE）

• 监测频段：50-400 kHz高频段，捕捉材料内部微裂纹萌生、层间剥离等机械事件
• 布置策略：通常布置于基板或成型腔壁，采用波导结构优化信号传输

空气耦合超声（Air-Coupled Ultrasonic）

• 创新应用：非接触式监测逐层凝固过程中的孔隙形成，对未熔合缺陷敏感度高
• 技术挑战：需克服金属蒸汽对超声波传播的干扰

1.3 电磁传感系统：冶金质量的”透视眼”

光电二极管/光电倍增管（Photodiodes/PMTs）

• 监测对象：熔池辐射强度、羽辉（plume）发光强度
• 经济优势：成本低廉（<$500），响应速度极快（μs级），适合多通道阵列部署
• 典型配置：硅光电二极管监测可见光波段（400-1000nm），InGaAs探测器覆盖近红外（1-1.7μm）

光谱仪（Spectrometer）

• 深度应用：分析羽流和等离子体的发射光谱，实时监测元素烧损（如Ti-6Al-4V中的Al挥发）和氧化程度
• 技术前沿：LIBS（激光诱导击穿光谱）技术可实现在线成分分析

1.4 机械传感系统：几何精度的”守护者”

激光位移传感器（Laser Displacement Sensors）

• 功能：逐层扫描成型高度，监测翘曲变形和Z轴方向尺寸偏差
• 精度水平：分辨率可达1μm，对残余应力导致的零件变形早期预警

应变片/加速度计（Strain Gauges/Accelerometers）

• 应用：监测基板热变形和刮刀系统振动，识别铺粉不均或刮刀碰撞风险

传感器不仅是增材制造的”眼睛”，更是连接物理世界与数字世界的桥梁。 随着多模态传感、边缘智能和数字孪生技术的融合，金属增材制造正从”经验驱动”迈向”数据驱动”的智能时代。对于设备制造商和用户而言，构建一套适合自身应用场景的传感系统，将是提升质量一致性、降低制造成本、实现规模化生产的关键投资。

▲传感器组合方案
© 白皮书

增材制造设备，将不再只是一台”打印机”，而是一个拥有全面感知能力、能够自我学习和优化的智能制造体。而传感器，正是赋予它这种能力的核心基因。

更多信息，敬请关注SynaCore 将于TCT亚洲展会期间发布的《从数字孪生到产品数字护照到产品质量预认证白皮书》，同时敬请期待SynaCore全球范围内首次发布的基于数字孪生体AM-DT的Adaptive Tool Path，该自适应加工参数使得根据数字孪生对加工预测优化后的加工参数确保每一层都在最优工艺窗口内进行，持续反馈的数据包括在变形、开裂等缺陷的结果可以使AM-DT数字孪生体形成“感知-仿真-决策-执行-学习”的自治闭环，使下一轮3D打印在缺陷控制上再进化，形成‘越打越准、越打越稳’的自进化制造范式。

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尼康（Nikon），这个曾以影像与半导体光刻技术而闻名的名字，在商业航天崛起的黄金时代，正通过在金属增材制造领域精准的战略卡位，成为航天制造中不可忽视的力量。

近日，尼康公司对其在航天制造领域所建立的增材制造技术能力进行了回顾。本期， 将分享这一内容，并将时间轴拉回到2019年，回顾尼康公司如何系统性的切入金属增材制造赛道，描绘其“数字制造”的战略图景。

 金属增材制造业务加速布局

从航空航天、能源动力到汽车医疗，金属3D打印正重塑多产业格局。其中航空航天领域已成为增材制造市场及尼康的战略焦点。随着小型卫星需求激增，约300mm尺寸部件渐成标准；未来对更大尺寸、更高产能构件的需求将持续攀升。

大尺寸火箭部件，来源：尼康

2024年与2025年，尼康相继在美国加州和日本设立增材制造技术中心，配备包括尼康SLM Solutions大型系统在内的先进设备，形成涵盖技术研发、原型验证与客户定制解决方案的创新枢纽。

