2019-09-12    原文出處：3D科學谷
3D列印專業展TCT首次登陸深圳，現場四大精彩看點展前前瞻！
1. 性價比！面向生產級的設備、服務和材料
時間就是生命，效率就是金錢。這兩句被無數創業人士奉若圭臬的深圳語錄，將在此次TCT深圳展上體現的淋漓盡致，更具性價比、注重生產級的產品、服務和材料將湧現在首屆TCT深圳展的舞台上。
以設備為例，此次HP將首次在國內推出新型工業級3D印表機 HP Jet Fusion 5200系列，這款設備最大的亮點在於全新配備新的「自然冷卻模塊」。

HP 5200設備將首次亮相中國
上一款3D列印設備在生產效率上與SLS設備差別不大——雖然列印時間的速度大大加快，但是列印好的產品要在構建室自然冷卻完成後才能解鎖取出。
此次推出的5200冷卻模塊被放置在列印構建室上方，3D列印零件在構建室沒有得到冷卻的情況下被自動轉移到冷卻模塊中，而列印構建室則能夠立即恢複列印作業，因此部件在構建室內等待冷卻的時間被節省掉了，這意味著整個3D列印過程的時間將顯著縮短。
SLS 3D列印企業盈普光電TPM也將亮相TCT深圳展。據盈普CFO鄺巨星表示：目前在華南地區的主要用戶是3D列印服務中心，即「手板廠」，他們正從生產外觀件和結構件到生產功能件和直接零件的方向發展。單一的SLA設備已無法滿足需求，採購能夠批量加工功能性樣件的3D列印設備是必然趨勢，而手板廠的採購訴求無非設備可靠、價格適中、列印質量好、少維修、售後靠譜。相較於進口的SLS設備而言，盈普的SLS 3D列印設備具有極高的性價比優勢。

盈普的設備
2. 模具鋼粉末產品的價格大戰由於增材製造的前景已經越來越明晰，將增材製造提到戰略高度，動用集團資源用價格優勢搶占市場布局，已經成為越來越多的金屬粉末大廠的選擇，而作為應用市場最大、造價成本最低的模具鋼粉市場，價格大戰將成為此次的重要看點。
特別是傳統工模具鋼進行進入增材製造市場之後，這一類企業在國內有非著常強大的銷售渠道網絡，他們熟悉客戶的NC設備，當客戶配置了金屬3D列印設備以後能快速跟進客戶。
代表展商：一勝百模具（展位號 E16）、博樂特殊鋼（展位號 F42）
一勝百和Uddeholm鋼廠是瑞典最知名的鋼鐵企業，其在鋼鐵行業有超過350年的服務歷史，此次將在TCT深圳展上全面推出的面向金屬行業的增材粉末 AM Corrax，AM Corrax將和現有的模具鋼產品線同時推進幫助達成效率與成本的平衡——增材製造所帶來的冷卻流道能提升最終產品生產效率，傳統NC加工將幫助模具企業控制和管理成。

一勝百注塑隨形冷卻案例
Voestalpine 奧鋼聯旗下的博樂特殊鋼則是代表奧地利鋼鐵冶金的最高技術，此次深圳展將展示的包括 Bohler W722 AMPOW, Bohler N700 AMPOW, Bohler L718AMPOW的三個粉末產品。

博樂奧地利增材粉末工廠
也接受客戶訂製的合金，或者對既有的250個Bohler標準鋼種進行霧化，同時也能幫用戶列印出理想的模具零件，並提出冶金和小規模生產建議和諮詢。
3. 增設初創企業展區,前所未見的國內初創企業湧現
9年前的2010年，一家名不見經傳的小公司，在英國 TCT Show的初創企業展區（Start-up Zone）租了一個小小的攤位，一台黑色的桌面級3D印表機，吸引了無數關注的目光，印表機上印著MakerBot的字樣。

MakerBot @TCT 亞洲展 2019
今年將有大量的深圳及周邊初創企業登上TCT的舞台，包括主打MIM間接金屬3D列印的，對標由Google領投的全球獨角獸 Desktop Metal的深圳暢形增材和深圳升華增材；主打光固化設備的諾瓦智能和撒羅滿科技等。

4. 超過25位來自各個地區的行業領先用戶和專家的分享
增材製造/3D列印如何對於整個華南地區的重要支柱產業將如何改善？TCT深圳論壇邀請了國內外知名專家以及行業最領先級別的用戶和我們分享，包括：歐洲工具機協會總幹事，參與編撰歐洲增材製造路線圖的 Filip Geerts先生，全球知名行業分析諮詢公司 CONTEXT副總裁 Chris Connery 先生，國內增材製造行業的意見領袖王曉燕女士等。
領先的行業用戶分享則包括了FLEX 偉創力公司全球增材製造負責人，Ami Galperin先生；李寧（中國）運動研發中心首席科學家，林永佳先生，珠寶行業享譽世界的伯明罕城市大學Frank Cooper先生；以及數字化口腔領先級的用戶，第四軍醫大學高勃教授和深圳倍康美總經理康璇女士等。
TCT深圳論壇詳細日程如下:

