大气水收集（AWH）正逐渐成为一种可持续的淡水生产策略。然而，由于吸附动力学缓慢，尤其是在厚吸湿性水凝胶的情况下，实现快速大气水收集仍然面临挑战。

香港城市大学吕坚院士/华南理工大学綦戎辉教授合作，利用3D打印技术，制备了一种基于极小曲面（TPMS）结构的缠结水凝胶网（TSEHs），其具有分级多孔结构，有利于提高传质系数并形成显著的空气-吸湿位点界面。这种基于TPMS的分级结构赋予了TSEHs快速的吸附-解吸动力学。

因此，与传统的致密水凝胶（CDHs）相比，TSEHs的吸附时间显著缩短了385%。当TSEHs的厚度从2毫米增加到12毫米时，平衡吸附时间仅略有下降，而CDHs的平衡吸附时间则呈指数级增长。同时，还开发了一种基于 TSEH 的连续太阳能驱动制水原型，在 1 个太阳光照强度下实现了 4.89 kg m⁻² 的高集水率，展现了其巨大的应用潜力。

论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202515166

香港城市大学毛正义、于翰洋、于桢为本文共同第一作者，其他作者还包括唐志贤、李堃玮、Amr Osman、沈君达、张磊、汤思晗、段晓光。

图文解析

图1. “孔工程”以增强AWH性能。 (a) 海星的光学图像。 (b) 胞状聚集体的放大图像。所选胞状区域在(a)中标记。 (c-d) 胞状及海星骨骼的扫描电镜图像。 (e) TSEHs的示意图。 CDHs和TSEHs的吸附时间(f)和水释放性能（在1个阳光下，30分钟）(g)的比较。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收时间的厚度相关性。该孔工程水凝胶显著提高了空气取水表现，具有在催化、力学等方面应用拓展潜能。

图2.TSEHs的制备与表征。同常规水凝胶孔结构相比，TSEHs表现出明显的多级孔结构，显著增加了空气-吸湿位点的表面积并降低蒸汽在凝胶内部的传质阻力，提高了AWH的表现。

图3. AWH性能测试。TSEHs表现出显著增强的空气取水效率和传质能力，并在多次循环测试中表现出良好的稳定性。

图4. 厚度与AWH性能关系。增加厚度使常规水凝胶吸附饱和时间指数增加，但由于孔工程设计，厚度对TSEHs水凝胶吸附饱和时间影响较小。同时该工作还制备了超厚水凝胶吸湿结构（50 mm）同样表现出了优异的空气取水性能

图5. 脱附性能与空气取水器件设计。“孔工程“同样赋予TSEHs水凝胶优异的脱附性能，远远快于常规孔结构水凝胶。同时设计了周期性旋转的空气取水器件，实现了在一个太阳光下的高效产水。

本工作获得香港研究资助局（RGC）策略专题研究（STG）（STG2/P-705/24-R）、香港创新科技署（ITS/199/23）、广东省科技合作（2023B1212120008）和国家贵金属中心香港分中心等基金的支持。

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近日，提供自适应密度极小曲面（ADMS）设计技术的公司 Spherene 宣布了该技术与主流设计软件平台的集成进展。目前，用户可在 Autodesk Fusion、Rhino/Grasshopper及nTop等设计平台中调用ADMS设计插件。

据该公司介绍，ADMS设计技术旨在为增材制造领域的高性能智能内部结构建立新标准，使设计人员能够直接在CAD软件中生成更轻、更强、更智能的零件，从而大幅提升设计效率。

ADMS与TPMS的差异：

根据 Spherene 的说明，传统晶格结构为静态设计，而 ADMS在具备各向同性的同时，还能够实现自适应响应。与传统三周期极小曲面（TPMS）结构的均匀重复不同，ADMS 可针对应力、热场及载荷等物理条件进行智能调整，在全零件范围内维持性能一致性。相较于传统晶格或填充结构，ADMS能够持续适应载荷、几何形状、尺度及边界条件的变化。

其主要特点包括：

功能层面：将CAD模型转化为高性能、可直接用于3D打印的结构，实现重量最小化与性能最优化的统一；

原理层面：ADMS能够根据局部条件自适应调整密度与曲面几何形态，区别于传统Gyroid或其他TPMS结构，从而实现免支撑打印并支持高功能性超材料的制造；

应用层面：该技术适用于航空航天、汽车、能源、医疗、鞋业与建筑等行业中追求更高强度、更轻量化或更具可持续性部件的企业。

Spherene将其技术定位为“先进几何与超材料的设计引擎”，旨在帮助制造商突破传统设计工具的限制，推动产品性能与可持续性提升至新水平。该公司指出，其自适应结构能够在关键区域精确优化刚度与强度，从而制造出更轻、更强、更高效的部件，同时降低材料消耗、成本与环境影响。通过模拟实体材料行为并实现密度连续调控，ADMS可将设计周期缩短至原来的十分之一，助力工程师开发智能且可持续的部件。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络， 为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注 发布的白皮书系列。