 尼康增材制造进军航天领域

金属3D打印主要采用两种技术路径：定向能量沉积与激光粉末床熔融。

定向能量沉积技术通过激光熔化基材形成熔池，同步注入金属粉末实现逐层凝固，特别适用于部件修复、形貌改造及表面硬化处理。

激光粉末床熔融技术则通过铺粉-选区激光熔融的循环工艺实现全构件成型，已成为尼康当前核心发展方向。该技术可成型600×600×1500mm的大型构件，实现传统工艺无法企及的复杂结构，其三维晶格构建能力在确保结构完整性的同时实现颠覆性减重。

尼康系统集成多激光并行加工技术（最多12激光器同步运作），兼顾量产效率与微细特征精度。该技术无需铸造模具，大幅缩短交付周期，并能实现镍基合金等难加工材料的复杂形态成型。

尼康3D打印样件

通过整合激光粉末床熔融技术，尼康得以深度契合航天产业对极端环境下大型复杂构件的严苛需求。

目前尼康正推进火箭发动机等关键部件制造验证，并凭借长期为国际空间站提供光学设备的经验，其金属3D打印技术已入选日本宇宙航空研究开发机构
（Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA) 空间战略基金项目。该项目致力于通过轻量化高性能构件开发与生产周期压缩降低发射成本，尼康将融合定向能量沉积与粉末床熔融技术建立大型高精度火箭构件制造体系。

超越航天领域，金属3D打印技术通过工艺整合、能耗降低、废料削减及部件修复再利用，正推动制造业向可持续范式转型。

 尼康数字化制造业务图景

根据 的市场观察，尼康已将数字制造确立为集团面向未来的增长支柱，旗下系统性整合了工业计量与先进制造两大业务单元。这一战略性布局旨在通过尼康独有的光学应用技术驱动全球制造业的革新，其明确目标是到2030年将数字制造业务打造为集团的关键利润引擎，从而有力支撑其向“全球关键技术解决方案公司”的全面转型。

为实现这一愿景，尼康正在执行一套“自主研发筑基、战略收购卡位、生态协同增值”的组合战略。

在自主研发维度，尼康持续深耕激光精密加工、在线高速测量与过程光学监控等核心技术。在增材制造熔池监测领域，尼康利用根植于半导体光刻检测的深厚积累，向增材制造领域进行技术迁移，针对增材制造的高温、动态、多尺度特点进行的系统性创新。

通过战略收购，尼康完成了对金属增材制造全链条能力的构建——整合SLM Solutions以确立设备与工艺的领导地位；控股Morf3D则在美国航空航天与国防领域建立了前沿应用中心，并实现与顶级客户的长期深度绑定。

尼康高度聚焦于航空航天与国防这一具有高壁垒、高附加值特征的赛道，致力于提供超大型结构、超高精度及超高生产率的完整解决方案，以突破传统制造在几何复杂度与材料性能上的局限。通过与全球顶级主制造商及顶尖研究机构（如德国弗劳恩霍夫研究所ILT）的深度协同，尼康旨在将其技术体系塑造为行业广泛采纳的事实标准。

为全面支撑全球业务拓展，尼康构建了日本-美国-欧洲三位一体的研发生态与运营网络：日本作为核心研发基地与技术策源地；美国西海岸作为全球战略总部与航空航天应用创新中心；德国则成为SLM设备的核心生产基地与欧洲市场技术枢纽。这一布局实现了研发、生产、应用与市场响应的高效全球化协同。

由此可以看到的是，尼康的先进制造业务是以其深厚的光学与精密控制技术为内核，通过前瞻性的资本运作与战略性整合而构建的产业生态系统。他们的长远目标不仅是提供先进的制造设备，更是致力于成为高端制造领域技术端到端解决方案领导者，特别是在航空航天与国防细分领域，并最终在席卷全球的数字化制造浪潮中重塑其产业角色与价值定位。

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车辆制造领域正迎来一场“瘦身革命”——增材制造（AM） 技术，让传统笨重的零部件实现了轻盈蜕变。

从结构支架到复杂的液压阀块，工程师借助3D打印技术，优化内部结构、减少冗余材料，在保证甚至增强性能的同时，显著减轻重量。这不仅提升了能效，也为设计释放出更多空间。

