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3D打印业有望改变我们生活中的几乎每一个行业并助推下一次工业革命。听起来有点夸张？我们汇总整理了3D打印技术将会对企业、消费者和全球经济产生的十个重大影响。且听笔者一一道来：[图片]1、大规模减少制造业对环境的破坏传统的制造往往是浪费和肮脏的。在许多方面，3D打印将会减轻浪费和碳排放。减少材料浪费：3D打印只使用构成产品的材料，极大地提高了原材料的利用率。使产品的使用寿命更长：随着3D打印机的普及，产品部件损坏后使用者可以再打印一个新的，所以整个产品没有被扔掉，也减轻了产品生产商技术服务的压力。减少了产品运输量：在传统经济中，很多产品往往要经过长途跋涉才能到达消费者手中。随着3D打印的普及，生产和装配可以在当地进行。原料将是唯一需要运输的东西，而且它们占用更少的运输空间。厂商库存更少：3D打印技术能够帮助公司实现按需生产，所以可以大幅度减少产品库存以及过时产品造成的浪费。这是好的一面，不过研究表明3D打印机本身有也有其不经济不环保的方面。比如使用喷墨技术的3D打印机往往要浪费40％到45％的墨水，以及3D打印机的用电量往往比较大。随着打印机变得更加方便，制造商需要弄清楚如何改善这些问题。2、创建新的艺术媒介“创客（Maker）”运动正在变得越来越小众，现在我们可以把它叫做手工运动。3D打印机正被用来创造创建一种新的现代艺术形式，比如艺术家Joshua Harker在纽约3D打印展上展出的3D头饰。3D打印机的复制功能对于博物馆也有很大帮助。例如，阿姆斯特丹的梵高博物馆已经与富士胶片合作制作了几个梵高画作的3D副本。3、教育创新几个月前，MakerBot在众筹网站上公布了“MakerBot学院”计划，希望能募集3D打印机送给在美国的每所学校。MakerBot公司CEO Bre Pettis在公告中说：“它可以整个改变我们的孩子看待在美国创新和制造的模式。”该公司最近还宣布了一项计划，把高校变成MakerBot创新中心。首个MakerBot创新中心位于启动纽约州立大学，该中心配备30台3D打印机以及一些3D扫描仪，以帮助培训工程师，建筑师，艺术家。4、在零重力空间进行3D打印3D打印机可以帮助太空中的宇航员打印零部件、工具和其它小物件。它也可以帮助加速国际空间站的零件制造。Made In Spac公司是由一群航天领域退役人员和3D打印爱好者组成的，他们已经与美国宇航局（NASA）马歇尔太空飞行中心建立了合作关系，准备向太空发射第一台3D打印机。这台打印机具备在零重力条件下制造零件的能力。NASA希望3D打印技术能使太空任务更加自给自足。去年还有一个工程师获得了来自NASA的资助，开发为宇航员打印食物的3D打印机。下面是其已经开发的产品原型5、革命性的大规模生产大规模生产是3D打印面临的最大挑战，但随着采用大型3D打印机的使用和技术的迅速发展，以更快的速度制造零件的打印机将彻底打乱传统制造业。相关行业：食物：凡是液体或粉末形式的食物都可以3D打印，所以很自然，3D打印的食物将会很重要。军事：军队使用的机械设备往往是高度定制化，而且容易更换的。现在已经能够3D打印枪支，所以3D技术进入这个行业只是时间问题。电子：小尺寸、形状规则和材料简单使得这个行业天然的适合3D打印制造。玩具：家用3D打印机和开源设计将改变孩子们创造和游戏的方式。汽车：这个行业已经开始使用这项技术，据报道，福特利用3D打印验证零部件。高端和更小的汽车企业将首先受益。6、改变医学和保健生物打印是3D打印发展最快的领域之一。该技术采用喷墨式打印机制造活体组织。Organovo是这一领域领先的公司之一，天工社曾经报道过，他们计划在今年的某个时候推出商业化的3D打印肝组织产品。同时他们还与美国国家眼科研究所和国家科学推进转化中心合作开发打印眼组织。卫理会人体研究所（Human Methodist Research Institute）的研究人员表示，他们开发了一种更有效地制造细胞的方法。即所谓的细胞块打印，这种方法可以使制造的细胞100%存活，而不是常见的50％到80％时的存活率。所有这一切自然引起了人们对复杂器官研发的关注，生物打印因其牵涉到道德、伦理和政治问题，注定要引起激烈的辩论。7、改变家庭人类喜欢让自己的家变得更加便利。如今家用3D打印机正变得更小，更便宜。人们可以用它打印定制珠宝、家居用品、玩具、工具等。当家用电器出现问题时，他们也可以打印出零部件更换，而不是下订单等它们运过来。据研究公司Strategy Analytic称，全球家用3D打印市场容量到2030年将达到700亿美元。8、影响不发达地区发展中国家市场往往是与全球供应链断裂的，即使是最基础的产品，但3D打印拥有使其重新加入经济循环的能力。这方面最好的例子是位于奥斯汀的创业公司re:3D，去年5月它在Kickstarter上发起了一个成功的产品推介活动，该公司针对发展中国家开发了一款价格经济的工业级3D打印机Gigabot。该公司已经开始在拉丁美洲进行推广，特别是与智利政府的一项计划StartUp Chile合作。Gigabot将被用于许多在智利的项目，如3D设计实习、生产服装、并用可回收材料进行打印试验。另一种方式是一些公益机构使用3D打印技术帮助发展中国家有需要的人。例如，许多发展中国家对于假肢的需求都很多，但这些产品往往技术复杂、价格昂贵。一位加拿大教授借助3D打印机发明了一种假肢，具备正常人手约80％的功能。现在一家NGO正在将其发送给乌干达的残疾人。