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骨骼对人体至关重要，起着支撑人体、支持运动等重要功能，而意外事故、运动损伤、手术治疗等原因将会导致骨缺损。常见的治疗方式是在骨缺损处植入骨支架，但传统实心金属骨支架有着重量大、力学强度过高等缺点，易导致骨质疏松、甚至严重影响术后恢复效果。

增材制造制备的金属多孔骨支架有着轻量化、力学强度可调、允许新生骨细胞向内长入、可根据患者情况个性化设计等特点，受到了研究人员的广泛关注。其中，骨支架的多孔结构类型选择对骨修复效果尤为重要。

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三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface，TPMS）结构由于形态由隐函数严格控制、表面积大允许细胞生长、平均曲率为零（与人骨相似），被认为是多孔骨支架的理想填充结构，有望提升术后骨修复效果。但TPMS结构根据在空间内的实体化方式不同，同一隐函数方程可建立杆状、面状两种类型的结构，其力学特性、破坏形式、骨修复效果等均存在差异。

为了深入研究杆状、面状结构的差异，重庆大学唐倩教授团队以典型的TPMS结构之一，Schwarz-P结构为例，用钛合金（Ti6Al4V）分别制备并研究了杆状、面状Schwarz-P多孔骨支架在上述方面的差异。其研究结果加深了对TPMS结构的理解，可为不同受损情况下的多孔骨支架设计提供选型指导。本期谷.专栏将分享该研究的试验方案、结果、结论以及应用前景。 论文亮点

① 对比了两种形式结构在力学行为上的差异；

② 分析了杆、面状结构的失效形式及断裂方式；

③ 揭示了两种形式结构在体内骨修复中对细胞分化影响的差异。

 试验方法

该研究采用选择性激光熔化技术制备了孔隙率从60%至85%的钛合金Schwarz-P杆状及面状骨支架。随后对骨支架的成形尺寸、孔隙率、致密度和表面形貌等进行了研究；通过压缩试验分析骨支架的弹性模量、屈服强度、第一峰值应力、能量吸收量、破坏形式等；最后在贵州小香猪的股骨和胫骨制备6-7mm深的骨缺损，将骨支架植入缺损处并体内培养一个月，随后通过Masson染色、天狼星红染色观察骨支架-组织切片，分析骨修复效果。

图1 杆状（上）及面状（下）Schwarz-P结构设计方式

图2 多孔骨支架体内植入过程（由陆军军医大学西南医院王富友教授团队完成）

 结果

在制造质量方面，两种形式的结构的成形后孔隙率均低于设计值，但面状结构的误差波动更小。同孔隙率的条件下，面状结构具备更高的弹性模量、屈服强度、能量吸收量。杆状结构失效形式为逐层断裂破坏，面状结构为沿45°剪切带破坏。动物体内实验表明，面状结构促进软骨组织的生长，而杆状结构利于骨组织的长入，此外，具备高孔隙率的骨支架和靠近宿主骨骨组织的部位更利于骨修复。

图3 杆状（上）和面状（下）Schwarz-P骨支架压缩破坏过程

 结论

该研究通过建立和制备Schwarz-P结构的面状和杆状形式结构，系统的分析了它们在制造、力学、破坏、和骨修复效果上的差异，加深了对TPMS结构的理解，为不同骨缺损情况的多孔结构选择提供了参考。

 前景与应用

在对杆状和面状结构各项性能差异的研究基础上，未来将进一步研究结合杆、面状结构优势的新型融合多孔结构设计，并在其力学性能、物质传输等性能上展开研究，以期进一步设计出兼顾力学与生物相容性的新型多孔结构，研究成果可用于临床的骨缺损修复。

原文信息：

Shuai Ma, Qian Tang, Changbao Zhu, Fuyou Wang, Qixiang Feng, Jun Song, Rossitza Setchi, Chenglong Ma, Ran Tao. Laser Powder Bed Fusion-built Ti6Al4V Bone Scaffolds Composed of Sheet and Strut-based Porous Structures: Morphology, Mechanical Properties, and Biocompatibility. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(4): 100055.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100051.

