在核能发展的早期，工程设计深受当时制造能力的制约。1950年代的工程师们以当时的热交换器设计为蓝本，奠定了传统圆柱形燃料棒的标准形态。然而，这种几何形状存在明显的局限性：其传热效率不佳，易导致燃料中心线温度过高，不仅加速材料劣化，也带来安全隐患；同时，棒束间的规则间隙会造成中子泄漏，影响反应堆的经济性。这些由历史制造条件所决定的形态，已成为提升反应堆功率密度、安全性与经济性的关键瓶颈。

不久前，美国能源部下属核研究机构—爱达荷国家实验室（INL）的研究团队公布了一项可能突破这一数十年瓶颈的颠覆性方案，他们从自然界的数学与结构中汲取灵感，设计出了一种全新的仿生核燃料。在本期谷·前沿文章中， 将结合INL研究人员Nicolas Woolstenhulme对这一创新的解读，为您揭示这一革命性设计如何通过三周期极小曲面（TPMS）与增材制造（3D打印）的交叉融合，重塑核燃料的未来图景。

来源：INL

 自然的启示：三周期极小曲面

面对这一挑战，研究人员从自然界和数学中寻找灵感。他们关注到一种名为三周期极小曲面（TPMS）的数学现象。TPMS是一种在三维空间中周期性重复、且具有最小表面积的曲面，这种结构在自然界中广泛存在，例如蝴蝶翅膀、海胆壳和骨骼结构中。

TPMS就像三维空间中的正弦波，定义这些曲面的方程看起来像复杂的三角方程——它们定义了一个连续弯曲且重复的表面，可以形成一个晶格，它能够创建出不同的、相互交织但不混合的容积域。

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 INFLUX燃料：仿生设计突破

受此启发，研究团队提出了INFLUX燃料设计。该设计用TPMS构成的复杂三维连续晶格，取代了传统的圆柱形燃料棒。这一设计迫使冷却剂在“平滑迷宫”中沿着曲折路径流动，从而实现更好的混合与传热，且不会造成过大的水力阻力。

实验验证：性能的显著提升

为了验证这一概念，研究团队进行了一系列开创性实验。他们利用增材制造技术，创建了嵌入温度传感器的导电聚合物复合材料模型，并通过电流模拟核燃料的产热过程，测量其在气体和液体冷却剂中的传热特性。

根据研究人员Nicolas Woolstenhulme的总结，这种几何结构确实将传热系数提高了约三倍。它直接影响了燃料棒的功率密度，从而影响了核反应堆的经济性。

计算机模拟进一步证实，增强的传热不仅能提高产能，还能降低燃料厚度和燃料本身的温度，并在假设的冷却剂丧失事故中帮助燃料更快冷却，提升安全性。同时，TPMS结构减少了堆芯中的“视线”间隙，使中子更多地与燃料相互作用，带来了潜在的中子学收益。

制造挑战与工艺创新

然而，将这一创新设计变为现实面临巨大挑战。INFLUX交织的几何结构使其无法用现有常规技术制造。结合核能领域对材料的严苛要求，利用INL的研发能力，团队将商业化的增材制造与热等静压技术相结合，成功地在陶瓷/金属和金属/金属材料体系中制造出了INFLUX结构。

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 应用前景与未来方向

尽管前景广阔，但这项颠覆性设计要获得反应堆开发商和监管机构的认可，仍需大量工作，包括需要研究新型核燃料如何针对特定的电厂设计优化水力阻力，需要决定哪种电厂类型最能从中受益。

研究人员指出，微型反应堆（需要高功率密度的紧凑堆芯）或气冷反应堆可能是理想的应用对象。在此之前，TPMS结构可能率先应用于核电站的蒸汽发生器或中间热交换器等非燃料部件，作为迈向燃料最终应用的重要技术铺垫。

INFLUX燃料的研究，标志着核燃料设计思维从“可制造的设计”向“最优性能的设计”的根本性转变。它证明了通过借鉴自然界的数学法则，并依托增材制造等前沿制造技术，人类能够跳出长达数十年的传统设计思维，并跳出“燃料制备、密封包容、机械组装”的传统精密组装制造框架进行应用创新，为核能迈向更高效、更安全、更经济的未来，开辟了一条全新的仿生学路径。

 TPMS+3D打印带来“散热自由”

根据 的市场观察，TPMS结构与增材制造的结合是一种可以跨越应用维度的先进散热结构，两者的交叉融合已为高性能芯片、汽车IGBT等面临“热墙”挑战的高功率密度电子元器件等新型，提供了突破性的散热解决思路。

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这种技术组合的核心价值在于，允许工程师将理论上最优的仿生散热几何——如极大增加换热面积、高效搅动流体的三维迷宫流道——在芯片下方或散热器内部直接制造出来，实现与热源形状完美贴合的一体化“随形冷却”，实现为热流路径定制生长结构。