9、对全球经济的影响3D打印业将对全球经济产生深远的影响。麦肯锡全球研究院最近发布的一份报告中提到3D打印将对全球经济产生颠覆性影响。该公司预测，它会大幅减少新产品的开发周期。越来越多的公司将更加关注客户的反馈和真正实现以客户为中心的产品设计和技术开发。3D打印技术也减少了新产品进入市场的成本，预计未来小型、微型企业将更具活力。10、知识产权威胁现在很容易找到贡献3D打印设计或模型图纸，当3D打印技术变得更加主流之后，免费设计注定会引来大量的知识产权问题。大多数设计是非专利的，因此它们可以被任何人复制。而一项花费了昂贵的成本设计出来的物体，也可以反向工程或复制，以更便宜的价格出售。现在，有些公司开始追踪一些模型共享网站用户，认为他们侵犯版权或违反知识产权法。其实，大多数设计师都会对原有的设计进行更改和优化，使他们更好，或者进行本地化，以更好地满足不同地区的人群的需求。

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3D打印 (Three-dimensional printing, 3DP) 是一种增材制造技术, 即以数字模型为基础, 运用原材料逐渐累加制造实体零件的技术, 通常用于制造难以或不能用常规方法制造的物体, 其灵活多样、高度个性化的特点, 在医疗领域得到充分发挥, 具有重要的应用价值。脑神经系统是人体最重要的组织结构, 神经外科技术复杂, 稍有不慎就会导致严重后果。近年来, 3DP开始进入神经系统疾病领域, 在术前模拟训练、颅骨与椎骨替代、组织支架等方面展示出诱人的前景。[图片]3DP的基本原理3DP技术借助电子计算机断层扫描、血管造影术、磁共振成像、3D超声心动图、X射线等技术手段建立数学模型, 再采用不同的材料, 通过3D打印机分层切割模型, 逐层打印, 叠加构建成三维物体[1,3-4]。主要的3D成型技术有光固化立体印刷、箔材叠层实体制作、三维喷印、选择性激光烧结和熔融沉积成型、液体界面连续生产, 而常用的材料包括液态光敏树脂、热缩性高分子材料、塑料、陶瓷、金属粉末、去细胞化的细胞外基质、特定供体内的细胞。3DP与体外模拟训练3DP的立体脑结构模型逼真地呈现手术中见到的脑组织结构, 能用于医生在术前的模拟操作训练, 并有助于设计合理的手术方案。近年来, 3DP已开始在一些医院的神经外科术前模拟中得到应用。[图片]动脉瘤与脑血管畸形动脉瘤是脑动脉的异常膨大, 其生长较快, 各个患者生长形态又各有差异, 故手术难度较高。Ryan等参照脑血管影像学获得的参数打印出患者大脑结构与动脉瘤模型, 其精度虽不能将细小血管表现出来, 但较大的动脉与周围脑组织结构清晰逼真, 模拟的动脉可以用外科手术器材处理, 产生真实的外科手术操体验。Waran等采用多种材料, 制造出与组织类型密度一致的模型, 其“皮肤”可进行切割与缝合、“骨骼”坚硬、“脑膜”厚度同肌体相似, 并为“肿瘤”添加方便识别的橙色, 方便进行练习操作。3DP依据病人数据建立个性化模型, 具有准确真实、成本低廉、结实耐用的特点, 在术前模拟训练上十分有效。脑动静脉畸形 (Arteriovenous malformations, AVMs) 是非常复杂的脑血管结构异常, 其血管结构错综复杂, 结构识别困难, 相互关系难以把握, 手术风险较大。3DP模型制作快、成本低, 直观可靠地反映AVMs的结构, 为手术方案的设计提供重要的参考。Conti等认为, 术前使用高精确的3D透视模型进行训练, 能够提高手术质量, 减少手术失误与并发症, 如大脑区域性破坏域性坏死、出血等。Weinstock等对3名AVMs和1名Galen 静脉畸形儿童患者,根据其MRI图像制作了多种材料组成的血管结构模型,逼真地模拟了血管的分布格局, 并以此为依据预测血栓位置,制定手术方案。在实际的手术中,操作顺利,手术时间明显缩短,较常发生的并发症瘫痪和感觉丧失都没有出现,且术后1周就能独立下床活动。[图片]脑室积液与颅内压监控脑室积液是引起脑部不同病变的原因,影响了病患脑脊液的分泌吸收和循环环路,脑脊液含量增加引发脑室系统的扩张,常伴随着颅内压的增高。颅内压监控检测由于颅内血液、脑组织、脑脊液的积压导致的颅腔壁压力,对病患颅内压变化的分析,可以帮助判断患者的伤情与脑水肿的情况,有助于治疗方案设计。以往的术前训练主要在尸体组织和计算机虚拟现实系统中进行,近年来开始使用3DP技术。Ryan等使用多种材料制作出CSF患者头部模型,经医学学生和非医学专业人员的使用测试,发现能很快学会 EVD手术的操作,完成导管放置等专业技术。Tai等设计了脑室外引流安置模拟器的3D模型,模型可以显示颅内压力,能够提供导管轨迹和可视化的液体,让操作者从视觉和触觉上感受不同皮肤、脑、骨,逼真地模拟出人类脑室与周围组织,这种模型可以用于对外科医生的 EVD放置进行训练,具有实际应用价值。椎骨置钉椎骨置钉是针对椎骨严重损伤患者必不可少的外科操作,脊柱各部位椎体骨骼形态各异,脊髓周围有血管等重要脏器组织,导致在脊柱外科手术中存在风险。外科医生要尽量避免损伤到相邻的组织、神经、血管等,使用3DP制作仿真模型,能在术前设计优化手术方案,有效解决手术中的诸多难点,降低病人风险。其根据术前CT进行三维重构,得到病人特异性的脊椎椎体模型,供医生术前模拟训练,设计最佳置钉位置和角度,帮助锁定位置,从而顺利完成手术操作。3DP 模型有助于全面分析椎骨周围结构,为复杂手术提供了可行性方法。