2019-08-29     原文出處：3D科學谷
隨著金屬增材製造技術的不斷深入應用，如何提高製造質量、製造效率，降低製造成本，成為人們關注的焦點。利用仿真分析工具，開展金屬增材製造過程分析，可以有效幫助企業快速固化不同零件的成形工藝，提高零件的成形質量和效率，降低零件生產周期和廢品率。
關於仿真在粉末床雷射熔化工藝的應用，谷.專欄曾經通過《專欄 l SLM工藝仿真綜述》系列的三篇文章加以分析。本期專欄《案例展示金屬增材製造過程仿真分析（上篇）》將結合具體案例展示如何開展基於粉末床雷射熔化成形製造過程仿真分析，從而減少工藝試錯成本。
宏觀尺度增材製造過程仿真分析
宏觀尺度增材過程仿真分析，包括如何藉助仿真分析工具，進行構件的快速擺放設計、支撐優化、結構優化、變形補償，以及熱處理過程的仿真分析優化。

- 藉助仿真分析實現構件快速擺放
某汽車懸架系統控制臂，在實際成形前，基於ANSYS Additive Print增材仿真分析軟體進行不同擺放方式下快速仿真分析，確定最佳擺放方式。圖1為控制臂的三種擺放方式，圖2為計算變形結果。

圖2 三種擺放方式下變形對比。來源：安世亞太
對比三種擺放方式（如表1所示）的計算變形結果以及支撐面積、支撐體積、成形高度，可以選擇最適合客戶要求的擺放方式。構件擺放方式直接決定著構件可否成功成形以及成形質量、時間、成本，對於複雜構件，僅依靠工程師的經驗很難快速確定最佳擺放方式，往往需要藉助工藝試錯實驗來確定，不僅給企業添加額外製造成本，而且大量延長了產品研發、生產周期。利用仿真分析，從構件變形、應力分布、支撐添加量、成形時間等因素綜合對比，可以幫助工程師快速實現構件最佳擺放方式的確定。

表1 三種擺放方式綜合對比。來源：安世亞太
- 仿真分析優化支撐結構
工藝支撐（支撐、約束、散熱作用）既要保證構件成形質量，又要容易去除，且支撐內部粉末要容易回收，避免原料浪費。因此，對於雷射粉末床熔化成形工藝過程，支撐結構的設計和優化極其關鍵。現階段支撐結構優化手段匱乏，主要依靠工藝試錯試驗，所以往往耗時、耗力、耗材。基於增材仿真分析進行支撐結構優化，可以避免反覆的工藝試驗過程。
以某零件支撐設計為例，該零件由拓撲優化設計而成，結構較複雜，薄壁、細小連接杆件、孔結構以及懸垂結構較多（如圖3a、b所示），對支撐設計要求較高，需要進行合理優化。因此，在最初支撐設計的基礎上，利用ANSYS Additive Print仿真分析軟體預測構件變形、應力分布，基於預測結果，進行相應的支撐再優化，實現較佳的支撐設計（如圖3c、d所示），確保了零件的高質量成形。

圖3 某零件仿真分析優化支撐結構。來源：安世亞太
- 藉助仿真分析實現構件結構優化
雷射粉末床熔化成形工藝具有自身獨特的製造特徵約束，包括工藝、材料性能以及結構特徵約束（如表2所示）。目前拓撲優化軟體很難完全考慮製造約束，拓撲優化結果直接成形（或者其他類非面向增材設計零件）往往需要添加大量的工藝支撐，而且薄壁結構、細小連接杆件等增加了成形風險。因此，需要對結構再次進行基於增材製造約束的優化設計，經過優化設計，懸垂面減少，成形時支撐添加量減少，薄壁特徵、細小連接杆件等特徵也得到優化，成形成功率提高，製造成本也將明顯降低。

表2 雷射粉末床熔化成形製造約束。來源：安世亞太
以某零件為例，通過對設計結果進行增材仿真分析，進行結構的重新優化設計，變形風險明顯降低（如圖4所示）。

圖4 某零件拓撲優化結果再優化設計。來源：安世亞太
- 變形補償提高成形精度
金屬增材製造構件熱變形很難避免，通常控制手段包括支撐約束、工藝參數優化等。熱變形對於構件成形質量影響較大（對於精度要求超過工藝製造精度，必須依靠後處理機械加工來保證），對於某些對裝配要求較高的構件，一定程度熱變形失真可能直接導致零件報廢。

圖5 某零件變形補償模型。來源：安世亞太
藉助仿真軟體分析，自動輸出變形補償模型（如圖5所示），以變形補償模型做為實際成形原文件，可以有效提高構件成形精度。
- 增材製造後處理-熱處理仿真分析優化
金屬增材製造成形快速的凝固過程，可以得到較為細密的微觀組織結構，然而，由於其「先天」的工藝特徵，成形構件殘餘應力、成形材料內部氣孔缺陷很難避免。通常情況下，金屬增材製造成形材料具有「高強低塑」特徵，且部分合金材料在快速凝固過程中強化相來不及析出（第二相析出強化機制），因此成形後材料塑性或強度指標需要通過熱處理進一步改善。
熱處理作為金屬增材製造較為重要的後處理組織性能調控環節，可以有效的提高成形材料綜合力學性能以及消除材料內部缺陷。利用仿真分析工具，對增材製造熱處理進行仿真分析，可以達到優化熱處理工藝參數的目的。

2019-08-28     3D科學谷當今增材製造（AM）行業最大的瓶頸之一 – 尤其是金屬增材製造（AM）–是用於3D列印的材料十分有限。在通過更傳統的製造工藝加工零件時則有大量的金屬合金可供選擇，卻難以找到符合工業製造特定要求的可3D列印金屬粉末。
根據3D科學谷的市場觀察，GKN推出的低合金鋼擴大了雷射粉末床熔化金屬3D列印工藝（LPBF）和粘結劑噴射金屬3D列印工藝（Binder Jetting)的材料範圍。