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近年来随着国家航空航天领域的迅速发展，高速、超声速等飞行器的电子设备热防护问题日益凸显。由于飞行器自身限制，地面环境中的常规散热方式如自然对流、强制风冷/水冷等无法同样适用。

这主要是由于此类飞行器的工作环境在超高空、太空等真空、近真空或高速气动的高温环境中，飞行器严苛的体积重量要求也限制了其热控设备的选择空间，此外此类热载环境多是瞬时高峰值热载荷或者循环波动热载荷等不规律热载。目前为了安全起见常采用增大热防护设备热容、表面烧蚀等方法进行热防护，显而易见的是这样会大大增加热防护设备重量，增加飞行器成本及损害一定的安全稳定性。因此小型化、轻量化、稳定性高的热防护方案是目前急需解决的关键问题。

相变材料，尤其是石蜡，由于其高熔融潜热和热循环稳定性以及无毒等热物性，在热存储系统（TESs）系统和热管理系统(TMSs)中得到了广泛的应用。但是相变材料的导热系数很低，与常见的金属材料相比少2-3个数量级。这就造成了当使用纯相变材料进行温控或者储能时，加热面处的温度会使得其附近的相变材料迅速融化，但是其较低的导热系数会导致远离加热面处的相变材料融化较慢甚至仍保持固体状态，相变材料内部会存在较大的温度梯度，严重限制了相变材料（PCM）的性能发挥，甚至可以造成设备失效或毁坏。因此如何提高相变材料的等效导热系数成为急需解决的关键问题。

金属泡沫材料已广泛应用于相变材料导热系数的提高，在热存储系统(TESs)和热管理系统(TMSs)中都有应用。传统的泡沫金属结构采用Kelvin单元来替代，其几何和宏观参数，如孔隙率、孔径大小和比表面积等对泡沫金属-PCM复合材料性能的影响已被广泛研究。

随着增材制造技术的出现，为传统技术难以制造的复杂结构带来了制造解决方案，从而为TESs系统和TMSs系统中应用三重周期极小曲面结构的使用打开了大门。三种典型的三重周期性最小表面为：Gyroid,IWP和Primitive泡沫材料，将它们应用于翅片金属泡沫-PCM(FMF-PCM)系统中能够极大提升传热性能。因此，基于TPMS的金属泡沫材料在TESs系统和TMSs中具有很大的应用前景。

 金属泡沫结构

泡沫金属结构形式一般采用Kelvin单元来代替，理想的金属泡沫单元使用十四面体单元。Kelvin单元是一种规则的几何结构，它由6个正方形和8个六边形面组成，它以最小的表面将空间分割成等体积单元。对泡沫金属的宏观参数和几何参数已经进行了大量的研究工作，如孔隙率、孔隙大小、孔隙度梯度、比表面积密度，以及支柱形状、各向异性等形态学特征。在已有的研究中，泡沫金属的基本组成部分(即Kelvin单元本身)始终保持不变。一个明显的原因是，通过传统制造技术生产复杂架构的实际可行性不高，无法制造高度复杂的几何图形。

 FMF-PCM结构及增材制造应用

除了PCM浸渍金属泡沫中的方法可以增强PCM的传热特性外，一种被称为“翅片金属泡沫”(FMF)的改进结构也可以增强导热性能，因为与相对简单的金属泡沫PCM(MF-PCM)和翅片PCM(F-PCM)相比，FMF在TESs系统和TMSs中具有更好的传热性能。在MF-PCM结构中，PCM浸渍在金属泡沫中，没有任何翅片。在F-PCM中，不使用金属泡沫，PCM填充在翅片之间。FMF-PCM的主要原理是将前两种结构结合在一起，将金属泡沫夹在翅片之间，然后将PCM浸渍在泡沫金属材料中。

等温条件下通过数值计算发现FMF-PCM、FPCM和MF-PCM三种构型。在整个熔化过程中，与F-PCM配置相比，FMF-PCM配置的平均传热系数(HTC)增加了24%，与MF-PCM配置相比增加了约7倍。

近年来随着增材制造技术的进步，使复杂结构的打印成为可能。在金属3D打印领域，粉末层熔化技术，如激光烧结、激光熔化和电子束熔化是最常用的技术。3D打印不仅可以制造复杂的几何图形，还可以减小材料浪费。此外，所生产的零件的尺寸涵盖了从打印大型物体到打印纳米尺度物体的整个尺度范围。因此，由于制造技术的转变，制造复杂拓扑结构的物理障碍已经完全消除，允许完全自由地设计和建造任何结构。因此，之前无法实现加工的金属泡沫结构重新受到重视，如三重周期性最小表面。