 全轮驱动轮毂一体化设计

Autodesk Fusion的工程师分享了一组增材制造“全轮驱动轮毂” 案例，将不同驱动部件及其功能整合，形成紧凑轻量化设计，实现空间利用最优化。除了采用纵向拓扑优化结构外，变速箱与制动系统已实现与电动机的集成。

☑️高度功能集成：电机、变速箱、制动系统功能融合
☑️拓扑优化：材料只出现在最需要受力的位置
☑️性能不妥协：更轻、更强、响应更敏捷

这一案例为新能源汽车的先进结构设计，进一步实现减重提供了参考思路。

 案例的背后

生成式设计与优化技术通过虚实结合的原型验证，为并行工程提供系统性定量分析方法，在设计初始阶段即可实现更科学的决策。该技术不仅在性能与可靠性评估方面表现卓越，更能有效推动机械系统的持续改进。而金属增材制造技术的应用，不仅凭借无模具小批量快速制造的优势为产品设计迭代提供助力，还使得高度复杂设计的制造成为可能，与生城式设计是天然的好搭档。

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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。

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

 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。

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。

(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。

(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。

(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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场辅助增材制造（FAM）通过在成形过程中引入磁、声或电场，实现对纳米功能单元空间取向与分布的原位精确调控，为微纳尺度下材料结构与功能属性的协同设计提供了新范式，是推动高性能器件“结构-功能一体化”制造的关键技术路径。

近日，东南大学王乾乾教授、吕之阳教授团队联合哈尔滨工业大学李天龙教授团队在SCI期刊《极端制造》发表题为“External-field-assisted additive manufacturing for micro/nano device fabrication”的系统性综述，全面梳理了磁场、声场及电场辅助增材制造的技术原理与调控机制，深入剖析其在微纳机器人、生物医疗器件、电子与传感器等关键领域的应用实例，并对当前技术瓶颈、跨尺度集成挑战及未来智能化发展方向提出前瞻性展望，为FAM技术从实验室走向工程化应用提供了理论支撑与路线指引。本期谷·专栏将对该综述进行简要分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae098e

作者
王斌，杜建胜，张皓宇，曹迎，文呈语，Veronica Iacovacci, 吕之阳*, 李天龙*, 王乾乾*

机构
东南大学，哈尔滨工业大学

图1 外场辅助增材制造技术及应用概述。

 01 图文解析

磁场调控实现微结构编程

为实现器件在磁响应、驱动或传感等方面的定向功能，需在制造过程中对磁性颗粒的空间取向进行精确调控。磁场辅助光固化制造在逐层曝光前施加定向磁场，引导颗粒排列，实现结构构建与磁取向调控的一体化。图2展示了典型系统架构，包括多轴电磁线圈与光固化平台的集成，为制造可编程磁响应软体器件提供了关键技术路径。

图2 磁场辅助光固化系统与调控机制。

声场引导的微结构自组装

构建具有仿生微结构的生物器件，需要制造技术能够在三维空间内精确引导细胞或微粒的排列与分布。声场辅助光固化制造利用超声驻波在液态树脂中构建压力节点，引导细胞或微粒自组装成预设图案，再经光固化锁定结构。图3呈现了多换能器系统如何生成可编程声场，实现非接触、无损伤的仿生微结构构建，为复杂功能材料的精准制造提供了有效技术路径。

图3 声场引导光固化系统与调控机制。

驱动与功能一体化的微机器人制造

磁场辅助增材制造技术能够在材料成型过程中，对磁性颗粒的空间排布与磁化方向进行精确设定，从而赋予微纳机器人特定的形变模式与运动能力。图4展示了基于该技术制造的多种功能性微机器人：包括可在温度与磁场协同作用下切换运动模式的软体带状机器人、通过沟槽结构增强变形能力的多足行走机器人、可实现六自由度操作的微型磁性夹爪，以及具备可控释药功能的胶囊型机器人。这些器件的运动行为由其内部磁结构决定，在外部磁场激励下即可完成复杂任务，体现了制造过程与功能设计的高度协同。