GKN低合金鋼粉末材料.來源：GKN
激活3D列印汽車應用前


目前，GKN增材製造材料業務提供了許多用於增材製造的先進金屬粉末，包括其ANCORTI 鈦合金系列和ANCORAM 特種鋼系列，以及鎳基合金，鋁合金和銅合金。
在其鋼粉業務中，GKN增材製造材料業務開創了用於增材製造的新型低合金鋼粉，可實現現有工業材料的機械性能，包括鑄造、鍛造和MIM鋼等工藝所加工的材料性能。這些突破性的低合金鋼粉為汽車行業等行業引入增材製造工藝創造了新機遇，其中可擴展性和成本是關鍵驅動因素。
汽車用低合金鋼
GKN增材製造材料業務部門與汽車行業的合作夥伴合作，開發出根據化學成分定製的用於增材製造工藝的低合金鋼粉末，這些材料滿足行業要求，並滿足金屬粉末工業聯合會（MPIF）和ASTM國際組織制定的標準。
GKN增材製造材料的ANCORAM4605是一種含有鎳，鉬和錳的氣體或水霧化低合金鋼粉，已經上市銷售，被認為是製造特殊厚截面零件的理想選擇。而所有低合金鋼的粒度均適用於LPBF和粘合劑噴射工藝。

GKN還成功開發出20MnCr5，這是另一種低合金鋼粉末材料，適用於汽車原型製造應用，提供汽車零件所需要的機械性能。根據3D科學谷的市場觀察，保時捷工程公司在確定這種材料的應用可行性後，開發了一種新的電動動力系統（延伸閱讀：快速走向新途徑，GKN和保時捷通過金屬3D列印開發電子驅動動力總成）。20MnCr5鋼粉具有高強度、高延展性、高疲勞強度，通過表面硬化具有優異的耐磨性。
20MnCr5材料對於汽車行業來說打開了增材製造的新空間，汽車行業將首先通過這種低合金鋼材料進行原型製造，然後確認是否可擴展到大規模生產應用。通過3D列印製造的零件允許工程師在幾周內（如果不是幾天）完成設計驗證，並進入到下一輪的設計疊代周期中。

GKN 20MnCr5鋼粉。來源：GKN
這種特殊的20MnCr5低合金鋼粉末不僅針對汽車應用進行了優化：它還特別適用於LPBF的粒度和成分。通過氣體霧化產生的粉末具有優異的流動性和可印刷性，從而實現了成本有效的LPBF工藝。
除了20MnCr5粉末外，GKN增材製造材料還開發了一系列用於增材製造的低合金鋼粉末，這些粉末在淬透性，熱處理和機械性能方面各不相同。每種粉末的區別在於不同的金屬組成，其中包含不同水平的碳（C）、矽（Si）、錳（Mn）、鉬（Mo）、鎳（Ni）和鉻（Cr）。

水霧化與氣霧化的比較。來源：GKN
當然開發這些材料並不是一帆風順的，GKN在開發更多低合金鋼粉時必須克服很多挑戰。其中一個主要困難是低合金鋼中的高碳含量，這在傳統製造中具有關鍵的高強度特性。然而，對於增材製造過程，高碳含量經常導致3D列印過程中的破裂並最終導致缺陷部件。因此，GKN正在尋找可替代的化學成分，以確保強度和可3D列印的特性，而不會增加碳含量。
GKN增材製造材料的主要優點是能夠匹配工業製造商習慣使用的鑄造，鍛造或MIM工藝用金屬材料所實現的機械性能。GKN增材製造材料的低合金鋼材料在彌合當前3D列印用材料方面的差距方向上前進了一大步，為汽車和其他領域的金屬3D列印開闢了新的應用空間。

名詞解釋：
低合金鋼：指合金元素總量小於5%的合金鋼。低合金鋼是相對於碳鋼而言的，是在碳鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，而有意向鋼中加入一種或幾種合金元素。加入的合金量超過碳鋼正常生產方法所具有的一般含量時，稱這種鋼為合金鋼。當合金總量低於5%時稱為低合金鋼，普通合金鋼一般在3.5%以下，合金含量在5-10%之間稱為中合金鋼，大於10%的稱為高合金鋼
淬透性：指在規定條件下用試樣淬透層深度和硬度分布來表征的材料特徵，它主要取決於材料的臨界淬火冷速的大小。在規定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。即鋼淬火時得到淬硬層深度大小的能力，它表示鋼接受淬火的能力。

2019-08-25    文章出處：3D科學谷
全彩3D列印在設計領域正逐漸成為主流應用方向，縱觀市面上的彩色3D印表機只有寥寥幾個品牌，XYZprinting 作為其中之一，其推出的da Vinci Color 系列全彩3D印表機自面世以來已收到市場的廣泛認可，專有的FDM+CMYK全彩3D印表機專利，已被業內廣泛應用，而近日，XYZprinting另一項SLA 全彩3D列印專利在美國專利局網站公示。

全彩3D列印新專利
2018年末，XYZPrinting已提交了一項專利，可以運用SLA技術列印多種顏色的物體。該專利詳細介紹了依靠SLA技術的「自動上色技術」，該專利也是業內首次實現。
在新的SLA全彩專利中，顏色將通過安裝在光模塊旁邊的上色模塊添加。系統中的樹脂是通明、無色的，色彩則通過液體噴霧方式添加至不同的列印位置。

全彩SLA系統的3D列印工作流程
三緯國際立體列印科技股份有限公司成立於2013年，從2015年已連續四年摘得3D印表機全球銷量第一桂冠，全球市場占有率超過20%，3D列印技術專利擁有量全球第三，累積擁有量超過1000個。已開發的技術包含FDM、SLA、DLP、3DP、3D JET、SLS等，而三緯國際還在持續投入研發，在3D列印技術上持續突破。