高方友等采用3DP制作颅颈交界区个体化模型,设计手术方案,并以模型辅助手术,通过后路减压及内固定方法,成功地为25例患者完成置钉手术。术后无病人死亡,寰椎齿突间隙缩小,延髓颈髓角增大。尹一恒等在颅底凹陷合并寰枢椎脱位手术过程中针对 10名患者自身状况,使用3DP模型分别设计不同手术方案,使得患者症状改善,植骨融合率高达100%。3DP与体内替代植入，颅骨修复颅骨修复是根据现有患者头颅的DIACOM图像, 针对外伤引起的头颅骨破坏、先天性颅骨畸形等异常, 设计出合适的颅骨替代物加以植入。3DP技术充满个性化的量身定制模型,更好的拟合了患者自身的特征, 因而具有更好的适用性。同时,3DP制备使得颅骨替代物的获取更容易、更经济,考虑到生物相容性、经济、重量、生物力学性质、空状结构以及植入后的有无膨胀等问题,目前使用的材料主要是金属、塑料、陶瓷, 其治疗的患者并发症发生率极低,且患者及家庭满意度较高。Fiaschi指出颅骨的缺失、畸形会引起多种并发症,颅骨的修复移植随年龄增长就愈加困难,因而颅骨的缺损需要及早修复,并选择理想的材料。他采用聚甲基丙烯酸甲酯作为颅骨的修复材料,经3DP等技术加以成型,在多例临床病人的植入试验中取得满意疗效,追踪调查显示并发率低、满意度高,表现优Silfhout和Verstegen利用3DP技术为头骨增厚患者量身制作了一个完全由塑料构成的颅骨模型,并成功移植到患者体内。手术后,患者手术恢复良好,几乎没有手术痕迹,因颅骨增厚造成的大脑压迫所致视力减弱、脑功能损伤等症状得到恢复。[图片]椎间盘突出与脊髓侧弯腰椎间盘突出是老年人群的常见病,椎间盘替代是这种疾病的治疗方法之一。Mroz等使用3DP技术制造了腰椎间盘假体,相关参数分析显示这种3D模型有可能被实际应用于临床病人。 Spetzger等借助患者CT数据,3D打印出个体特异性的脊椎融合器,其作为脊椎或者脊椎与颅骨间的植入物在脊椎病治疗中常常使用。颈椎硬化性脊髓病、神经根型颈椎患者使用这种3DP的植入结构,精确地匹配了患者的脊椎椎体,具有较好的初期稳定性与更好的承重面,降低了因错位、沉降引起二次手术的可能。在外科手术中,对于脊椎侧弯病人也常采用椎骨置钉的方法进行治疗。 Takemoto等使用3DP制备的钛模板椎弓螺钉治疗46例患者,420 枚孔钉植入位置准确率达到98．6%,手术成功率达到100%。Kaneyama等设计打印出指导脊椎置钉的一种安全准确的螺钉指导模板,包括位置模板、钻具引导模板、螺旋引导模板,能精确指导脊椎置钉手术过程。在使用这种方法治疗的20例患者中,80枚植入螺钉都精确地插入到预定位置,有97．5%的螺钉完全放置在脊椎根部。证明这种3DP模板体系对指导椎骨置钉手术具有精确、经济、缩短手术时间、减少手术风险的优点。脑机接口脑机融合感知(Brain-machineinterface,BMI)又被称为脑机接口,可以实现计算机与大脑数据的直接记录和交换。神经义肢(neuroprosthetics)就是一个典型的例子。通常,植入电极的电极间距越小,意味着电极密度越高,大脑传输的信号越精确,可能会出现更高性能的BMI系统。当前常规手术的电极间距只能达到 10mm,Morris等在3DP制作的个性化模型上,插入直径1mm的铂电极,制作成为符合脑沟内侧曲面率的硅胶型植入片,植入到肌肉萎缩硬化患者的大脑内 21d,测试证明了这种植入电极具有较好的脑机交流性能。该方法将电极距离降到2．5mm,且物理性能、组织细胞毒性、生物相容性等方面,较常规方法有着很大的改善。作者：徐帅 , 吴彬好 , 陈晓萍

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近日，伦敦大学学院发表了一篇文章，概述了3D打印在药物开发中的作用，以及它如何彻底改变制造过程。从本质上来说，制药业是保守的，并且抗拒改变。当人们考虑将新药从发现转到临床所需要的大量研发成本时，这种经济压力已经启发了人们避免风险的心态。药物开发的这一负担意味着许多已经实施多年的传统做法将会改变，例如药物制造，自从成立以来一直没有发展。虽然这些流程针对成本效益进行了优化，但它们不灵活，不一定与药物开发或临床护理的未来相兼容。最近技术的进步有可能彻底改变药品的生产和管理方式，对制药行业、护理人员和患者产生影响。[图片]这项突破的最前沿的创新称为3D打印（3DP）。该技术允许按需制造几乎任何尺寸和形状的三维物体。不同类型的3D打印机，其中每一个都通过不同的机制来执行任务，并且在速度、分辨率和完整性方面具有不同的折衷。3D打印已被用于制造从儿童玩具到汽车车身的简单和复杂的物体。3D打印在制药行业的潜力是小批量药物的快速、灵活、按需生产。这可能包括药物的剂量、物理特性和释放曲线方面的灵活性，有效地从“一刀切”的方法转向个性化医疗的新世界。伦敦大学药学院发布的一篇文章概述了将3D打印整合到制药生产过程中的可能性的深入研究。这篇论文发表在最近一期的“药理学趋势”一书中，为采纳这项新技术和克服存在的众多挑战提供了案例。作者尤其关注这种方法在两个主要领域的优势：早期药物开发和患者应用。[图片]早期药物开发药物开发的早期阶段对于确定分子是否具有可接受的毒性水平的治疗潜力至关重要。这一阶段的失败率很高，因此企业可以尽快且尽可能节约成本地识别候选分子。虽然计算工具在筛查中扮演着重要角色，但潜在的药物必须通过经常在模型生物体上进行的临床前实验才能进入临床试验。部分研究涉及测试不同的制剂和剂量以确定其效果。3D打印可以通过提供快速灵活的方法来生产具有不同成分的小批量药物，从而简化这一过程。