尽管大规模应用仍需克服成本和工艺挑战，但这项技术已指明了一条通过设计驱动来根本性提升散热极限的清晰路径，为下一代高算力芯片与电力电子设备的性能突破提供了关键的可能。

参考资料：

Futuristic nuclear fuel shape mimics nature to dramatically improve performance

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根据东莞理工学院的官方报道，近日，该学院3D打印与智能制造研究中心金属增材制造团队在中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪上，成功开展了电弧熔丝增材制造原位打印试验，破解了传统监测技术无法在3D打印过程中实时捕捉材料内部动态变化的行业难题。

据悉，此次试验主要由东莞理工学院张丽娟教授团队承担，是国内首次将电弧熔丝增材制造技术与中子散射表征平台结合的试验，标志着我国在金属3D打印原位观测与机理研究领域迈出关键一步。

本次试验为广东省重大应用基础研究项目“高性能金属增材制造材料与工艺的应用基础研究”的课题三“超常凝固及固态相变行为与显微组织形成机理研究”的核心内容。

电弧熔丝增材制造技术因高效率、低成本、适用于大尺寸复杂构件制造等优势，在高端装备领域具有广阔应用前景。而在逐点逐层的增材制造过程中，材料经历快速加热和冷却，多次反复热循环，其微观组织和应力状态会发生很多变化。但在常规检测和表征实验中，只能看到变化的最终结果，无法了解具体变化过程，制约了工艺优化与性能提升。

该课题聚焦高强钢和铝合金等重要工程合金的电弧熔丝增材制造设备、材料和工艺研究，对材料成形过程中的组织形成和演变、应力状态、性能的影响规律进行深入系统的研究。项目成果对大尺寸、高性能复杂构件的精准制造，解决核心技术瓶颈问题提供全新解决方案，并为增材制造超常凝固机理研究提供有力的实验验证。

经过两年多的努力，3D打印与智能制造研究中心首席科学家张丽娟教授带领团队，攻克了原位打印与中子探测协同、极端环境下工艺稳定控制等多项设备和技术难题，并获得了散裂中子源工程材料谱仪团队的大力支持。双方在专用打印设备研制、试验方案设计、设备参数调试、中子探测数据校准等关键环节深入协作，成功将增材制造设备与工程材料谱仪精准适配，构建了全球领先的增材制造原位研究平台，为试验奠定重要基础。

在试验中，张丽娟教授团队借助散裂中子源强大的穿透能力和高分辨率探测优势，创新性地实现了电弧熔丝增材制造过程中材料微观结构演化的实时、动态观测。这种“制造-表征”一体化的研究模式，打破了传统增材制造研究中“打印后检测”的局限，为精准揭示工艺-结构-性能关联机制提供了直接的实验依据。

此次突破性试验，是粤港澳大湾区重大科技基础设施与高校创新团队高效协同创新的生动实践，既彰显了东莞理工学院在增材制造领域的科研实力，也体现了跨机构合作在前沿科技攻关中的重要价值。试验成果将为大尺寸、高性能复杂构件的精准制造提供核心技术支撑，同时为我国增材制造技术从“经验优化”向“科学设计”转型奠定重要基础。未来，张丽娟教授团队将继续深化与散裂中子源工程材料谱仪的合作，拓展原位表征在多材料增材制造、极端环境适配等方向的应用，持续引领增材制造技术创新发展。

东莞理工学院3D打印与智能制造研究中心创建于2016年，张丽娟教授担任首席科学家。目前已经建立了一支理论基础雄厚、实操能力强大、科研作风严谨的增材制造研究团队，成员来自学院科技创新研究院、机械工程学院、材料科学与工程学院、卓越工程师学院（创新创业学院）等。

2020年底，团队与东莞材料基因高等理工研究院、北京航空航天大学、香港大学联合申报广东省基础与应用基础项目“高性能金属增材制造材料与工艺的应用基础研究”，张丽娟教授代表东莞理工学院团队担任课题三“超常凝固及固态相变行为与显微组织形成机理研究”的负责人。

五年来，项目团队发表SCI论文21篇，申报发明专利17件，培养博士后、博士和硕士研究生19名。开发增材制造设备4台（套），开发和集成在线监测、在线检测附属装置4套。其中包括本次用于散裂中子源工程材料谱仪的原位打印过程研究的设备，其设计、制造、安装均由课题组主导完成。

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根据中国科学院上海硅酸盐研究所的消息，近日，依托该所生物材料与组织工程课题组吴成铁研究员团队“三维打印白硅钙石生物活性陶瓷人工骨”项目技术转让、由烟台正海生物科技股份有限公司（简称“正海生物”）开发生产的3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料获批III类医疗器械注册证（国械注准20263170015）。