对于FMF-PCM,使用时有一个很难处理的问题，即需要以消除翅片和FMF金属泡沫之间的接触热阻。增材制造可以完美的解决该问题，因为整个FMF模块可以作为一个单一的部分打印出来。

 增材制造—TPMS胞元结构

由于增材制造技术的出现，周期性胞元结构，特别是三重周期性最小表面(TPMS)引起了广泛的研究兴趣。TPMS本质上是所有点的平均曲率为零的最小曲面。TPMS结构可以用数学方法建模，并可以在三个方向上重复建模。这种模式允许TPMS胞元在三个相互垂直的方向上生长，形成TPMS胞元的3D阵列。这里值得一提的是，术语“最小表面”并不是指给定单元尺寸的结构的总表面积最小，事实上，TPMS结构的表面积显著高于Kelvin单元。这一更高的表面积有助于提高TESs系统的PCM充放热性能。

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一些经典的TPMS结构是由Schwarz(Schwarz Primitive和Schwarz Diamond)最先提出的。后来，Schoen提出了其他几种TPMS结构，最著名的是Schoen Gyroid和Schoen I-graph and wrapped package-graph (IWP)。与传统的基于支撑结构的拓扑结构相比，TPMS结构表现出了优越的性能。TPMS结构的力学性能优于所测试的所有结构。TPMS已被用于支架和组织工程应用。

 TPMS胞元结构对相变材料导热性能增强作用

评价导热性能的一个指标是，相同加热时间内，PCM液相分数大小。液相分数取值范围为0~1,0为PCM完全固态，1为PCM完全液态/熔融态。对于所有的金属泡沫结构，熔化过程都得到了增强。热量从模型底部迅速传递，导致在PCM—金属泡沫结构界面熔化。此外，翅片也有助于熔化过程，从翅片-PCM界面形成的熔融PCM层可以看出。

评价导热性能的一个指标是平均HTC，对比热传导和自然对流两种情况下四类泡沫材料的平均HTC值。在纯热传导情况下，TPMS金属泡沫结构的性能明显更好，IWP的平均HTC比Kelvin单元高出50%，其次是Gyroid(46%)和Primitive(32%)。在自然对流条件下，TPMS金属泡沫结构仍表现出优于Kelvin单元的传热性能。

由增材制造方法生成的TPMS金属泡沫结构和传统金属泡沫结构相比，针对FMF-PCM系统，以PCM熔化时间和整个熔化过程中平均HTC的值为判断标准，发现增材制造方法生成TPMS金属泡沫结构在热传导(无浮力)以及基于自然对流的模拟方面优于传统金属泡沫结构。

对比三种TPMS胞元结构以及Kelvin单元。在纯导热情况下，IWP金属泡沫结构的性能最好。在自然对流条件下，Primitive金属泡沫结构表现最好。在纯传导条件下，TPMS金属泡沫结构的性能优于自然对流条件下的Kelvin单元。对于整体FMF-PCM单元，所有TPMS金属泡沫结构的增强效果仍优于Kelvin单元。

增材制造生成的TPMS金属结构可以很好的改善PCM材料导热系数低的不足，在航空航天领域，TESs系统和TMSs系统可能具有非常好的应用前景的。

参考资料及图片来源：
《Heat transfer performance of a finned metal foam-phase change material (FMF-PCM) system incorporating triply periodic minimal surfaces (TPMS)》

李权树
工学硕士，安世亚太DfAM赋能业务部流体仿真工程师。擅长一维流体系统、三维热流体仿真。目前从事换热器热流体仿真设计工作。

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根据 的市场观察，Gen3D 参与了 多材料3D打印解决方案商Aerosint的一个项目，在该项目中合作了一个多材料热交换器的设计与制造。热交换器的外表面是由不锈钢打印而成的，而热交换器的内表面（作为两种流体之间传递热量的表面）是由高导电铜合金制成

这只是我们在未来增材制造热交换器中可能会看到的一个例子。本期， 与谷友一起来探索3D打印所开辟的脑洞大开的下一代热交换器。

Aerosint多材料3D打印© Aerosint

© Gen3D

脑洞大开的新设计理念

AM -增材制造的优势在于能够将热交换器芯和歧管作为单个整体部件生产。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片或板并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术，如果任何这些钎焊接头之间出现故障，都可能导致热交换器出现故障。因此，3D打印所实现的在单个制造过程中生产所有内部结构是有利的。