这些做法在目前的制造条件下得不到很好的支持，这减慢了研究进程并且需要大量资源投入。病人应用程序医学的实践正朝着个性化的方向发展。在我们对分子生物学和遗传学理解的进步的推动下，现在存在潜在的可能性，即针对个体特定疗法，以实现最大限度的益处和最小的副作用。3D打印可以帮助实现这种潜力，使适合个人基因特征、疾病状态、性别、年龄、体重和其他特征的定制药物的生产成为可能。3D打印也可以用来创造具有独特性质的复合药物片剂。这些片剂的几何形状和空间分布可影响它们在人体内代谢和分布的方式，为个性化增添了新的层面。最后，儿童和老人通常需要特定剂量的药物。由于当前生产的不灵活性，许多人已经采取粉碎或分裂片剂以达到期望的剂量。这带有一定程度的不确定性，但可以通过使用3D打印来消除这一不确定性。虽然3D打印在药物开发和患者管理方面的潜力确实很高，但整合这一技术的道路充满了重大挑战。毫不奇怪，其中大部分涉及到法规和安全。药品制造业目前的质量控制是非常彻底和详尽的。伦理学家担心，同样的监督水平不能应用于3D打印。此外，如果打印机之间存在差异，则标准化可能会很困难。显然，理想的用于药物开发的3D打印技术尚未发明出来，但随着最近FDA批准首批3D打印片剂，该技术肯定会在未来用于药物制造。

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无论您是3D打印新手还是经验丰富的用户：这10个技巧将帮助您避免3D打印质量问题并获得更好的结果。3D打印质量技巧1：根据制造商的说明设置3D打印机设置3D打印机通常不是“即插即用”。即使程序看起来很简单：请一步一步地按照制造商的设置说明进行操作,通常，您需要拆下内部的带子或支架。另外，请使用制造商的软件设置和打印设置建议。3D打印质量技巧2：使打印机固件和软件保持最新打印机制造商不断尝试改进固件和打印机软件/切片器，以便修复错误并改进功能。因此，请定期检查更新并安装它们。如果打印机软件具有自动更新功能：将其打开以自动安装更新。3D打印质量技巧3：保持3D打印机的维护和校准在开始打印之前，请检查所有螺钉是否牢固固定，没有皮带或皮带轮松动。此外，请执行打印机制造商建议的维护步骤。3D打印机有许多移动部件以及加热和冷却的部件。如果你不定期维护它们，它们迟早会破裂，你必须更换它们。3D打印质量技巧4：保持打印件清洁当打印床上有指纹时，灯丝不能很好地粘在床上。因此：定期用无绒布擦拭酒精并擦拭酒精。床上印刷件的残留物也会损坏新的印刷品：在开始新印刷之前将其取下。3D打印质量技巧5：确保打印件水平调平打印平台对于成功打印至关重要：如果打印件不平整，则打印头无法自行调整。平整的床是第一层正确放下的先决条件。床层不良可能导致前几层翘曲并影响床粘附。另一个结果是底面不平滑。调平打印平台并不意味着使其与放置打印机的表面保持水平。调平的目的是确保打印头始终与打印件平行。如果在打印一层时打印头和打印头之间的距离发生变化，则灯丝可能无法粘住或灯丝可能堵塞喷嘴而导致打印机卡住。如何调整打印平台取决于您的打印机和打印机软件。3D打印质量技巧6：调整打印头和打印头之间的间隙如已经提到的，喷嘴和床之间的距离需要正确设置，否则打印件将具有缺陷。图表显示了如果间隙太大或太小会发生什么：当喷嘴距离床太远或距离太近时会发生这种情况。3D打印质量技巧7：只打印少量和碎片此提示主要面向初学者,当您有更多3D打印经验时，一次打印更多作品确实有意义。从小件开始。令人沮丧的是，制作5小时的印刷效果不佳。并且不要一次打印几件：当这些件中的一件出现问题并被打印头拖动时，它可能会损坏其他件。另一个提示：当你自己构建模型时，最好隔离棘手的部分并打印它们来测试它们是否按照你的需要出现。因此，当棘手的部分出错时，您不必丢弃整个模型。[图片]3D打印质量技巧8：提高长丝附着力当前几层不能正确粘附到打印床上时，会引起典型的打印问题，例如翘曲。为了提高长丝的附着力，我们建议您在床上涂上Kapton胶带或遮蔽胶带,对于PLA长丝，遮蔽胶带很好，当Kapton承受更高的温度时，Kapton在印刷ABS长丝时更好。您也可以在床上涂抹胶水或喷发胶,直接在玻璃板上或胶带上。3D打印质量技巧9：检查第一层3D打印过程通常需要数小时才能完成。但它是印刷品的第一层，决定印刷是否成功。如果第一层没有正确出现，我们建议您中止打印过程,这样可以节省时间和打印材料。[图片]3D打印质量技巧10：最后，要耐心等待学习曲线陡峭。所以，要有耐心，不要让第一次打印失败让你失去动力。高质量的输出不会落入您的圈数。但是你可以做很多事情来提高3D打印质量。来源：中国教育装备网

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尽管电动汽车的制造与生产屡屡传出波折，而特斯拉也在多年的努力之后刚刚实现赢利，然而电动汽车的发展方向是毋庸置疑的，而电动汽车作为一种新的产物，也必将呼唤新的制造技术。[图片]在今年formnext展会上，3D打印汽车概念可以说是吸引眼球的一大热点，这其中包括轮胎制造商HRE与GE Additive（GE 增材制造）的 AddWorks团队开发了第一款3D打印钛合金汽车轮毂。Divergent 3D的3D打印汽车底盘：[图片]布加迪通过带有四激光器的选择性激光熔融3D打印技术所制造的世界首个3D打印的新型八活塞整体式制动钳：[图片]然而，3D打印在汽车领域的应用要实现落地，还存在着多方面的挑战，3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中有过详细的剖析。