据悉，该产品是国内首款3D打印、仿生多孔结构、钙硅基生物陶瓷的口腔用骨修复材料，标志着上海硅酸盐所以硅基生物陶瓷为特色的生物材料基础研究成果转向临床应用取得重要进展。

钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料

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3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料主要用于牙槽骨缺损修复治疗。牙槽骨缺损是一项极具挑战性的临床难题，不仅严重影响患者的咀嚼、吞咽、呼吸等基本生理功能，还对其面容和心理造成巨大压力。上海硅酸盐所生物材料与组织工程课题组自2001年成立以来聚焦无机生物材料用于组织再生修复研究，在国际上率先开发形成包括白硅钙石等多种生物陶瓷的硅基生物材料库，并系统揭示了生物陶瓷活性离子释放对骨、血管等组织再生修复的调控与促进作用；自2011年起，进一步将硅基生物陶瓷与3D打印技术相结合，实现生物陶瓷宏观复杂形状与微观孔道结构的精准构建，特别是在国际上率先提出并实现生物陶瓷仿生结构构建理念，并证实仿生结构特征对大块骨缺损的血管化再生修复功能，研究成果发表在Advanced Materials、Science Advances、Materials Today和National Science Review等国际高水平学术期刊，申请专利90多项，并获上海市自然科学一等奖，为解决颌骨缺损治疗难题提供了创新性解决方案。

为实现上述科研成果的产业转化与临床应用，生物材料与组织工程科研团队自2014年起与正海生物正式建立合作，2016年科研团队负责人吴成铁研究员依托正海生物合作申报并获“泰山产业领军人才”，牵头启动“3D打印新型多孔硅基生物活性骨修复材料的产业化”项目，并于2017年带领科研团队完成“三维打印白硅钙石生物活性陶瓷人工骨”项目的技术转让，与正海生物合作攻关用于牙槽骨缺损治疗的3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料产业与临床转化。

在随后的合作历程中，科研团队与正海生物产品研发团队密切合作，协助和配合其完成了产品的配方优化、工艺确认和技术放大等重要产业化节点工作；所形成的3D打印钙硅生物陶瓷口腔骨修复材料顺利通过医疗器械产品注册检验，并在武汉大学口腔医院、南京医科大学附属口腔医院等多家临床医院完成多中心随机对照临床试验，结果表明该产品能显著促进牙槽骨缺损的修复与再生，并具有优异的生物安全性。双方经历8年的紧密合作，获得国内首款3D打印口腔用生物陶瓷骨修复材料III类医疗器械注册证。

医疗器械产品注册证

该成果标志着上海硅酸盐所硅基生物陶瓷用于骨再生修复领域科研成果正式迈入临床并实现临床应用，对于实现我国“十五五”规划“加速建设健康中国”目标的实现将产生积极作用。该成果充分体现了科研团队创新性科研成果对产生高值医疗器械产品所起到的至关重要的“源头”作用，也是产学研医合作实现科研成果产业与临床转化的范例。现阶段，上海硅酸盐所生物材料与组织工程科研团队正在继续开展硅基生物陶瓷用于皮肤和关节等复杂组织再生修复的科研成果转化工作，并取得阶段性进展，预期在未来3年将开发出更多的医疗器械产品用于临床。

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太赫兹成像正从实验室走向产业化，其非破坏性、高分辨率、化学特异性和生物安全性四大优势，使其成为医疗精准诊断、制药质量控制、工业无损检测（包括非金属3D打印的无损检测）及公共安全领域的革命性工具。

根据Business Research Insights的预测，中国太赫兹成像系统市场规模预计在2025年约达到人民币3.55亿元，全球太赫兹成像系统市场规模预计在2026年约达人民币36.74亿元，并有望在2035年增长至约人民币201.37亿元。

根据 的市场观察，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员成功通过优化设计并利用3D打印技术制备出螺旋结构太赫兹（THz）光学器件，这一突破有望填补下一代通信、无损检测、化学/生物传感等领域的技术空白。

该研究团队通过微尺度螺旋结构阵列在太赫兹频段实现了可靠的圆偏振波束生成，其图案化排列更可构成一种新型“手性快速响应码”（QR码），为高级加密/解密技术提供了新路径。相关成果发表于《先进科学》期刊，标志着首次对太赫兹频段螺旋结构完成全参数化分析，并展现出3D打印在太赫兹器件制造领域的巨大潜力。

3D打印螺旋结构：潜力巨大的太赫兹光学材料

 赋予“手性”特征

当前缺乏适用于长电磁波长的光学晶体，而通过优化几何结构实现手性超材料，已成为在太赫兹频段产生圆偏振波束最有效的技术途径。

太赫兹频段作为电磁谱中的重要区域，不仅是5G/6G通信的技术支柱，还具备替代X射线与伽马射线的非电离检测潜力，并能探测其他波长无法识别的化学与生物特征信号。

然而，由于该频段频率过高难以适用电子学方案、波长过长又超出光子学常规处理范围，波片、相机等常见光学元件在太赫兹频段的实现一直面临挑战。研究团队聚焦于该领域的核心缺失环节之一——用于产生圆偏振光束的四分之一波片。