图4 FAM应用于功能微机器人。

面向生物器件的FAM制造方案

场辅助增材制造已成功应用于多种前沿生物医疗场景：利用声场引导细胞在水凝胶中构建仿生排列的肌腱或心肌组织模型；通过磁场导航柔性导管机器人，在骨缺损或心肌病灶处实现活细胞支架的原位精准打印；借助聚焦超声穿透生物组织，无创固化药物载体或生物墨水；同时，电场辅助增材制造技术可高精度打印具有微纳级孔径与各向异性结构的柔性支架。图5集中呈现了这些从体外模型构建到体内修复实施的代表性成果，展示了该技术在构建动态、活性、精准化生物结构方面的综合应用潜力。

图5 FAM应用于生物医疗器件。

 02 总结与展望

场辅助增材制造通过磁、声、电等物理场在打印过程中对材料微结构进行原位调控，已展现出在微纳机器人、生物医疗与电子器件等领域的强大应用潜力。未来，FAM的发展将聚焦四大方向：提升场分布的空间均匀性与动态控制精度，探索多物理场协同作用机制，构建融合人工智能的闭环智能控制系统，以及突破高通量并行制造技术瓶颈。通过在这些方向上的持续研究与优化，推动该技术从实验室走向规模化和工程化应用，最终有望成为下一代高性能微纳器件制造的重要支撑平台。

图6 微/纳米器件制造中FAM的未来方向。

Citation

Wang B, Du J H, Zhang H Y, Cao Y, Wen C Y, Iacovacci V, Lyu Z Y, Li T L, Wang Q Q. 2026. External-field-assisted additive manufacturing for micro/nano device fabrication. Int. J. Extrem. Manuf. 8 012005.

作者团队及介绍

王乾乾 东南大学

东南大学青年首席教授、博导，机械工程学院副院长，省重点实验室管委会主任。破格入选国家海外高层次青年人才计划，入选首批小米青年学者，获中国电子学会科学技术奖自然科学二等奖1项，MINE优秀青年科学家奖获得者，全球Top2%顶尖科学家。主持国家自然科学基金、江苏省科技计划项目、国重实验室基金等多项科研项目。近年来发表高水平一作/通讯论文30余篇，包括Science Robotics、Science Advances、IEEE Transactions等，多篇文章入选ESI高被引、热点论文；在IEEE ICRA、IROS 等发表多篇论文并做报告和主题研讨；研究成果得到人民日报、Nature News、东南大学、香港创新科技署等国内外科研院所及专业机构的报道。担任IEEE T-ASE Associate Editor、IEEE IROS、ICRA等多个顶会Associate Editor，SmartBot，《机械工程学报》、Int. J. Extrem. Manuf.（《极端制造》）等期刊青年编委；以及包括Science/Nature代表性子刊、IEEE汇刊在内的多个学术期刊审稿人。出版机器人英文专著2部。

吕之阳 东南大学

东南大学青年首席教授，国家海外高层次青年人才项目入选者。研究方向为多学科交叉的“增材制造结构材料器件”，包括3D/4D打印技术设计与开发，结构电池微型化、定制化和一体化设计与制造，各向异性结构气凝胶材料设计制造及其在热电磁声等方面应用，以及机器学习预测新材料与新结构等。共发表SCI期刊论文70余篇，主要包括Joule，Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Nano Energy，Energy Storage Mater.，IJEM等。主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、江苏省双创博士等多项科研项目。担任中国机械工程学会极端制造分会委员、江苏省可再生能源学会理事，Fundamental Research、International Journal of Extreme Manufacturing、InfoMat、InfoSci、Nano-Micro Letters、DeCarbon、Additive Manufacturing Frontiers杂志青年编委。

李天龙 哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学机电工程学院/机器人技术与系统国家重点实验室教授、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。主要研究方向机器人精密驱动控制与应用。在Science Robotics、Science Advances、Physical Reviews Letters、PNAS等国际权威期刊发表论文70余篇，授权发明专利60余项，主持国家级项目课题20余项，获省部级科技奖励6项。