增材制造可用于创建定制形状和尺寸的热交换器，这在赛车运动等行业很常见，在这些行业中，许多组件都封装在一个紧凑的体积中。AM-增材制造技术非常适合这一点，这样可以设计定制外形和歧管以直接适应紧凑的空间体积。

金属增材制造工艺（如激光粉末床熔化）能够打印非常薄壁的材料。可以成功生产诸如 0.1 毫米厚的壁，虽然这并非没有挑战，通常需要对工艺参数进行研发以生产这些薄壁结构。然而，薄壁特性使其成为热交换器的理想选择。

在材料方面，增材制造可用于生产各种材料的热交换器，根据 的市场观察，从铝合金一直到高温合金，如 Inconel 718 和 Inconel 625，以及其他材料，如铜和铜合金也可以使用，这些材料是传热应用的理想选择。其中根据 全球战略合作伙伴AMPower预测，3D打印铜合金的年增长率将达到46.6%。这来自于热交换器，燃烧室，铜感应器等产品的应用发展。

 设计热交换器的挑战

不过，根据 的了解，换热器的设计可能非常具有挑战性，因为传热受三个要素控制：传导、对流、辐射。

© Gen3D

k 是热导率，这通常取决于材料选择，因此使用具有最高热导率的材料似乎是合乎逻辑的。然而，在为无限应用设计热交换器时，通常需要查看相互冲突的规范元素。因此，材料的导热性很重要，但是，还需要考虑强度、材料的密度和熔点。这些因素综合起来，才有助于为换热器设计找到最佳材料。

A 元素表明需要尝试最大化用于传递热量的表面积.

dx 定义了热交换器的壁厚,壁厚越小，跨壁的导热性越好。因此，在设计热交换器时，壁厚通常是增材制造工艺的设计约束。

目前原则上，用于激光粉末床熔化 (LPBF) 材料的增材制造的最小壁厚约为 0.5 毫米。然而，这些只是指导方针，通过仔细的参数优化，可以将最小壁厚优化到远低于此值。

除了壁厚的设计，还可以通过最大化表面积来提高热交换效率。根据 的市场观察，一种流行的热交换器晶格类型是 TPMS 点阵晶格（三重周期最小表面）。使用 TPMS 晶格，可以仅使用 TPMS 方程将热交换器分成多个域。

随着热量的散失，对流自然会导致空气流过散热器的散热片。TPMS类型散热器的旋转鳍片可增强边界层混合，与传统散热器设计相比，具有提供更高有效表面积的潜力。

 TPMS的四两拨千斤

根据 的市场观察，市场上有不少商业软件可以提供 TPMS 点阵晶格建模。当前流行的软件包括nTopology和Gen3D。

nTop是用于高级制造中的设计和仿真的计算建模平台，nTop的驱动方法将设计，仿真和制造知识统一起来，实现了自动化，从而使工程师可以拥有更大的设计自由度并改善工作流程。

下面是使用 Gen3D 使用表面晶格的示例，通过在 Gen3D 中更改单元尺寸和晶格密度，可以调整换热器的参数，通过 TPMS三重周期最小表面成为增加换热器设计的绝佳方式。

TPMS三重周期最小表面设计和3D打印范例方面最新的进展， 曾分享过《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中通过无STL的概念解决效率问题，涵盖设计和制造的两个方面。具体来说，将设计的隐式实体建模与制造的直接切片无缝集成。

 在挑战中前行

不过必须小心，因为表面积的增加会带来热交换器的压降。表面积和压降之间的这种平衡是换热器设计人员每天都面临的平衡挑战。

关于面向未来的设计，请参考 此前发布的《从大自然的蚂蚁和树木获得灵感，创成式软件构建面向未来的设计》。

另外，根据 的了解，仿真模拟这些传热表面是一个挑战。在这方面，请参考 此前发布的《3D打印螺旋结构、高强度材料、流体力学仿真，合力突破热交换器的设计与效率》，《微课 l 点阵结构设计与仿真分析》，《专栏 l 多尺度算法在增材制造点阵结构仿真分析中的应用（上篇）》，《专栏 l 多尺度算法在增材制造点阵结构仿真分析中的应用（下篇）》。