汽车行业需要利用增材制造的具体优势来提升产品设计，但是当谈到用于经济性的生产，以便将产量从小批量的十几个增加到至少每年100万个。在我们能够打破这个百万产能障碍之前，3D打印对于进入到汽车的生产线方面将一直处于“死胡同”。[图片]那么3D打印在汽车领域的应用，哪些是概念层面的未来应用？哪些是现阶段可以落地的？[图片] 3D打印与铸造谈起3D打印在汽车领域的应用，我们通常容易忽略3D打印技术与铸造的结合在汽车领域的应用，其实，汽车是铸造最大的应用市场，而3D打印与铸造的结合可以说是具有产品设计的源头上颠覆产品设计的潜力。[图片]图片：汽车是铸造最大的应用市场谈起3D打印与铸造在汽车领域的应用，还需要从理解3D打印的优势来着眼，3D打印有两大特点：1是无模化，对应的优势是作为研发试制阶段的捷径，加速迭代过程，减少研发成本；2是对产品的复杂性成本不敏感，对应的优势是适合创新颠覆产品的设计，使得产品设计以功能实现为主导。国内铸造业存在的普遍误区是，仅仅发挥了3D打印的第一个优势，将3D打印砂模或者3D打印PMMA熔模用于产品的试制开发阶段，也就是说加工的还是传统设计的产品，而没有将3D打印从源头上用于创新产品的设计。3D打印的最大优势是用来制造那些传统方式实现不了的设计，包括薄壁，复杂的形状这样的设计，用在汽车领域来说，可以通过3D打印经过特殊设计的冷却系统（这样的设计通过传统制造工艺无法制造出来），从而实现产品更高的性能。判断是随着3D打印与铸造的结合，铸造作为产品“诞生”的“源头”，其决定产品核心竞争力的价值将显现，这个行业不再被误读为“傻大笨粗”，而是成为企业发展核心竞争力的体现，因为3D打印可以从源头决定一个产品的创新程度，很多大型企业将改变将铸造外包给铸造厂的模式，而是将铸造将作为核心关键的一环纳入到企业内部的生产运营中，这个过程中或将发生铸造厂被并购的现象。[图片]这一领域的典型案例是，voxeljet-维捷及其合作伙伴通过将粘结剂喷射3D打印技术应用于规模生产，从而将增材制造提升到新的水平。其合作伙伴为德国领先的汽车制造商，通过自动化3D打印复杂的砂模和砂芯，该生产线有望成为世界上首次汽车关键零件生产领域的集成增材制造解决方案，该项目将利用3D打印的砂芯来铸造关键发动机部件。在交钥匙项目方面，拿电机壳体的3D打印与铸造来说，根据3D科学谷的了解，目前在国内，瑞士大昌华嘉-DKSH可以在最短时间（传统模具技术1/10时间）为用户提供基于3d打印技术的快速成型模具工艺，帮助用户建立从研发到小批量生产电机的铸件供应。[图片] 3D打印散热器等核心零件[图片]3D打印散热器在国际上最典型的案例是Conflux 新一代高效热交换器，以及HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器。[图片]图片：HiETA Technologies的热交换器Conflux 正在使用粉末床熔融金属3D打印技术制造创新型汽车热交换器。他们开发了一种新型高效热交换器ConfluxCore。Conflux 通过EOS 的金属粉末熔融设备制造了 ConfluxCore 原型，打印材料为铝AlSi10Mg。Conflux 公司其中一个典型的设计在不增加体积的情况下，增加了表面积，与此同时，3D打印部件的压降减少了三分之二，交换器的尺寸减小了55毫米，重量减轻了22％。这种功能集成化的设计，还减少了热交换器所需的部件和对焊接的需求。[图片][图片]3D打印在散热器的制造方面当前主要存在几种思路：一种是替代钎焊并结合相变材料的使用，一种是实现十分复杂的几何形状。实现十分复杂的几何形状方面例如双曲线交叉缠绕的应用，当然更为典型的是点阵结构的应用。国际上，汽车厂商正在对3D打印散热器进行积极的探索。这方面，菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）还与McMaster大学建立了一项合作，目标是设计一种新的铝制汽车散热器，这个项目的重点就在于应用点阵结构的组合，这些结构带来良好的对流热交换性能，并且可以实现可观的减重结果。这个项目开发的带有点阵结构的3D打印散热器，比FCA集团生产的汽车中使用的汽车散热器更轻，并且还可以保证其性能。究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破。当然，除了包括散热器这样的零件，还有例如宝马汽车通过粉末床金属3D打印技术制造的轻量化支架也随着i8 Roadster的批量化生产而进入到量产领域。[图片]而通用汽车为了给电动汽车减重，正在采用欧特克（Autodesk)的创成式设计软件对车内零部件进行优化设计，在最初的概念验证项目中，通用汽车和欧特克在通用汽车密歇根州沃伦技术中心重新设计了汽车座椅支架 – 座椅安全带固定部位。通过座椅支架的减重揭示了3D打印对于零件潜在质量和强度改进的潜力。或许凭借这项技术，我们将进入一个电动和自动驾驶汽车时代的深远变革。[图片]车身的3D打印目前的3D打印车身包括两种思路，一种是复合塑料材料，另一种是金属与复合塑料材料的结合。塑料方面，像Local Motors这样，通过BAAM技术直接打印碳纤维增强塑料材料。在这方面，借助3D打印技术以及3D建模软件，Local Motors已经创造出了一种全新的“动态”造车方式。