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在无线通信技术领域，共形相控阵天线因其曲面适应能力和波束扫描灵活性，正成为无人机、可穿戴设备等应用的研究重点。然而，该技术面临动态变形导致的波束指向误差，以及柔性导电材料在成本与性能之间的平衡难题。

华盛顿州立大学的研究人员研发了一种动态波束稳定的增材制造柔性天线阵列，融合了材料与物理形变校正功能，具有低功耗、小面积特性，其瓦片式架构更易扩展，非常适合设备端部署。相关概念验证原型的研究成果已发表于《自然-通讯》期刊，本期谷·专栏将进行简要分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-64135-1

 增材制造与材料特性：铜分子分解油墨的开发

本研究采用增材制造技术制备柔性天线阵列。论文指出，增材制造”能够在三维平面上实现制造”。所使用的”可打印导电油墨不仅提供比大块铜更大的灵活性，还能实现所有三个轴上相对介电常数的精确快 速控制”。

研究团队开发了铜分子分解油墨（CuMOD）。该油墨通过球磨混合铜甲酸酯与溶剂（二甘醇丁醚和二甲基甲酰胺），并经高温处理形成导电结构。论文指出，该油墨”与各种增材制造技术兼容，包括喷墨打印、气溶胶喷射打印和挤出打印”。实验测得该油墨的电导率可达35 MS/m，经过二次高温退火处理后提升至47 MS/m，达到体铜电导率的81%。

论文图1机翼载荷的动态变化与机翼振动会导致天线阵列变形，进而影响无人机的空中无线通信与导航性能。研究团队提出的动态波束稳定处理器能够实时校正波束成形集成电路中因动态形变引起的增益损耗与波束指向误差。

 动态波束稳定处理器的实现

研究团队开发了硅基动态波束稳定处理器（DBS），该处理器能够”通过对每个单元的基本增益、相位和延迟进行片上实时控制来实现波束自适应”。DBS采用”基于扰动极值搜索的控制算法”，通过实时监测波束成形输出功率，自动调整各辐射单元的相位和延迟设置。

芯片实现方面（图5），波束成形集成电路（BFIC）的硅面积为1.6 mm× 1.6 mm，DBS处理器的有源硅面积为160 μm × 160 μm。论文指出，该设计是”低功耗、小面积的”，且”DBS是数字综合的，便于集成到先进的细线互补金属氧化物半导体技术中”。

论文图5

 系统集成与性能验证

研究采用增材制造技术实现系统集成。如图6所示，天线阵列采用多层结构制造：”天线打印在Ninjaflex基板上”，”BFIC及其射频和非射频走线印刷在AP层上”。论文详细说明了制造过程：”三个DuPont Pyralux® AP片使用FastRise EZ结合，然后与Ninjaflex基板热粘合”。

论文图4

实验验证（图4）显示，在38 cm曲率半径的弯曲变形下（图4B），DBS系统能够将波束指向误差从7°降低至小于1.5°（图4C）。论文指出，”每个循环收敛以将波束指向误差最小化到<1.5°”，同时观察到2 dB的增益下降（归因于测试支架和视距变化）。

在材料使用方面，论文提供了完整的油墨配置方案（图6）：”第1层天线使用银油墨”，”第4层的非射频走线使用CuMOD油墨打印”，”第5层的BFIC连接使用CuMOD油墨打印”。这种多层增材制造方法使得”四个通道的BFIC通过阻抗匹配的过孔和走线连接到每个天线”。

论文图6

电路测试结果（图5E）显示，BFIC单通道在2.05-2.15 GHz频段内的回波损耗小于-10 dB，支持3位增益调节。系统集成方面（图5B），实现了在NinjaFlex基板上的完整集成，最终阵列的面密度为0.464 g/cm²，厚度约8 mm。

 讨论与展望

论文在讨论部分指出，增材制造技术提供了”增强的处理灵活性和可扩展性”。DBS解决方案具有”较低的计算复杂度和功率高效的CMOS实现”，使其成为”最先进技术中能效最高的”。

未来工作将”研究直接印刷方法”，开发”低温烧结工艺”，以实现在”PET、热塑性聚氨酯（TPU）、纸张和纺织品”等基材上的直接印刷；同时”需要研究额外的计算技术，以使DBS能够适用于任意波形和空间方向”。