圆偏振光束具有类似螺旋楼梯的右旋或左旋扭转特性，这种“手性”（chirality）是氨基酸、DNA、蛋白质等生物分子的基本属性。利用手性光束探测分子振动，可揭示其结构、组成及生物活性的关键信息。太赫兹技术显著强化了这一能力，使其能够研究更大原子团簇，并检测长程有序结构与次级键网络产生的振动，为快速识别疾病特征或鉴定毒品、爆炸物等危险物质提供了新可能。

 创新性的便捷扫描与高级加密信息安全方案

研究团队借助双光子聚合（2PP）这一超高分辨率光基3D打印技术，突破了传统太赫兹手性结构在传输效率与频带宽度方面的限制。

太赫兹频段约300微米的波长恰好是双光子聚合技术的理想加工尺度，研究团队能够通过这一技术精准制备该尺度下的任意几何结构。

LLNL团队3D打印“手性”二维码：用偏振方向编码，实现扫码便利与高级加密的统一。

研究团队通过仿真计算对螺旋结构的匝数、半径、高度及旋向等多变量进行了参数优化，并结合精密3D打印工艺，实现了功能导向的螺旋结构制备。3D打印的螺旋体在太赫兹频段表现出强宽带活性，能在任意方位角可靠生成圆偏振光束。研究还发现单螺旋结构具有明确的左/右旋信号特征，而阵列排布产生的耦合效应可同时增强两类信号响应，由此催生了全球首个“手性QR码”。

根据 的了解，其中的原理是通过右旋像素代表黑色、左旋像素代表白色即可实现像素化编码。传统QR码通过二进制振幅或亮度承载信息，而手性QR码则利用左旋与右旋偏振旋转的相位差异进行编码。

该手性QR码的信息需通过特定“手性”滤波器在匹配的电磁频率下才能读取，为医院、金融机构及军事敏感环境提供了兼具便捷扫描与高级加密的新型信息安全方案。

 创新并行3D打印工艺推动应用落地

本研究同时验证了团队创新的并行打印技术。该技术采用新型光学元件——超透镜阵列对激光进行精密聚焦，实现直接双光子聚合打印。大型超透镜阵列可同时产生超10万个聚焦光斑，形成3D打印“流水线”，通过控制光斑开关实现打印路径编程，大幅提升复杂层状非周期结构的制造效率。

主动控制聚焦光斑意味着该打印设备的使用者能在不同位置选择性打印不同手性的螺旋结构的高效制造。

此类螺旋结构在5G/6G通信带通滤波、手性分子传感及医学、生物学、天文探测等领域具有广阔应用前景。这项研究通过将高通量3D打印、材料科学与结构优化相结合，为充分发挥太赫兹频段技术潜力开辟了新道路。

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基于光固化的3D打印技术，如DLP和SLA技术，能够以前所未有的速度和便捷性生产高度复杂的结构。然而，这些工艺中使用的许多传统热固性光敏聚合物会形成永久交联结构，若不借助机械加工或烧蚀等高能耗工艺，则无法被分解或修改。

为突破这一限制，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员开发了一种混合制造系统，通过不同波长的数字光处理技术在同一系统中实现光敏树脂材料的增材制造与减材制造。

这项研究成果中，开发了一种具有双波长光聚合和光降解反应路径的硫烯光敏聚合物热固性材料。通过具有405纳米和365纳米双波长的数字光处理技术，实现兼具材料增材制造与减材制造的混合制造。其中，405纳米波长的光线可实现树脂材料的聚合与固化，365纳米波长的光线可将固化后的零件降解回液体状态。这种混合制造系统可制备具有软弹性体特性的二维光刻图案和复杂三维结构，分辨率可达50微米。

举例来说，如果某公司需要开发一款定制零件，但处于原型阶段尚未完全确定设计方案。如果通过这一混合制造系统来3D打印这款零件，若设计存在缺陷或需要调整，无需重新打印整个零件，只需用另一波段的光照射即可修改现有部件。这种方式既实用又减少浪费。研究团队以双通道分离的微流控器件为例进行了演示。利用树脂的降解特性，他们在打印后成功实现了通道间的连接。

树脂化学配方的突破是双功能打印成功的关键：研究团队优化了其各组分的化学特性。按照3D打印的常规机制，蓝光引发树脂分子交联聚合。创新之处在于紫外线能在树脂中产酸，特别设计的分子结构对酸响应后迅速降解液化。平衡稳定性与降解性是一大挑战。研究团队设计的树脂需实现快速固化与降解，但又不能自发分解。研究人员指出，常规涂层即可防止零部件在自然紫外线照射下发生降解。