如果想要对车辆（如Olli）做出改变，只需用软件修改相应的3D数字模型，再将其输入3D打印机打印出实体即可 — 这既容易操作，又不会耗费太多时间，更重要的是，还能节省大量不必要的开支。金属与复合材料结合方面，以Divergent 3D的跑车通过3D打印铝制的“节点”结构，然后通过现成的碳纤维管材将其连在一起为代表。3D打印铝制的“节点”结构为跑车实现个性定制化带来了空间。当然，由于3D打印印铝制的“节点”结构当前颇为昂贵的价格，这项技术何时实现商业化还有待观望。[图片] 个性化随着汽车消费市场的快速增长，消费者对个性化车型的需求日益强烈。汽车的个性化体现在个性化的内饰、外饰，以及个性化的动力系统和车身等方面。在汽车产业链中，为消费者提供个性化服务的不仅有专门从事汽车改装的公司，还有一些著名的汽车制造商。消费者对汽车个性化的追求，带动了一个极具潜力的汽车定制化服务市场，仅是汽车售后改装这一个领域，就蕴含了巨大的市场潜力。公开资料显示，2005年以来，我国改装的需求规模在激增，2015年市场规模达到450亿元量级。市场主要集中在直辖式及发达省会城市。[图片]将3D打印应用于汽车个性化制造领域的典型案例是MINI汽车，制造商宝马集团从2018年开始，MINI汽车通过3D打印技术，提供汽车零部件个性化定制服务。利用3D打印技术，MINI 的定制化服务达到了新的水平。3D打印带给汽车制造无穷的畅想空间，本文介绍的仅仅是当前正在实现产业化的应用。还有更多的新技术包括以惠普，Exone,Desktop Metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting（粘结剂喷射）技术正在另辟蹊径的创造一种新的金属零件制造技术，这些新技术的发展将带给3D打印在汽车领域更广阔的应用空间。本文最后让我们以Hackrod公司和Siemens PLM软件合作的汽车设计平台的视频来结束，视频中你会获得深入的体会，3D打印与汽车制造的结合之路还很长，这其中除了制造技术，软件技术将发挥举足轻重的作用，在具体的制造实施中，包括产品设计和迭代的快速数据收集以及定制生产复杂的机电一体化系统，这些都需要西门子的支持，工业物联网和增材制造的硬件连接性对于成功至关重要。西门子世界级的数字设计、工程可视化、连接制造和检验的能力对Hackrod形成强有力的支持。

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为了提高燃气轮机的工作温度和发动机效率，航空航天和电力工业领域不断设计开发内部冷却通道更加复杂的燃气轮机的涡轮叶片。[图片]为了在铸造金属涡轮叶片时可以形成高复杂的内部冷却通道结构，使用陶瓷铸造型芯是非常必要的。铸造叶片冷却后，叶片从模具中取出，同时内部的陶瓷型芯需要溶解掉。目前设计的陶瓷铸造型芯越来越复杂，而通过传统的注射成型方式无法实现 如此高复杂结构的陶瓷型芯。Lithoz 公司的 LCM 技术可以实现传统工艺无法实现的高复杂结构陶瓷产品的生产。因此，LCM 技术给航空航天和电力工业中的高复杂结构的陶瓷叶片型芯提供完美的解决方案，满足他们日益增长的设计需求。而且，LCM 技术可以快速、低成本的实现小批量系列的原型产品的生产。由于该技术无需模具，因此大大缩短了研发-市场阶段的周期。与传统的注射成型制造叶片型芯技术相比，3D 打印技术是一种无需模具的生产制造技术。因此 3D 打印技术可以绕过传统工艺必须的、昂贵而又复杂的模具制造部分。[图片] 3D 打印叶片型芯的材料LithaCore 450 是一款由奥地利Lithoz 公司自主研发的一种用于3D 打印生产陶瓷叶片型芯的硅基材料。典型的应用有：用来生产单晶镍基合金的涡轮叶片的铸造型芯；定向凝固铸造型芯；等轴铸造型芯。LithaCore 450 是一种可以 3D 打印制备高精度、高细节陶瓷叶片型芯的材料。烧结后的叶片型芯产品具有非常低的热膨胀率、较高的孔隙率、优异的表面质量和优良的洗滤性等优点。另外，Lithoz 可以为客户开发定制化的材料，满足客户广泛的合金铸造需求。[图片][图片]使用 Lithoz 的CeraFab 8500 设备,LithaCore 450 材料生产的叶片铸造型芯Lithoz 公司 3D 打印叶片铸造型芯关键性能通过 LCM 技术可以生产出高精度、高复杂结构的陶瓷叶片型芯。且具有以下特性：（1） 优良的尺寸重复性和公差（2） 最大尺寸可达 300mm（3） 表面光洁度 Ra <3 μm ，保证合金铸件内部通道的表面质量（4） 高复杂结构，如机翼最薄处可达 200 μm模型尺寸与打印产品公差研究LithaCore450 陶瓷叶片型芯是使用 Lithoz 公司的 CeraFab 8500 设备生产的。对铸造型芯进行尺寸检查的结果（下图）显示，其与 CAD 模型的最大偏差为 0.1mm，符合铸造型芯应用的尺寸要求（通常是 0.3 毫米）。[图片]带有支撑结构的打印模型与其 STL 文件尺寸对比另外，不同生产周期下生产的两个陶瓷性能模型的尺寸对比（一个带有支撑结构，一个没有支撑结构）。结果如下图，表明不同批次打印的产品具有+/- 0.05mm 的重复性误差。[图片]不同批次，带有支撑结构和不带有支撑结构铸造型芯的尺寸误差对比文章来源：Lithoz