此外，最大的挑战往往是在验证和测试阶段，包括如何确保所有的粉末都已从通道中清除，并且所有的壁都已在内部完美地创建。当前有许多无损测试技术，例如用于检查粉末的共振测试或用于检查结构完整性的 CT 扫描。然而，CT 扫描可能是一个昂贵的过程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生产换热器，甚至不可能深入表面几厘米以检查部件的完整性。

更多内容，请参考 发布的上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》下篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》

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根据 的市场观察，点阵晶格结构由于具有较高的比强度和刚度，因此可以为通过选区激光熔化技术制造的高性能组件增加附加价值。

TPMS 为三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，TPMS设计显示出高强度重量比，与增材制造技术结合使用，使得设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

不过TPMS结构的3D打印过程充满挑战，本期， 结合Science Direct上的论文《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》与谷友共同领略无需STL流程，三重周期性最小表面（TPMS）的设计和3D打印范例。

@裕克施乐（太仓）

更小的文件、更高的精度

《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中提出了一种新的数字设计和制造范例，通过使用无STL工作流程的概念来解决复杂设计文件的可扩展性和3D打印制造效率方面的挑战。它无缝集成了用于设计的隐式实体建模和用于制造的直接切片，而无需任何与STL网格相关的中间步骤。

论文中所提出的范例已通过两个案例研究得到验证，这些案例涉及填充多尺度三重周期性最小表面（TPMS）的复杂几何形状，这些几何形状是由PBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术，通过25 µm激光束制造的。

复杂设计的制造挑战

增材制造（AM）通过一层一层地堆积材料来构造3D对象，由于在制造精度和可用材料范围方面的重大改进，如今增材制造技术已被认为是有价值的工业生产技术。特别是，基于激光的金属粉末床熔化（PBF）技术的精度已提高到可以3D打印具有高度复杂的几何形状和极其精细的细节的金属零件的水平。这使得PBF-LB / M特别适合于生产高性能的轻质晶格结构。

尽管具有上述优点，但PBF的制造过程还是充满挑战的，通常来说，3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻（STL）格式的网格表示，然后将网格切成一系列平面轮廓，最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是，当切片的三角形数量过多时，三角形的数量会变得非常庞大，处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间，导致无法在计算机上正常运行。当要打印的零件具有高度复杂的内部结构（例如，三重周期性最小表面（TPMS））时，情况就更糟了。由于这些原因，需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。

现有的大多数研究工作都是通过改进CAD到STL转换过程来解决上述效率问题的。工作原理是在网格划分CAD模型时最小化三角形的数量，这些方法通常可以产生明显的三角形缩小，但有两个严重的局限性。首先，针对不同的CAD模型开发了不同的简化方法，没有通用算法可用。其次，已开发的算法仍无法在具有自由曲面的模型（例如基于TPMS的网格）上给出足够减少的三角形。

也有研究专注于改进STL到轮廓的切片过程，然而，尚未证明存储器和时间使用量的显着减少，

比较新的进展还包括通过使用解析表达式表示3D距离场来缓解此问题，但主要重点是对开放曲面进行切片，而不是对这项工作中考虑的实体进行切片。另外，仅研究简单的几何形状（即1级TPMS）和低精度的PBF打印。目前还没有为设计和制造中的效率问题提供完整的解决方案。

《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中通过无STL的概念解决效率问题，涵盖设计和制造的两个方面。具体来说，论文将设计的隐式实体建模与制造的直接切片无缝集成。

通过隐式建模，可以实现复杂的几何图形高效建模，没有任何与STL相关的表示；通过直接切片，可以直接从隐式几何图形生成激光路径，而无需任何与STL网格相关的中间步骤。然后，可以显着减少存储器和时间消耗。在论文中的实验中，即使对于如图3所示的基于3级TPMS的复杂晶格，内存使用量已减少到100MB，平均计算时间约为1s / slice。

为了使此解决方案容易理解，论文使用了当前流行的基于TPMS的网格作为示例，以详细介绍过程细节。由于高的表面积体积比，基于TPMS的晶格需要大量三角形才能准确表示，这提供了一个很好的示例，说明了传统工艺流程无法正常工作的情况。但是，应注意，许多晶格结构都有隐式表示方案，例如，最常用的基于stut的晶格。这些结构的设计和制造都可以从论文所述的工作中受益。

设计

数字框架包括四个步骤（图1）

图1:数字框架

2.1 设计规范

此阶段从最初的产品设计思想开始，随后将其转换为数字数据，从而证明了产品的性能和功能要求的定义。然后，确定内部结构，例如TPMS类型，层次级别，密度分布，单元大小和方向。