这项已获专利的树脂技术正通过LLNL实验室创新合作办公室推动商业化。它光固化3D打印系统能够制造更高精度、更复杂精细的零件，同时具有表面光滑处理、打印纠错，以及从3D打印结构中精确可控地选择性去除支撑材料的能力。当检测到打印误差时，混合制造系统能自适应调整投影图像进行实时修正，这实现了自适应制造。

这种对现有结构进行修正或修改的能力，为纠错式制造技术和临时结构应用开创了适应性材料，支持零部件优化制造与循环利用的新范式。 了解到，除了将以上创新技术应用于DLP 3D打印工艺之外，研究团队还计划将这一技术应用于体积增材制造技术，使其也能够实现增材和减材制造。

本文封图为AI生成的概念图与正文内容无直接关联。

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洞察

增材制造能否真正兑现可持续发展的承诺？对于企业和投资者而言，现在的关键不再是“是否要采用增材制造”，而是“如何让增材制造的产品质量可预测、可控，从而实现企业经营的可控，并重塑产品、优化供应链并创造新的商业模式”。当企业能够预见到清晰的价值实现时，才更愿意进行大规模投资。

AM-DT数字孪生软件将机器、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。作为自主系统、工业人工智能和分布式生产网络的基础层，SynaCore帮助早期采用者推动后稀缺时代制造业的创新，在该时代，浪费已经过时，而创新周期的计量从年缩短到小时。”

https://namic.sg/news/namic-astarihpc-synacore-amdt-deployment/

 人工智能赋能的数字孪生软件

2025年12月8日，新加坡国家增材制造创新集群（NAMIC）宣布一项合作，将为增材制造（AM）实现规模化生产的可扩展性释放发展潜力。由新加坡科技研究局高性能计算研究所（A*STAR IHPC）牵头并在NAMIC支持下，该项目将通过新加坡科技研究局高性能计算研究所专有的增材制造数字孪生（AM-DT）软件，为增材制造设备商的设备部署数字孪生适配版本的软件，降低实际生产过程中的试错成本。

SynaCore，一家2025年7月在新加坡成立的公司，在A*STAR和NAMIC的推动下，将获得数字孪生（AM-DT）软件技术授权并投入现实工业部署。

推进新加坡的增材制造前沿

该合作将专注于把A*STAR IHPC的AM-DT数字孪生软件适配到不同的激光粉末床熔融设备。AM-DT旨在解决行业关键挑战：为跨不同系统和材料3D打印的零件开发最优打印参数。A*STAR IHPC创建的AI赋能的数字孪生软件旨在帮助用户根据自身需求和系统，以最优3D打印参数实现更快的上市解决方案。这一创新为增材设备制造商（OEM）提供支持，并加快增材制造在工业和消费应用中的部署。

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通过产业合作实现技术转化

在此合作下，SynaCore将获得该数字孪生的授权并商业化该技术，将其整合到面向潜在客户的服务中。SynaCore还将与A*STAR的增材创新中心（AIC）——NAMIC的技术转化枢纽之一——共同展示该数字孪生技术为行业发展带来的潜力。该合作体现了新加坡公共研发生态与产业之间的联系，支持将研究转化为实际制造解决方案。

该项目预计通过帮助全球企业更高效地采用增材制造，并有望降低生产风险、加速上市时间。

该项目与新加坡向先进制造、数字化和可持续发展的国家战略推进保持一致。通过开发前沿技术并培育商业转化，该项目旨在为创新生态做出贡献，并加快企业对先进制造能力的采用。

谷透视
Insight

AM-DT数字孪生相当于把“试错物理实验”转成“云端并行仿真”，调参周期→小时级；进一步与现场传感器形成闭环，可进一步进化到“层间自适应”以实现自适应激光路径的在线部署，提高产品良率，减少浪费，减少人工。

Insight

关于国家增材制造创新集群（NAMIC）

国家增材制造创新集群（NAMIC）是由新加坡科技研究局（A*STAR）创立的国家平台，获得总理公署国家研究基金会、贸工部，以及新加坡企业发展局和新加坡经济发展局的支持。NAMIC旨在加速采用混合和数字化增材制造技术，落实新加坡《制造业与经济2030愿景》，帮助产业向创新和可持续发展的高附加值制造方向转型。NAMIC通过面向行业的部门参与方式，聚焦价值创造，支持转化研究，并加速行业测试平台向商业规模扩展。更多信息请访问https://namic.sg/

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近年来，金属增材制造技术在航空航天、医疗、3C电子产品等制造领域的应用得到显著发展，但其制造过程仍存在随机性、低重复性以及制造后缺陷检测方面的挑战。