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工程师经常使用拓扑优化来优化零件的设计和布局，以创建轻量级和优化的结构。然而，该技术通常导致有机的，复杂的形状，这使用传统的制造方法难以生产。这就是3D打印与拓扑优化完美配合的原因，它允许创建这些复杂形状所需的设计自由度。在一篇题为“拓扑优化和设计用于汽车零部件的添加剂制造指南的应用”的论文中，一组研究人员使用拓扑优化来创建轻量级汽车零部件“同时符合与悬垂特征和无支撑表面相关的增材制造约束金属材料。“[图片]具体而言，研究人员使用设计增材制造（DfAM）以及拓扑优化来研究零件重量，支撑要求，制造成本和机械性能之间的权衡。他们重新设计了SAE Formula学生赛车的正面设计，以减少支撑结构和制造成本，同时使用直接金属激光烧结（DMLS）。直立负责将负载从地面传递到底盘，并且是赛车的重要组成部分。初始优化设计的理论重量为1.62磅。 （735克）。该模型分析了两个方向：在构建平台上和在其侧面上是平坦的。成本计算工具用于计算构建的总体制造成本。印刷部件及其侧面的计算成本分别为2015美元和2995美元。进行FEM模拟以确保最终部件的机械性能满足负载条件。[图片]然后，研究人员使用名为OPTISTRUCT的程序改进设计，并将原始设计作为参考。“由于优化问题涉及多个加载情况，同时考虑四种不同的加载情况，”研究人员解释说。 “目标函数被定义为最小化合规响应，其中20％体积分数作为优化约束。”重新设计的目的是减少对支撑的需求，研究人员能够这样做，尽管部件的重量增加了。在检查FEM分析后，再次重新设计零件以减轻重量。最后一部分支撑结构减少了91.7％，总制造成本降低了51.7％。[图片]“未来的工作需要将拓扑优化，FEM，支持设计和DfAM规则集成到一个更连贯的框架中的方法正式化，”研究人员总结道。 “我们还计划使用EOS M280机器制造和测试Redesign 2，并收集类似于Design 0的实际制造数据，以更准确地测量支撑要求。而且，几何形状影响在基于激光的增材制造工艺中由频繁的加热和冷却循环引起的残余应力和挠曲。因此，对于像这样的功能部件，在AM过程中了解设计的性能非常重要。将进行热机械仿真以估算零件中的挠度，如果需要，这些数据将用于重新设计。“

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宝马很早就利用金属3D打印技术生产汽车零部件；在过去10年中，宝马已经3D打印了超过100万个汽车配件。今年，宝马集团增材制造中心将生产超过20万个零部件，同比去年增加42%。[图片]注意零件上的“1000000”字样宝马集团增材制造中心主任Jens Ertel博士透露，宝马正在大幅度增加汽车上的3D打印零件数量，并且进行了针对性的增材制造技术和生产方式的研究。最新的应用是3D打印BMW i8 Roadster的车窗导轨，这也是3D打印生产的第100万件汽车零件。借助3D打印的高效迭代，新车窗导轨仅耗时五天就研发出来，并很快投放到宝马莱比锡工厂批量生产。[图片]惠普MultiJet Fusion 3D打印技术[图片]3D打印车窗导轨 据悉，新型车窗导轨采用惠普MultiJet Fusion技术制造，源自宝马与惠普的深度合作；并且每24小时可以生产100条导轨，直接用于汽车装配。在此之前，BMW i8 Roadster已经使用了3D打印的软顶固定支架，为铝合金材质——新支架比过去的塑料支架重量更轻，且保持很好的强度，适应性能车型轻量化的需求。[图片]工人为BMW i8 Roadster安装车窗导轨[图片]装配细节 不只是顶级性能车型，大众车型Mini也开启了可定制的MINI Yours Customized计划，让消费者能够自行设计特定的配饰，包括仪表板、门框、车灯装饰等等，然后按照规格3D打印个性化零件。这样一来，每个人的Mini汽车几乎都不一样，Mini再一次实现了让每个人开上自己心爱的汽车的目标。[图片]Mini支持个性化的3D打印汽车配饰在3D打印技术应用于汽车生产制造的领域，宝马投入了大量精力，走在行业前列，值得关注。

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在德国联邦教育与研究部（BMBF）的“光子工艺链”资助计划框架内，几个合作伙伴：两个研究机构和五个公司，确切地说 ，正专注于汽车行业的3D打印。 “汽车系列生产中添加剂制造工艺的集成AutoAdd”研究项目由戴姆勒股份公司协调，其研究结果表明，通过整体整合金属激光粉末床融合工艺（LPBF），也称为SLM和DMLS，开发用于汽车系列生产，生产成本可能会下降。 [图片] [图片：Fraunhofer ILT]BMBF一直致力于多个项目，以促进基于光子的制造工艺（如金属3D打印）的智能链接，作为生产复杂或个性化产品的手段。其目标是创建灵活的概念混合制造设计，然后可用于生产目的。但是，在2015年开始并于今年5月结束的融资计划中的所有14个联合项目中，AutoAdd应该可以在短短三年内更轻松地在汽车行业中使用3D打印。除Fraunhofer ILT和戴姆勒外，AutoAdd项目合作伙伴还包括：宝马GKN Sinter Metals Engineering GmbH卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）Netfabb GmbHTRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH[图片][图片：TRUMPF]这些合作伙伴正致力于通过将LPBF工艺链整合到汽车大规模生产环境中来降低单位成本，以开发新的混合工艺链。