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随着人工智能模型复杂度攀升，AI 数据中心正陷入前所未有的“热危机”。根据洞见热管理，芯片单位面积内的最大热通量已达到 200 W/cm²，并预计将很快突破 500 W/cm²。传统冷却方案已表现的力不从心。除此之外，芯片表面功率分布极不均匀，热点区域温度骤升，冷却系统稍有懈怠，芯片就会降频，出现算力打折。与此同时，制冷和泵送功耗一路上涨，成为数据中心第二大电费支出，散热问题已经变成AI算力提升的“隐形天花板”。

 哪里热就“狙击”哪里

近日，在由Meta（原 Facebook）主导的年度硬件盛会——OCP Global Summit 2025（开放计算项目全球峰会）上，液冷技术成为了焦点。
根据 的市场观察，Wiwynn 纬颖联合增材制造企业Fabric8Labs 联合展出了3D打印下一代液冷散热冷板。包括：

• 双面冷板：同时冷却AI加速器(最高4kW) 和垂直供电芯片；3D打印微通道设计，预计提升40%散热性能。
• 两相冷板：使用环保介电流体，利用相变增强传热；3D打印吸液鳍片设计，减少泄漏。

图：ECAM增材制造技术支持从单相直触式芯片冷却到浸没式冷却的定制化散热解决方案。来源：Fabric8Labs

Fabric8Labs 披露，他们展示的创新性冷板具有如下优势：

• 卓越的散热性能：通过优化的翅片结构，将冷却液精确导向芯片热点，使这些冷板在最需要的地方实现最大化的冷却效果，对于高TDP（热设计功耗）设备，可能使芯片最高温度降低5-8°C。
• 增强的温度均匀性：采用定制微通道设计的ECAM冷板能精确引导冷却液流动，显著减少温度波动，使芯片表面的温度差异改善了200%。这种均匀性对于最大化芯片性能和延长其寿命至关重要。
• 降低总拥有成本：通过集成一流的散热性能和更高的可靠性， 纬颖的IT基础设施为AI数据中心降低了运营成本，具体体现在制冷和驱动冷却液流动的泵功功耗方面的支出减少。

其核心价值点是，哪里最热，冷却液就精准流向哪里。由于该公司的增材制造技术能把微通道直接“写”成和芯片热点分布完全匹配的图案，传统“花洒式”均匀冷却变为“狙击式”点对点散热，显著减少温度波动。

 散热新解法

以上冷板均来出自于Fabric8Labs公司给出的散热新解法：电化学增材制造（ECAM）技术。
Fabric8Labs官方称，与基于粉末床金属熔融的3D打印工艺不同，电化学增材制造（ECAM）是一种室温条件下的金属3D打印技术，可直接制造结构复杂、致密度高的金属部件，且无需后续处理。
ECAM技术采用由来源广泛、成本低廉的金属盐构成的水基原料。该原料类似于印刷电路板（PCB）和半导体制造中使用的电镀化学药水。

实现ECAM工艺的关键创新在于其打印头——一个包含数百万个独立可寻址像素的微电极阵列，其像素尺度在数十微米量级。利用该微电极阵列并结合富含金属离子的原料，ECAM在原子级别进行构件构筑，从而能够实现微米级特征分辨率、复杂内部结构、高材料纯度、低表面粗糙度，并具备支撑大规模生产的快速可扩展性。

该技术可使用的材料包括所有可通过电沉积获得的金属，例如：纯铜、铜合金、镍、镍合金、钨合金、锡、金、铂和钯。

来源：Fabric8Labs

 与芯片同步迭代的设计自由度

理论上，冷板效率每提高一点，都有机会转化为机房层面的能耗节省，但整机PUE（电能利用效率= 数据中心总耗电 ÷ IT 设备耗电）收益仍待实测。不论如何，从“一刀切”到“点对点”散热，ECAM增材制造技术至少让热管理拥有了与芯片同步迭代的设计自由度，为更高功率的AI算力提供了一条可扩展的散热新路径。

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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。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

• 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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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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