为缓解这些问题，打印零件质量的实时或近实时监测至关重要。近年来，人工智能驱动的视觉与信号处理技术及硬件设备的进步，使原位监测技术在增材制造中日益重要。这些系统通过多种传感器与成像技术采集实时数据，能够在缺陷产生时即时检测并修正。这种主动监测方法有效降低了最终产品出现重大缺陷的概率，从而提升了整体制造质量。

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 图像分析速度与准确率显著提升

原位监测的核心特征在于其实时检测与调整能力——相较于制造后的检测，它更强调即时决策与修正。

射线检测技术（特别是X射线成像和CT扫描）是实施增材制造过程中质量监测的多种传感方法之一。射线检测技术能够有效穿透金属粉末和基体，实现对内部微观结构（如匙孔、气孔）的实时监测，这使其特别适用于粉末床选区激光熔融（LPBF）等工艺。

机械工程领域的研究人员采用大功率X射线装置对金属打印过程进行实时观测，以优化工艺参数。但这些实验产生的海量X射线图像数据，已超出人工分析的处理极限。与人工智能领域的半监督或无监督学习技术相融合是这一领域的显著趋势。

例如UCL（伦敦大学学院）研究团队开发的AM-SegNet模型，可实现高分辨率X射线图像的语义分割与量化分析。

该研究团队开发出智能轻量化神经网络AM-SegNet，专门用于快速精准解析X射线实验图像。该模型基于全球顶尖科研机构提供的超万张标注图像数据库进行训练，取得了显著成效：AM-SegNet能以约96%的准确率在4毫秒内完成单帧图像分析，极大加速了实验数据的处理效率。

该技术通过提升数据分析速度，有效促进了对增材制造物理机理的深入认知，进而指导制造商优化工艺参数、提升成型质量。这一突破为金属增材制造的实时监控与质量控制迈出了重要一步。

AM-SegNet作为技术革新者，通过高效数据解析与机理洞察，为构建更可靠、更高效的智能制造体系奠定了坚实基础。

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 源代码开源

近日，研究团队将AM-SegNet的源代码在GitHub平台开源发布。以下为GitHub链接以及相关信息，供相关研究领域的谷友参考。

https://github.com/UCL-MSMaH/AM-SegNet

AM-SegNet

本研究提出了一种新型轻量化神经网络AM-SegNet，用于对各类先进制造同步辐射实验采集的X射线图像进行语义分割与特征量化。为全面训练和测试CNN模型，研究团队构建了包含超10,000张像素级标注X射线图像的大规模基准数据库。实验结果表明，AM-SegNet在精度、速度与鲁棒性等方面均优于现有基于CNN的分割模型。经完整训练的AM-SegNet已应用于加速关键特征量化及相关性分析，其精度与效率在多类先进制造技术中均得到验证，使其更接近实现高速同步辐射实验中X射线图像的实时分割与量化。

轻量化卷积模块

该模块首层采用压缩卷积（1×1卷积核）限制输入通道数（记为n1），随后接入扩展模块。扩展模块包含：（1）可分离卷积；（2）带1×1卷积核的残差卷积；（3）带3×3卷积核的扩展卷积。具体而言，可分离卷积将标准卷积分解为两个独立步骤：深度卷积与逐点卷积。深度卷积对每个输入通道单独施加滤波器，生成各自的特征图；所有特征图经拼接后由后续的逐点卷积（1×1卷积核）处理。扩展层的三组输出在拼接层融合，使通道数从n1增至4倍。这种压缩-扩展操作的能力与效率已在图像分类与缺陷检测任务中得到成功验证。此外，在最终编码阶段保留标准卷积层，以确保模型鲁棒性、泛化能力并缓解过拟合问题。

注意力机制

为提升模型灵敏度与分割精度，这项研究在深度神经网络中引入注意力机制。研究表明，注意力门能有效抑制无关噪声响应，并根据与任务关联度更高的空间区域更新模型参数。受此启发，我们提出定制化注意力门机制，旨在不消耗过量计算资源的前提下，突出最终编码阶段的显著特征。

版本信息

Python: 3.9.16

tensorflow: 2.10.1

keras: 2.10.0

ipykernel: 6.15.0

numpy: 1.25.0

pandas: 2.0.3

参考来源：

UCL Engineering

Haolin Fan et al 2025 Int. J. Extrem. Manuf. 7 032006

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AI生成式大模型的发展显著降低了三维建模的专业门槛，使普通用户也能借助AI技术轻松实现创意。与此同时，智能化建模技术的进步也带动了消费级3D打印硬件的用户增长——由于建模过程变得更加简单，越来越多普通人群开始购买并使用3D打印机，将自己的创意转化为实物。可以说，AI 3D建模技术的发展是3D打印机尤其是消费级3D打印机真正走向大众化的关键催化剂。