戴姆勒和宝马集团共同确定了新添加剂工艺链的必要要求，然后Fraunhofer ILT和TRUMPF使用该链为3D打印创建了各种工厂和精加工概念设计。除了允许使用“可互换气缸原理”和多个光束源的模块化系统架构之外，还创建了可能的生产光学设计。 AutoAdd合作伙伴还分析了GKN的新型可扩展材料，并创建了一些可自动化的有前途的后处理概念，例如支持结构移除。KIT是最终评估这些新工厂设计的合作伙伴。据了解，使用仿真模型，wbk生产科学研究所的工程师可视化一个典型的传统工艺链，他们能够设计各种可能的LPBF工厂概念。通过成本或基准分析等方法，他们能够从技术和经济的角度比较以前的方法。“[图片] [Image：MTU Aero Engines AG]这项耗资337万欧元的项目产生了一些积极影响，至少在学术方面如此。 AutoAdd提供了足够的有用内容来为四篇独立的论文提供资料，这些知识也可以用于未来的讲座。明年，一个基于部分AutoAdd结果的新项目将推出，专注于3D打印的线路集成，以“实现设计的添加剂流程链”。点评： 联合项目的结果令人感兴趣并令人印象深刻，表明它确实可以实现添加剂大规模生产。例如，整个工艺链可以实现自动化，从而提高效率和成本效益，因为团队发现模块化圆筒和湿化学浸泡浴是后处理过程中分批拆卸组件的有效方法。此外，评估LPBF制造设备的常用指标由AutoAdd项目合作伙伴开发，可用于识别大型设备制造商进行大规模基准测试。AutoAdd团队使3D打印为批量生产做好准备所需的最重要的一点（即使不是最重要的）是能够再现机械性能。合作伙伴通过在多个设施中展示和评估此功能迈出了重要的理论基础，这表明可以将经济的添加剂工艺链整合到汽车大规模生产中。

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在航空航天领域，3D打印技术特别适合制造精细或复杂的形状。然而，在制造这些复杂形状的时候需要仔细考虑构造策略，这些策略是为了符合其尺寸公差并且为了确保其具有良好的机械强度。根据雷尼绍的《金属3D打印-增材制造设计指南残留应力设计建议》为了消除热应力，可以通过几种方法来尝试，包括：尽可能通过设计消除残留应力；避免大面积不间断熔化；注意横截面的变化；混合加工将较厚的底板整合到增材制造零件中；在应力可能较高的位置使用较厚的加工托盘；选择一种合适的扫描策略。不对称的对称解决方案尽管制造策略仍在发展和改进，但它们目前还不能令人满意地获得不对称的部件。当通过增材制造制造这样的部件时，经常观察到存在不可逆的冶金缺陷，例如，裂缝的出现/或尺寸缺陷，部件的某些部分不符合规定的公差。特别是由于零件的不对称性从而导致的质量差异而使得零件的某些区域中累积残余应力，这种残余应力导致零件变形。遗憾的是，这些缺陷通常是不可接受的，并且导致所制造的零部件报废，从而导致相当大的损失并因此导致高的总制造成本。法国赛峰正在开发通过增材制造来制造不对称零部件的方法，3D科学谷了解到，赛峰开发的方法包括以下步骤：- 提供待制造部件的数字模型;- 使模型相对于构造方向定向;- 通过增加牺牲平衡部分来修改模型，该牺牲平衡部分被配置成为了平衡在制造部件时出现的残余应力的用途;- 在修改的模型基础上，使用增材制造技术逐层制造出零件;- 通过减材的制造方法切除掉牺牲部分。[图片]过这种方法，可以在计算机辅助设计阶段检测在制造过程中累积的残余应力的潜在风险，特别是部件内的不对称性，然后纠正模型的设计，以使其具有更规则和更好的比例，以便在制造期间使部件内的残余应力得以平衡。因此，在逐层制造期间，残余应力以更均匀的方式在部件内分布：这避免了这些残余应力集中在部件的某些区域中，超过可能导致部件的临界变形的某个阈值。这种方法还被赛峰应用到了具有前缘，后缘和翼型的叶片部件加工。Review残留应力是快速加热和冷却的必然产物，这是激光粉末床熔化工艺的固有特性。每一个新的加工层都是通过如下方式构建的：在粉末床上移动聚焦激光，熔化粉末顶层并将其与下方的一个加工层熔合。热熔池中的热量会传递至下方的固体金属，这样熔融的金属就会冷却并凝固。这一过程非常迅速，大约只有几微秒。新的金属层在下层金属的上表面凝固和冷却时会出现收缩现象，但由于受到下方固体结构的限制，其收缩会导致层与层之间形成剪切力。残留应力具有破坏性。当我们在一个加工层顶部增加另一个加工层时，应力随之形成并累积，这可能导致零件变形，其边缘卷起，之后可能会脱离支撑：在比较极端的情况下，应力可能会超出零件的强度，造成组件破坏性开裂或加工托盘变形：这些效应在具有较大横截面的零件中最为明显，因为此类零件往往具有较长的焊道，而且剪切力作用的距离更长。除了赛峰所采用的增加牺牲结构的方法，在雷尼绍的《金属3D打印-增材制造设计指南》中详述了改变扫描策略的方法。当采用激光轨迹填充零件中心时，通常会来回移动激光，这一过程称之为“扫描”。通常所选择的模式会影响扫描矢量的长度，因此也会影响可能在零件上积累的应力水平。采用缩短扫描矢量的策略，则会相应减少产生的残留应力。两种最常见的扫描策略分别是用于薄壁零件的“迂回”扫描（也称为光栅扫描），及用于具有较厚截面的零件的“条纹”扫描。“棋盘”或“岛状”扫描策略也同样有效。条纹和棋盘扫描可缩短各扫描线的长度，减少残留应力的累积。也可以在从一个加工层移至下一个加工层时旋转扫描矢量的方向，这样一来，应力就不会全部在同一平面上集中。每层之间通常旋转67度，以确保在加工完许多层后扫描方向才会完全重复。