XYZ的達文西彩色3D印表機列印的模型
XYZprinting da Vinci Color 全彩3D印表機採用FDM+CMYK技術，可將3,200萬色彩完美呈現在3D列印物品的表面及內部，讓色彩創意輕鬆實現。
​文章來源：中國網

2019-08-19    文章出處：3D科學谷
​如果說3D列印-增材製造是製造業未來的大門，那麼創成式設計將是解鎖它的關鍵。通過雲和人工智慧，創成式設計正在打通設計與製造銜接的最後一公里：3D列印技術與傳統製造技術的設計折衷。

​歐特克近日發布了關於創成式設計的2.5軸*版本，主要用於生成突破銑削約束的設計。 這使得Fusion 360用戶能夠將3D列印與傳統的CNC銑削實現更好的結合。

創成式設計。來源：歐特克 Fusion 360
正在將增材與減材融合的建模設計軟體
3D科學谷了解到，這些設計打破了我們對創成式設計所熟悉的「仿生學外形」，而是外形上看上去更接近傳統的設計。

左：創成式軟體生成的3軸加工設計，右：創成式軟體生成的增材製造設計
展示的是來自MJK Performance的摩托車三重夾具。來源：歐特克
通過Autodesk Fusion 360提供的創成式設計功能，設計和可製造性都是內置的。增材製造和3軸以及5軸銑削加工之間具有各自的特點，這些特點使得這兩者之間似乎隔了難以逾越的「鴻溝」，而歐特克近日發布的關於創成式設計的2.5軸版本使得任何擁有數控銑床的人都可以隨意使用這種「折衷」的設計來進行加工。
除了可以直接訪問Fusion 360基於雲的創成式設計，高級仿真模擬和高級CAM功能外，歐特克Fusion 360集成工作區現在還提供真正的混合製造體驗，在單一工作流程中結合了先進的增材製造和CAM功能。


面向未來的設計與製造，創成式設計的下一步是什麼？一個簡單的回答是：設計和製造的融合是產品製造的必然！
歐特克的努力方向是打破產品設計師，機械工程師和製造工程師之間的孤島。
在應用領域，根據3D科學谷的市場觀察，歐特克基於Autodesk Netfabb和Fusion 360 開發了一種全面的增材製造設計到3D列印的工作流程，將Autodesk創成式設計技術與惠普的HP Multi Jet Fusion 3D印表機連接起來。通過簡化數字設計到物理部件的轉換，新工作流程將提高快速設計的可訪問性，同時加快用戶3D列印零部件的能力。
將HP Multi Jet Fusion獨特的體素級特點與歐特克創成式設計相結合，可以從原型設計到生產，獲得創新能力，製造速度和質量控制的全新水平。軟體激發製造活力，新的功能正在釋放新的可能性，並進一步改變世界設計和製造方式。
除了與惠普的合作，歐特克還與GE增材製造合作簡化金屬增材製造的開發工作，基於Fusion 360平台，通過工作流程軟體連接增材製造的所有階段，從設計和仿真模擬到3D列印流程和機器分析。
另一方面，通過使用GE Additive軟體算法，接口和專業數據模型提供預測性見解，增材製造工作流程中所嵌入的軟體可以在設計的早期階段提供成本和製造周期時間線預測，使設計人員無需先實際生產零件即可制定製造計劃和業務決策。

而另一方面，歐特克與EWI聯手通過一系列培訓計劃加速行業採用和部署增材製造技術，包括定向能源沉積（DED）技術。歐特克的PowerMIll Additive提供了一種創新解決方案，簡化的工作流程使得沉積路徑計算、數控程序排序、列印過程仿真和後處理變得輕鬆便捷。
毫無疑問，歐特克正在將增材製造應用擴展到真正的工業規模。無論是軟體還是硬體，現在都可以實現更遠大的目標，歐特克正在抓住這一機遇，為增材與減材相融合的加工過程提供變革所需要的軟體平台與工具。
*名詞解釋：2.5軸的工法是用來銑削由袋狀區域，島嶼，輪廓外形，溝槽，垂直壁面，平坦面和鑽孔加工等工序所組成的弓箭。通常使用在電子零件外殼，精密機械零件，沖床模具加工。
更多3D列印行業發展態勢，敬請參加TCT深圳展（2019年10月15-17）期間的論壇，詳細傾聽3D列印領域的分析專家Chris Connery （CONTEXT公司全球副總裁），Filip Geerts(歐洲工具機工業及相關製造技術協會總幹事), 王曉燕 （3D科學谷創始人）共同為您帶來的全方位的剖析與灼見。