今年9月，腾讯混元发布了专为3D设计师、游戏开发者、建模师等打造的专业级AI工作台——混元3D Studio，通过AI技术整合3D生产全流程，让3D资产生产周期从“天”级缩短到“分钟”级。根据腾讯混元官方消息，头部3D打印厂商如拓竹科技、创想三维等已接入混元3D模型，大幅提升建模效率。

11月28日，混元3D Studio升级到1.1版本，并接入最新的美术级3D生成大模型混元3D PolyGen 1.5，能够直出艺术家级的3D资产。本期 将与您一起感受一下该技术为3D建模带来的专业性和可用性, 并以此为例来看AI 3D建模技术为3D打印应用带来的积极影响。

 直出艺术家级的3D资产

不同于过去的智能拓扑方法只能生成三角面，PolyGen 1.5首创端到端原生四边形网格生成方法，可直接学习四边形拓扑，生成连贯边缘环，布线效果大幅度提升，支持混合拓扑，适用于软/硬表面模型，进一步提升3D生成模型的专业可用性。

游戏美术师、3D设计师和开发者们，可以利用PolyGen 1.5生成更加专业的3D资产，在游戏开发、动画制作、VR内容等场景中落地。

现有的一些3D生成算法可实现精准的几何建模，但生成的模型质量和美术制作模型仍有不小差距（如下图所示），难以直接应用在游戏、动画等专业美术管线，具体表现在以下几个方面：面数过高，布线质量差等。其中过高的面数会降低渲染效率，另一方面布线杂乱也会影响模型的美观度以及后续的uv展开、骨骼绑定等下游环节。

图. 3D生成Mesh vs 美术Mesh

为了将生成的3D资产直接应用于游戏等专业管线中，提高美术师建模效率，我们在7月发布了混元3D-PolyGen 1.0模型，利用自回归模型拟合布线分布，在原始的高面片mesh上进行智能拓扑，使得3D模型更符合美术规范。

此次发布的PolyGen1.5，通过对mesh的表征进行重新设计，模型可以自适应生成四边面或者三边面，从而大幅提升生成的布线质量，如下图所示。

图. 相比于PolyGen1.0三转四的结果，PolyGen1.5能够直接生成四边面，规整度更高

效果对比

1. PolyGen1.5 vs Mesh自回归SOTA

官方将polygen1.5与现有的mesh自回归的SOTA方法分别进行了定性和定量的比较，如下所示。可以看到现有的方法在生成复杂物体时容易出现破损、细节丢失、布线杂乱等问题，相比之下，混元3D-PolyGen 1.5在生成的稳定性、细节、布线质量等方面均优于目前SOTA模型。

图. PolyGen1.5与mesh自回归SOTA方法效果对比

图. PolyGen1.5与mesh自回归SOTA方法定量对比

2. PolyGen1.5 vs 业界接口

业界通常使用重拓扑算法进行减面，这类方法虽然可以生成规整的四边面，但其难以保留模型的硬边结构，且当面数较低时，容易出现破损。相比之下，PolyGen1.5可以较好的保留模型结构，生成的布线能够跟随模型的结构走向，且能够更好的生成低面片的拓扑结构。

图. PolyGen1.5与业界接口效果对比

更多效果展示：

此外，混元3D Studio1.1基模升级为混元3D 3.0版本，支持36亿体素超高清建模，显著提升模型细节表现力。

根据 的市场观察，以往AI生成的3D模型在通过3D打印技术进行制造时仍存在一些痛点，腾讯混元团队在今年9月还曾有针对性的推出了3D-Omni和混元3D-Part模型。其中，混元3D-Part技术通过其核心组件——3D分割模型P3-SAM和部件生成模型X-Part的协同工作，从根本上解决了AI生成模型多为不可编辑“整体”的痛点。它能够将整体网格自动分解为多个高保真、结构一致的独立部件，如同将实物拆解为乐高模块。这种组件级的“可拆卸”特性，使得用户可以对每个部件（如车轮、机械臂关节）单独进行编辑、优化壁厚或调整填充结构，从而实现了模型的深度定制化，让其得以快速适配不同3D打印材料的特定要求。

 3D打印从“工具驱动”迈向“内容驱动”

过去，消费级3D打印机市场的发展很大程度上是 “工具驱动” 的，即厂商不断优化打印机本身的性能（如打印速度、精度、可靠性、材料种类），以期吸引用户。但一个核心瓶颈始终存在：普通用户没有足够的能力和精力去创造高质量的3D模型。
以AI为代表的3D建模技术的发展，正将这个市场推向 “内容驱动” 的新范式。它极大地降低了3D数字内容创造的门槛和成本，从而将从根源上释放3D打印的需求。

参考来源：《混元3D Studio升级，可直出艺术家级3D资产》

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随着现代设备功率密度不断增加，传统冷却方案难以在性能、可制造性及成本效益之间取得平衡。增材制造、生成式设计、先进材料相集成的解决方案是驱动高效散热器创新并探索三者平衡的路径之一。