尽管PBF 3D打印技术具有设计自由度的巨大好处，但是它在此阶段要考虑的可制造性确实存在局限性，主要包括以下两个方面：

机器的功能：限制条件包括激光直径、构建尺寸、数据大小、生产时间、粗糙度和最小特征尺寸的限制。

材料选择：最佳的处理参数和打印环境的要求（例如能量吸收率、保护气体、氧气含量）因材料而异。

2.2 隐式建模

隐含的三个具有复杂结构的P，G，D曲面通常可以通过以下函数生成：

图2. TPMS：（a）P，G，D型表面；（b）G表网状固体；（c）与球体相交；（d）分级结构。

2.3 直接切片

PBF的高精度制造特点和TPMS中的高表面积体积比要求采用直接切片方法，而没有三角形网眼构造和加工的任何中间步骤。论文的方法包括三个步骤：（1）切片平面的点隶属度分类，见图3b; （2）从分类平面提取轮廓，参见图3c；（3）基于提取的轮廓生成激光路径，请参见图3d。

图3. 直接切片：（a）待切片的TPMS；（b）点隶属度分类；（c）轮廓提取；和（d）激光路径生成。

该方法将每个切片平面上的任何点分类为IN-Solid或OUT-Solid。IN-Solid表示一个点在TPMS的实体之内，否则为OUT-Solid。具体来说，如果为，则点为IN-Solid，如果为，则点为OUT-Solid。在为给定切片平面分类的点隶属关系中，其轮廓立即显示为IN-Solid和OUT-Solid所占据的平面区域之间的边界。在算法上，可以使用行进平方法来获得此边界，该方法将IN-Solid和OUT-Solid之间的采样点增长为边缘环（即轮廓）。提取的轮廓以CLI格式存储。获取了CLI文件后，可以使用商业软件轻松生成激光路径及其相关的G代码。

在每个切片平面上获得轮廓（存储为CLI文件）后，使用商业软件HansMpath生成G代码作业来驱动PBF3D打印制造。表3给出了用于打印的工艺参数。常用的扫描策略是将每个连续层的扫描图案旋转67°，以减少残余应力。

上述直接方法将切片问题的维度从3D减小到2D，因此可以节省与建模方向有关的所有内存消耗。如案例研究所示，大约可以将内存使用量至少减少几倍。由于完全避免了耗时的三角网格重建和处理过程，因此还可以显着减少切片时间。

图4：多尺度TPMS表

图4显示了如何通过隐式建模方法生成相对密度为10.3％的3个级别的多尺度TPMS表。表1汇总了建模参数。通过将具有不同C常数的两个G面封闭起来，可以生成具有立方体外部形状的1级G板。

因此，该空间被分为3个区域：域A，域B和工作表，如图4d所示，并且这种分离现象也存在于其他G级工作表中。然后，通过从1级表中减去2级域A和B，获得2级G表，如图4e所示。将相同的关系应用于生成3级G图纸。2D切片证实了在低层G片区域中生成了高层G片，这保证了TPMS结构的连通性。更重要的是，可以通过迭代应用此方法来获得更高级别的多尺度TPMS。

如表1所示，应用分层结构可以实现更好的设计性能，即3级多尺度TPMS的表面积与体积之比为15.2。相比之下，一级TPMS的表面积与体积之比仅为0.8。

表格1：隐式模型参数

表格2：测试模型的切片统计信息

表格3:PBF工艺参数

图5：骨支架：（a）主骨；（b）1级;（c）2级;（d）3级

图6：多尺度TPMS和骨支架的照片，显微结构和厚度偏差

如图6所示，打印了3个级别的多尺度TPMS和骨骼支架。通过光学显微镜研究了TPMS的壁厚和粗糙度，显示出高打印精度（达到设计规格）和低粗糙度（Ra～3）。与传统的PBF工艺相比，可以实现μm级精度）。

图7:被动冷却测试温度历史记录和冷却时间（从110°C到55°C）：1级：249s，3级：167s

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l 文章来源： 市场研究团队

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国内首届TCT深圳展于2019年10月15日正式开幕，并于17日完美落幕。海内外优秀3D打印企业齐聚一堂，展现专业风采与企业魅力。盈普三维现场带来 充满亮点的展台展示，发布《盈普SLS技术革新之路》演讲，并与德国DyeMansion签署战略合作，共同助力国内外SLS激光烧结增材技术的开发与应用。