2019-08-18   文章出處：3D科學谷在3D列印過程中，隨著熱量累積的增加，WAAM-電弧金屬增材製造的幾何精度和成形質量下降。過多的熱量輸入也會引起殘餘應力和變形，從而形成較差的機械性能。為了解決WAAM面臨的挑戰，山東大學團隊開發了一種名為強制拘束型電弧金屬增材製造（CC-WAAM）的新技術。
減少過多熱量避免變形
WAAM（熔絲電弧增材製造）技術是由英國屢獲殊榮的克蘭菲爾德大學開創的金屬3D列印技術。WAAM在生產大型零件時具有無與倫比的效率和成本優勢，常用於航空航天和航海工業。它已廣泛應用于飛機後架，壓力容器，飛機機身結構件，空心螺旋槳葉片，起重機吊鉤和船舶零件的生產。
為了解決WAAM工藝過多的熱量輸入引起的殘餘應力和變形，山東大學所開發的強制拘束型電弧增材製造技術-CC-WAAM，包括殼體、銅蓋、熔化極電極和非熔化極電極。

a.CC-WAAM示意圖; b.CC-WAAM中噴射的弧和液滴的圖像。來源：山東大學
熔化極電極和非熔化極電極下方設置有陶瓷噴嘴，且熔化極電極的焊絲延長線和非熔化極電極底部均位於噴嘴內；採用這種結構的裝置，通過焊絲與鎢極之間起弧，電源接在焊絲與鎢極之間，然後通過不同形狀的陶瓷噴嘴的機械壓縮及熱壓縮對產生的MIG電弧進行拘束，使發散的電弧拘束形成豎直向下噴射的類等離子體，與現有技術相比可有效避免增材製造過程中逐層堆積產生的過大熱輸入及熱積累帶來的不良後果。
該工藝可以更好地控制金屬的形成狀態，生成具有均勻微觀結構分布的層。根據3D科學谷的市場觀察，山東大學還研究了該技術的最佳工藝參數和下焊現象。
工藝過程：
焊絲延長線與鎢極的交點必須是在陶瓷噴嘴內部，焊絲與鎢極之間接觸起弧，電弧在一定形狀的陶瓷噴嘴的機械壓縮或是熱壓縮的拘束作用下，由原本的發散狀電弧變為拘束至豎直向下的電弧，並通過噴嘴噴射到基板上，而焊絲在電弧中熔融變為液態熔滴，液態熔滴在整個熔滴過渡階段均處於拘束電弧的保護下，在這一過程中可以對液態熔滴進行持續的加熱及保溫，同時對於基板也有很好的加熱作用，從而保證了增材製造層間可以形成有效地冶金結合；同時，噴射的拘束電弧可以補充液態熔池所需的熱量，從而使增材製造層的成形更好；豎直向下挺度大的拘束電弧可以使熔滴過渡更加穩定，減小飛濺；除此以外，可以通過使用可改變形狀及方向的陶瓷噴嘴來控制拘束效果，從而更加穩定地控制熱輸入。

​工藝控制：
從焊炬到基板的距離為熔融液滴轉移提供了足夠的冷卻空間，因此，熱輸入顯著降低。通過該方法生產的層顯示出均勻和精細的微結構。通過調節焊炬的行進速度，也可以有效地控制每層的幾何尺寸。
還可以通過改變陶瓷噴嘴的形狀，比如陶瓷噴嘴下端的錐度可以控制在0—1.3，從而改變電弧的拘束度，以此來滿足不同要求列印層的需求。
總體來說，山東大學創造了新型的基於熔焊的增材製造裝置和方法，通過陶瓷噴嘴以及保護氣對電弧以及液態熔滴的機械壓縮和熱壓縮的作用，從而能夠使電弧在熔滴過渡階段都能有效的保護和保溫熔滴，並同時能夠加熱基板，使熔滴與基板產生可靠地結合；由於電弧不直接與基板接觸，所以降低了熱輸入，同時拘束電弧又保證了列印層間的可靠結合；還可以通過改變堆積速度，來控制增材製造零件的成形精度。

力的分析。來源：山東大學
該團隊的一個挑戰是開發系統控制參數，以確保電弧和液滴傳輸的穩定性。電弧的穩定性促進了液滴的平衡轉移。同時，液滴的穩定轉移使電弧保持穩定。研究人員利用高速攝影技術，研究了不同條件下的焊接現象。


結果表明，電弧行為和液滴轉移隨電參數而變化。在低電平電參數（80 A / 14.9 V – 200 A / 18.3 V）下，電弧和液滴非常不穩定。相比之下，高水平電氣參數（200 A / 18.3 V – 300 A / 18.3 V）可實現0.8 mm的小液滴和300 Hz的高傳輸頻率。弧形和液滴轉移變得非常穩定，證明了更高級別的電氣參數更適合CC-WAAM。
團隊得出的結論是，CC-WAAM工藝最合適的參數是300 A / 18.3 V，氣流量為5 L / min。利用這些最佳參數，實現了短而穩定的電弧和高頻液滴傳遞。
根據3D科學谷的了解，山東大學的強制拘束型電弧增材製造技術適用於增材製造航空、航天、核電等重大工程領域中各類形狀較複雜、精密元件，可列印材料包括鈦合金、不鏽鋼、銅合金等。
更多3D列印行業發展態勢，敬請參加TCT深圳展（2019年10月15-17）期間的論壇，詳細傾聽3D列印領域的分析專家Chris Connery （CONTEXT公司全球副總裁），Filip Geerts(歐洲工具機工業及相關製造技術協會總幹事), 王曉燕 （3D科學谷創始人）共同為您帶來的全方位的剖析與灼見。

3D列印的矽晶片
而國內武漢大學採用金屬有機框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作為原料，利用雷射成功製備了顆粒大小均一的金屬納米晶粒。通過程序控制雷射的開閉和光斑的移動實現了圖案的製備，僅數十秒即可列印出由金屬納米晶粒構成的晶圓級別大小的晶片，整個過程完全在空氣中進行，所需雷射功率不到5瓦，適合規模化生產。