本期 将分享一个增材制造铝合金散热冷板的案例，展示了这一相集成的解决方案如何为先进电子设备提供性能卓越的热管理方案。

3D打印冷板，材料：CP1铝合金

 背景

随着现代设备功率密度不断增加，要求冷却解决方案能够在有限空间内保持高效率；最大限度地减少压降以降低泵送功耗；支持多种冷却方式（液体或空气冷却，自然或强制对流）；实现快速迭代和规模化生产，以加速产品上市。

然而，传统材料（如铸造铝合金AlSi10Mg）和设计流程面临性能和制造速度的限制。弗劳恩霍夫IWU研究所（Fraunhofer IWU） 旨在通过生成式设计与LPBF增材制造技术、导热性能优异的铝合金材料Aheadd® CP1所集成的解决方案来验证是否能缩短开发时间、降低成本并交付性能更优的冷板。

 实施过程

生成式设计

IWU研究所利用生成式设计软件ToffeeX，针对两种不同的冷却机制优化冷板设计：

• 液冷部分：优化水道形状，在适应三个高功率热源的同时，降低压降并最大化传热。
• 自然对流部分：生成仿生鳍片状结构以增强被动散热。

CP1与AlSi10Mg的性能对比

研究人员评估了CP1与AlSi10Mg两种铝合金粉末材料的热导率、密度、机械性能、增材制造性能及后处理效率。

优化设计流程

研究人员利用ToffeeX软件针对以下目标对增材制造散热器进行设计优化：

• 降低冷却系统自身泵送功耗；
• 充分利用材料特性——允许针对新技术进行定制化优化；
• 在单一部件中平衡多种传热方式；
• 通过在设计阶段直接嵌入LPBF工艺的制造约束来优化可制造性；
• 加速设计迭代——从概念到可制造文件的设计周期由数周缩短为仅数小时。

 成果

IWU研究所结合ToffeeX的生成式设计与CP1合金，在关键性能领域获得了突破。

1、更快的设计迭代与工程流程

• 设计迭代速度提升3倍——从使用CAD时的每天1次迭代提升至每天3次迭代。
• 自动化的物理驱动设计消除了CAD建模中的手动试错。
• 在设计过程中集成了LPBF增材制造约束。

冷板的CFD仿真结果

2、制造效率提升

• 从设计到生产的周期缩短至2个月以内，而行业标准通常为6个月以上。
• 打印速度快30%——CP1的优化参数将LPBF工艺的打印时间从20小时减少到14小时。
• 热处理周期缩短70%——CP1仅需4小时，而AlSi10Mg需要13小时。
• 打印变形更小——ToffeeX的流体拓扑优化减少了应力集中。

3、卓越的热性能

• 散热能力提升6%，降低了CPU/GPU的工作温度，提高了可靠性。
• 更均匀的温度分布，最大限度地减少了高功率应用中的热点。
• 更低的压降，优化的内部流道，提升了冷却效率。

热成像对比图：CP1（左）与AlSi10Mg（右）材质的冷板。
图像显示，与AlSi10Mg冷板相比，CP1冷板的温度分布更为均匀，热点现象显著减少。其高6%的散热能力有效降低了CPU/GPU的工作温度，从而提升了设备可靠性、减少了局部过热，并通过优化的内部流道设计实现了更高的冷却效率。

4、成本降低与可扩展性

• 由于构建时间和能耗减少，打印成本降低25%。
• 所需支撑结构更少，减少了材料浪费和后处理时间。
• 提高了可制造性，确保了从生成式设计到生产的无缝过渡。

 为何使用ToffeeX进行冷板设计？

• 材料兼容性：ToffeeX兼容CP1等新型合金，确保精确的仿真和几何形状生成。
• 制造集成：早期即纳入LBPF（或其他制造）约束，减少后期优化调整，加速生产进程。
• 物理驱动设计：工程师依赖真实物理场而非猜测，更快获得有效设计。
• 简化复杂几何创建：ToffeeX输出近乎最终形态，仅需基础CAD修整，无需手动迭代多个设计。
• 多方法冷却解决方案：允许在单一优化框架内包含不同的传热方法和流体，同时最小化泵送功率。
• 灵活的目标设定：可适应多个入口/出口、可变流量及不同冷却机制。
• 多目标优化灵活性：用户可微调流量、压降、温度梯度等多种参数以满足特定设计目标。
• 简化的流程：工程师将设计和仿真合并到一个环境中，节省时间，加速从概念到最终产品的进程。

 结论

此项研究凸显了生成式设计、先进材料与增材制造相结合如何重塑高功率密度应用场景的热管理解决方案，不仅为先进电子系统提供了更优的冷却性能、成本效益和更快的上市速度，还为未来电子设备热管理技术创新提供了参考。

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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 ILT

 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 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。

 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。

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