 盈普升阶版PPS首次参展亮相，S360现场进行打印作业

盈普清洁生产解决方案-升阶版PPS自今年7月份推出以来便广受业内3D打印同仁的期待，并受到使用厂商的肯定与好评，展会期间更是得到众多参展观众的关注。现场盈普工程师实际操作了S360尼龙打印设备的打印流程，并通过模拟打印作业与PPS联动，更加直观的展示了盈普设备的特性和功能细节。

 汽车、医疗、消费品、文创等，多款打印样件展示

参展过程中，盈普展台观众络绎不绝。个性的打印眼镜、时尚的3D打印灯具格外夺目，以及应用于汽车、医疗及消费品、文创等领域的专业材料样件都引起来现场关注的极大兴趣。

五彩斑斓的“小河马”定制手机壳受到礼品领取者们的喜爱，小编在此要再次画个小重点：这款“盈普&DyeMansion”的联名款，是经过盈普三维精雕细琢的设计和打印，并漂洋到德国经过DyeMansion特色后处理，最后才来到TCT深圳展和大家见面。领到“小河马”的小伙伴们要好好珍惜哦！

 《盈普SLS技术革新之路》演讲

盈普出席TCT Introducing展商宣讲环节，并带来《盈普SLS技术革新之路》主题演讲。盈普20年品牌历程，且从2004年聚焦于选择性激光烧结快速成型工艺（SLS）的研发和应用。

多年来盈普坚持以产品和研发为发展核心，致力为医疗、汽车、消费品及电子、航空航天等工业领域及教育领域客户提供安全、可靠、高效、环保的“3D打印智能制造解决方案”。

同时，盈普系统的介绍了其尺寸多样的3D打印设备、丰富的材料选择及智好印3D打印信息管理平台。技术革新之路任重而道远，盈普将砥砺前行，不忘初心，坚持3D打印科技的创新和研发。

 盈普三维&DyeMansion 战略合作

盈普三维与DyeMansion作为中国、德国两家专注于SLS打印科技和工艺的企业，在本次展会之前便已经互相抛出橄榄枝，本次参展的“小河马”手机支架即是双方的联名款定制礼品。

借此TCT深圳展，盈普三维与DyeMansion正式确立合作关系，并就技术层面和商务层面展开更多战略部署和业务发展。未来，双方将围绕海内外业务和联合市场推广进行系列的合作，共同助推国内外SLS激光烧结增材技术的开发与应用。

文章来源：TCT亚洲视角

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2019年7月11日，盈普新品发布会-华南站，在东莞长安国际酒店完美落幕，本次会议吸引了华南地区20多家手板行业客户的参与。东莞科恒3D打印率先购入盈普设备20台。

盈普P系列性能版激光烧结SLS3D打印机，来源盈普

盈普P系列在产出和性能参数中具优势，而高集成化的设计、PL-d安全性能等级、高速打印、高性价比是P系列的四个特点。

盈普本次最新推出的P 360型号SLS设备特征如下：

- 采用二氧化碳激光器，激光扫描速度高达15000mm/s；

- 配备独特的主动冷却技术，在模型打印完成后成型缸自动进入主动冷却状态，成型缸冷却时间由15个小时的自然冷却时间减少为3-5个小时，大大提供打印生产效率；

- 指定高度区域温度可调，提升摆放的自由度及成型空间利用率；

- 供粉缸体和高温腔体分离，在打印过程中随时添加粉体和零件，意味着当有临时加急打印订单时，可以直接添加到正在打印的设备当中，而无需等待下一次开机打印；

-优化刮刀铺粉装置，新的刮刀无需调平，刮刀铺粉装置对材料兼容性更强，可以打印尼龙、TPU、PEEK、玻纤尼龙、碳纤维尼龙、铝粉尼龙等；

- 超高的材料复用率，旧粉中添加20%的新粉即可达到优秀的性能。

升级版PPS拥有更集成化的设计、更强大的除尘能力、更优化的人机工程学设计及国际粉尘防爆22区认证的四大特点，此环节的详细讲解引起现场来宾的兴趣。

盈普CEO翟莲子女士为新品发布会致辞，并先后分享了尼龙打印行业现状和盈普近期动态。根据翟莲子女士：现下手板市场的打印服务价格竞争愈加激烈，作为设备生产方，盈普希望能站在客户需求角度，解决客户的痛点，为行业解压。盈普本次新品发布会议的目的也正是这样的初衷：创新出更加贴近市场需求的设备和研发出应用更加广泛的材料是盈普现阶段的使命。同时，与手板、汽车、电动工具、电器等行业领军企业的合作签约，让盈普的技术进步与创新之路走得更加坚定。

来源：盈普

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