3D列印在電子領域的應用。來源：3D科學谷《3D列印與電子產品白皮書 1.0》
而對於晶片的開發來說，除了具備材料技術以及3D列印的經驗，熱仿真是關鍵的一環。本期，谷.專欄通過安世亞太的仿真專家分享《熱仿真在晶片研發中的作用》以呈現晶片開發的別有洞天。
隨著現代社會的智能化發展，在人類生活的各個角落，無論是汽車電子還是人工智慧，再或是AR、VR，以及其他新科技應用領域，半導體晶片都是智能化控制的最基礎、最核心的部分。高度集成的封裝及電路控制可以幫助人類完成各種各樣的工作。
使用ANSYS Icepak可以精確地計算晶片封裝內部的熱流分布，計算不同工況下的熱阻數值，方便工程師洞悉晶片內部的熱流路徑，以進一步改善晶片的熱流環境，提高其熱可靠性。
洞悉晶片散熱的別有洞天
為滿足智能化、微型化的需求，晶片被最大程度地封裝集成，多個晶片(chip）或並列封裝於一個Package中，形成SIP(System In a Package)系統級封裝，或進行Stacked堆疊封裝,形成堆棧裸片封裝。

Stacked Die堆棧封裝示意圖。來源：安世亞太
眾所周知，當電流流經導體時，必然會生成焦耳熱，熱量的不平均勢必引起導體的熱變形等不良現象，那麼對於高度集成的晶片封裝，在其工作時，晶片內部的熱耗勢必急劇增大，進而導致晶片內部溫度升高，因此在晶片封裝的研發過程中，晶片封裝的過熱問題必須得到良好的控制。

焦耳熱引起的導體溫升及熱變形。來源：安世亞太

某晶片內部的電流雲圖某晶片的溫度雲圖分布。來源：安世亞太
正如華為總裁任正非2018年接受記者採訪時講到「我們把晶片疊起來，但最大的問題是要把兩個晶片中間的熱量散出來，這也是尖端技術，所以說，熱學將是電子工業中最尖端的科學，這方面我們的研究也是領先的，就是太抽象了」，那麼在晶片封裝的研發過程中，工程師可以使用ANSYS Icepak對晶片封裝內部的熱流場進行CAE仿真計算，也可以和ANSYS其他模塊一起，進行晶片封裝的多物理場耦合模擬計算，以便調控熱流傳遞路徑，更好地降低晶片Die的溫度，提高其熱可靠性。下圖為某晶片內部的熱流密度及溫度雲圖，可以看出，晶片內部的溫度極其不均勻。

晶片封裝熱流計算常見的幾種熱阻分類如下：
- 晶片封裝的Rja熱阻，表示晶片的結點Junction與外界空氣的熱阻，單位為℃/W，一般由晶片製造商提供。Rja熱阻數值的大小，通常被用來判斷晶片散熱性能的好壞。下圖表示某個晶片的Rja熱阻數值（包括自然冷卻和強迫風冷）。

某晶片封裝的Rja數值。來源：安世亞太
Rja熱阻通常包括兩種，一種為將晶片放置於JEDEC標準的密閉測試機箱中，晶片通過自然冷卻進行散熱，即外側風速為0，計算晶片封裝的Rja；另一種為將晶片放置於JEDEC標準的風洞中，通過外界的強迫風冷對晶片進行散熱，需要計算不同風速下的晶片Rja熱阻，其中風洞垂直距離h應該大於測試電路板流向長度L的2倍，即h>2L。

封裝Rja熱阻（強迫風冷）模型示意圖。來源：安世亞太
晶片Rja熱阻的計算公式如下所示：
Rja=（Tj-Ta）/P
Rja表示晶片結點Junction至環境空氣的熱阻，℃/W；
Tj表示晶片Die的最高溫度，℃；
Ta表示環境的空氣溫度，℃；
P表示晶片Die的熱耗，W；Tj、Ta測量點示意圖如下圖所示。

Tj、Ta測量點示意圖。來源：安世亞太
進行Rja計算時，晶片務必放置於電路板上，當晶片封裝的尺寸小於27mm時，測試電路板的尺寸如下左圖所示；當晶片封裝尺寸大於等於27mm時，測試電路板的尺寸如下右圖所示。

晶片尺寸小於27mm（左），晶片尺寸大於等於27mm（右）。來源：安世亞太
- 晶片封裝的Rjc熱阻，表示晶片封裝的結點Die至晶片管殼Case頂部的熱阻。將晶片封裝放置於四周絕熱的環境中，晶片封裝僅僅通過管殼的頂部與外接環境進行換熱，恆定的換熱係數為25w/k.m2。Rjc測試的示意圖如下圖所示。

Rjc熱阻測試示意圖。來源：安世亞太
Rjc的計算公式為：
Rjc=（Tj-T_c）/P
Tj表示晶片Die的最高溫度，℃；
Tc表示晶片管殼Case的最高溫度，℃；
P表示晶片Die的熱耗，W。
- 晶片封裝的Rjb熱阻，表示晶片封裝的結點Die至電路板Board的熱阻，其真實的測試示意圖下圖所示。晶片封裝放置於Pcb電路板上，電路板長、寬方向的尺寸均大於晶片封裝5mm，將晶片和電路板放置於密閉的空間內，電路板四周的面處於恆定的溫度，晶片封裝的熱量只能通過電路板傳導至電路板四周恆溫的壁面。

Rjc熱阻測試示意圖。來源：安世亞太
晶片封裝Rjb的計算公式為:
Rjb=（Tj-T_b）/P
Tj表示晶片Die的最高溫度，℃；
Tb表示電路板board的溫度，℃；
P表示晶片Die的熱耗，W。
因此，使用ANSYS Icepak可以精確地計算晶片封裝內部的熱流分布，計算不同工況下的熱阻數值，方便工程師洞悉晶片內部的熱流路徑，以進一步改善晶片的熱流環境，提高其熱可靠性。
關於3D列印在電子結構件領域的應用，請參考《3D列印與電子產品白皮書》。
王永康
北京科技大學工程熱物理專業碩士，現任安世亞太科技股份有限公司ANSYS Icepak產品經理；工作至今，做過數十個電子產品熱設計優化的諮詢項目；擅長電子產品熱設計基礎理論培訓、ANSYS Icepak軟體基礎培訓、ANSYS Icepak軟體高級培訓、電子產品熱設計導航培訓、電子產品熱設計優化諮詢等領域。

2019-08-09   文章出處：3D科學谷超聲速燃燒衝壓式發動機，可以在攀升過程中從大氣里獲取氧氣。放棄攜帶氧化劑，從飛行中獲取氧氣，節省重量，就意味著在消耗相同質量推進劑的條件下，超燃衝壓發動機能夠產生4倍於火箭的推力。
而隨著3D列印技術應用走向成熟，3D列印超燃衝壓發動機成為各大軍事領域的發動機製造商發力的重心。

B-52機翼下的X-51A Waverider.來源：FlightGlobal
挑戰技術瓶頸
2019年6月，美國武器開發商雷神公司(Raytheon)宣布與諾格公司(Northrop Grumman)合作開發一種稱為吸氣式高超音速概念的武器(HAWC)，兩公司合作的產品已準備好進行首飛，其中諾格負責製造超燃衝壓發動機，雷神則製造飛行器。

2019-08-07    文章出處： 3D科學谷
​曼徹斯特大學國立石墨烯研究所和材料學院的研究團隊在導電油墨與儲能設備3D列印領域進行了研究，他們通過3D列印技術和MXene 材料製造了叉指形電極，該電極可供超級電容器等儲能設備使用。
曼徹斯特大學形象地將這一應用稱之為「實現2D材料的3D製造」。

3D列印MXene材料，來源：曼徹斯特大學
導電性更好體積更小
之所以將列印油墨稱為2D材料，是由於MXene是一種類石墨烯的二維層狀材料，它是一種金屬碳化物和金屬氮化物材料，MXene材料在乾燥時顯示出高導電性與親水性，因此易於分散在水性懸浮液和油墨中。[1]


曼徹斯特大學是石墨烯材料的誕生地，石墨烯（Graphene ）是世界上第一種二維材料，它比銅更具導電性，比鋼更強、柔韌並且更加透明，石墨烯材料的誕生為探索其他二維材料打開了大門。
每種二維材料都具有一系列不同的特性，製造方法和材料配方對於在具體應用中發揮出二維材料的特性尤為重要。研究團隊表示，他們證明了大量的MXene薄片可以覆蓋幾個原子厚度，水被用於配製具有特定粘彈性行為的可印刷油墨，通過3D列印技術可以製造超過20層的獨立結構。
研究團隊發表於Advanced Materials 期刊中的論文中表明，MXene 3D列印油墨材料由原子級薄（1–3 nm）的二維金屬碳化物（Ti3C2Tx ）組成，橫向尺寸約為8μm，並具有理想粘彈性。
該材料可通過基於材料擠出工藝的3D列印設備製造高比表面積的能量存儲器，例如無集電器的超級電容器。[2] 相比傳統電容器，超級電容能夠在使用更少的能量下產生大量功率，具有優異的導電性，並且體積更小。
超級電容等能量存儲設備性能的提升越來越依賴於創新材料和可擴展的製造方式，曼徹斯特大學的研究團隊認為MXene油墨及其3D列印技術為能量存儲設備的製造提供了更多機會，製造那些通常需要複雜的3D架構，但傳統製造技術難以實現的設備。能量存儲設備的潛在應用領域包括電動汽車、行動電話等電子設備。


3D科學谷Reivew
正如曼徹斯特大學研究團隊所述，MXene 材料在能量存儲設備領域具有應用潛力。這些應用能否實現產業化應用的關鍵在於，MXene 墨水材料的研製工作能夠提供一種易於實現批量化生產的解決方案，在這一方面，最早研發出MXene 材料的美國德雷克塞爾大學也開展了相關研究。
美國德雷克塞爾大學MXene 材料的發明人Yury Gogotsi教授等人與愛爾蘭都柏林聖三一學院的研究團隊合作報道了一種用於直寫印刷技術的無添加劑MXene墨水。基於水溶劑和有機溶劑兩種體系，研究人員嘗試了擠出列印和噴墨列印兩種列印方式，驗證了其可行性。同時，通過列印得到的微型電容器（MSCs）表現出了高面積比容量和高體積比容量。該墨水具有廣泛的普適性，可拓展至電阻器印刷製備等領域，顯示了該MXene墨水的良好應用前景。[3]
[1] MXene是材料科學中的一類二維無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。它最初於2011年報道，由於MXene材料表面有羥基或末端氧，它們有著過渡金屬碳化物的金屬導電性。
[2] Advanced Materials 中發表的論文為」3D Printing of Freestanding MXene Architectures for Current‐Collector‐Free Supercapacitors」。


[3] 參考來源：能源學人，《無添加劑MXene墨水印刷製備微型超級電容器》。
更多3D列印行業發展態勢，敬請參加TCT深圳展（2019年10月15-17）期間的論壇，詳細傾聽3D列印領域的分析專家Chris Connery （CONTEXT公司全球副總裁），Filip Geerts(歐洲工具機工業及相關製造技術協會總幹事), 王曉燕 （3D科學谷創始人）共同為您帶來的全方位的剖析與灼見。

2019-07-28     文章出處：3D科學谷
​金屬在3D列印領域，以Binder Jetting-粘結劑噴射金屬3D列印技術為代表的間接金屬3D列印以高速，低成本獲得了業界的高度關注。3D科學谷通過上下兩篇文章為谷友分享粘結劑噴射這項技術的發展態勢與挑戰。

燒結中的金屬零件。來源：Desktop Metal
趨勢中的挑戰
Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術的後處理有三個目標：

• 從粉末床中提取「生坯」零部件並對其進行脫粉，而不損壞零件本身。
• 燒結零部件將其縮小到可接受的密度和幾何精度。
• 精加工零件到要求的精度。

顯微鏡下的3D列印金屬零件。來源：惠普


剛列印完成的零件在體積上為25-50％粘結劑和空氣（參見上面的微觀橫截面）。剛列印完成的零件就像脆性海綿狀材料。在粘結劑被有效去除並且「生坯」零件被燒結成更高的密度的時候，這其中包含了諸多後處理的挑戰。
首先需要將完整的3D列印零件從機器中取出並置於烘箱中以蒸發粘結劑的水並交聯聚合物組分以增加強度（一些印表機在列印過程中執行該步驟）。這通常需要至少幾個小時，大致與3D列印時間成正比例。
當使用需要額外處理的支撐/定位器材料的時候，常規的支撐/定位器策略和技術會導致零部件加工的失敗，例如支撐/定位器結構發生變形或收縮的時候會影響到零部件的結構，這時候就需要十分匹配的策略使得支撐/定位器結構不僅僅能起到加工過程中的支撐作用，還在隨後的後處理中不影響零件的精度。
根據3D科學谷的市場研究，Desktop Metal與2018年申請了可分離支撐/定位器技術專利，專利中提到了一種在零部件和支撐/定位器結構之間製造介面層，以便在燒結期間抑制支撐結構和相鄰的零部件表面之間的結合。
支撐/定位器由陶瓷材料單獨製造，定位器的生產成本更高，更耗時，但它們可重複使用，因此可以節省大批量生產的時間和材料成本。必須仔細設計支撐/定位器，以在燒結過程中支撐零件，以補償零件收縮和熱應力轉移。
由於燒結過程中發生的零件收縮，需要通過補償以解決失真。正在開發的軟體工具可以更好地模擬和預測補償方案，然後相應地調整零件幾何形狀。然而這不是一個簡單的解決方案，有時候只對特定的幾何形狀有意義。
根據3D科學谷的市場觀察，拿Desktop Metal舉例，實時仿真方面Desktop Metal與多物理場模擬軟體開發商ANSYS合作緊密。ANSYS的Discovery Live平台允許對CAD模型進行更改，以顯示流體或空氣流量如何實時受到影響，並且任何人都可以使用，而不僅僅是專家。Discovery Live可以讓工程師立即檢查其設計變更的影響，這個平台支持流體、結構和熱模擬應用。這使得設計師可以通過交互的方式探索簡單和複雜變化的影響，疊代變得更加快速便捷。
燒結過程中，零部件在支架上通過支撐/定位器來固定，並放置在具有惰性氣氛的爐子中。首先進行脫粘循環，燒掉粘結劑的聚合物組分，溫度通常在200-600℃範圍內。必須從部件中完全除去所有粘結劑，否則粘結劑中的殘餘碳將對燒結過程產生負面影響並損害最終零部件性能。
去粘結是一個緩慢的過程，因為粘結劑必須通過微小的多孔材料結構蒸發。如果施加太多的熱量和能量，則金屬顆粒基質受到干擾，導致最終部件質量受到不利影響。粘結劑以約1厘米/小時的速度從外表面移除，因此較厚的部分可能需要數天才能解除粘結。


然後是第二次燒結循環，熔化溫度約為金屬熔化溫度的80％（不鏽鋼為1200-1400℃）。燒結緩慢收縮並使零件緻密度達到93-99％的密度。與去粘結一樣，燒結過程可能非常耗時，特別是對於較大，較厚的零件。
Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術與幾乎所有其他金屬3D列印工藝相比都是獨一無二的，因為在3D列印過程中不會產生大量的熱量。這使得高速列印成為可能，並避免了金屬3D列印過程中的殘餘應力問題。
Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術將熱過程轉移到燒結步驟，這使得更容易管理熱應力，因為燒結溫度低於其他類型的金屬3D列印工藝中所需的完全熔化溫度，並且熱量可以更均勻地施加。然而，這並不能完全消除溫度梯度和產生殘餘應力的挑戰。
在爐子中，零部件的較薄部分將比較厚的部分加熱和燒結得更快，這些部分將應力引入厚度變化的零部件中。此外，零部件燒結後的冷卻進一步放大了這種效果。這些熱梯度和應力會使部件翹曲和損壞，並可能產生影響材料特性的非均勻晶粒結構。
管理和補償燒結階段發生的大量收縮是Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術面臨的最大挑戰之一。零件在爐內收縮30-40％，線性收縮15-20％。如果零件很小並且壁厚均勻，那麼收縮是可以預測的。然而，不同厚度的大型零部件的燒結過程會對幾何形狀產生非常複雜的問題。根據3D科學谷的市場研究，燒結收縮目前嚴重限制了Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術適用的幾何形狀和應用類型。
此外，間接金屬3D列印，除了Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術，還有一種通過 普通的桌面級金屬3D印表機來列印金屬絲材（含塑料成分）的製造工藝。關於這種工藝的發展趨勢，3D科學谷將保持關注。