陶瓷增材制造的案例
Coherent Corp 開發先進陶瓷增材制造技術
來源 | VoxelMatters
陶瓷和金屬基復合材料領域的全球領導者 Coherent Corp 開發了一種增材制造工藝，能夠生產用于高性能熱管理應用（包括下一代半導體固定設備）的先進陶瓷部件。
據報道，基于領先節點的集成電路的嚴重短缺刺激了全球范圍內的大規模投資，用于建設配備最先進半導體資本設備的半導體制造設施。相干公司已成功開發出專有材料和技術使采用增材制造工藝生產的陶瓷部件在機械和熱性能方面能夠與采用現有成型工藝生產的陶瓷部件相匹配。現在可以使用最先進的激光技術（包括相干公司提供的技術）對采用新的增材制造工藝制造的陶瓷元件進行精密加工。這些對于下一代半導體資本設備至關重要。增材制造在工藝能力、產量和吞吐量方面優于模塑。它不需要組件之間的重新裝配時間，從而最大限度地減少了交貨時間和浪費。
陶瓷增材制造可以制造出更輕且具有全新幾何形狀的組件，這是下一代半導體資本設備設計所需的。到目前為止，與模制陶瓷部件相比，這些部件的質量和精度較低。
據報道，采用 Coherent 專有的增材制造工藝生產的陶瓷組件可實現 365 GPa 的最先進彈性模量和 290 MPa 的彎曲強度。它們非常適合各種半導體設備，包括光刻、沉積和蝕刻。它們也是具有集成冷卻通道的高級封裝組件以及 CPU 和 GPU 等高性能計算機處理器的絕佳解決方案。
展開 如何使用熔融擠出3D打印技術，實現精密陶瓷制造？
引言：據SmarTech分析公司發布的陶瓷快速成型制造(AM)市場報告《陶瓷快速成型零件生產：2019-2030年》分析與預測，隨著主流陶瓷增材制造技術的全面發展，并建立起足夠的系列化生產，陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個拐點。在這個拐點之后，一旦市場完全從疫情的放緩中恢復過來，陶瓷增材制造應用市場的規模將增長三倍。到2030年，陶瓷增材制造市場的收入預估將達到48億美元。
圖 | 3D打印精密陶瓷市場預測
（圖片源自網絡）
隨著科技的發展，如今很多行業的發展也逐漸數字化。
如今主流的陶瓷3D打印技術主要為分層實體制造(簡稱LOM）；熔融堆積（簡稱FFF）；形狀沉積成型（簡稱SDM）；立體光刻（簡稱SLA）；噴墨打印法(簡稱IJM）。
展開 陶瓷3D打印領導者3DCERAM將攜多材料增材制造解決方案及眾多行業應用案例亮相 2021 TCT
2021亞洲3D打印、增材制造展覽會 (TCT Asia)將于2021年5月26日-28日在國家會展中心（上海）7.1館舉辦，南極熊作為官方戰略媒體，將會全程報道本次展會。據悉，3dceram將連續五年參加TCT Asia展覽，此次將有多材料增材制造解決方案及眾多行業應用案例亮相 TCT Asia 2021。
3DCERAM展位號：C36
3DCERAM源自法國，作為陶瓷增材制造的領先者，經過20年的積累，將自身在材料領域的技術經驗與3D打印完美的結合在一起，形成了一套快速制備復雜結構陶瓷的獨特技術，并且由于光固化技術的廣泛通用性，打印材料的種類可從非金屬延申到部分金屬材質。
克服新冠疫情的不利影響，3DCERAM于2021年初正式遷入LIMOGES的新廠房，更大的實驗室和測試中心將更有利于我們和客戶一起繼續探索3D打印工藝，推進其在航空航天、生物醫療等方向上的應用擴展。
C100系列是近年來推出的新款打印機，根據使用場景目前有C100 EASY LAB專門針對實驗室和C100 EASY FAB專門針對連續生產，主要區別在于差異化的進料系統；而以前僅為C900機型提供的Hybrid系統同樣也被植入到C100上，使其功能更加完備。
而在應用拓展方面，3DCERAM積極與終端使用方合作，左圖為3DCERAM與ANYWAVE（法國航天局附屬機構）合作研制的用于小型衛星的陶瓷天線，其特殊的晶格結構，可實現更好的高頻性能。右圖為3DCERAM與與世界著名的航空發動機研發單位烏克蘭伊夫琴科-進步設計局，合作采用3D打印技術制備SILICORE材質陶瓷型芯，并完成鎳基高溫合金葉片澆鑄。
展開 SOLIDWORKS用戶使用增材制造的六種基本工具
增材制造，也就是通常所說的3D打印，是一種制造過程，通過添加材料，一層一層，建立一個零件。這個過程從在用戶的本地CAD程序中設計的3D模型開始。然后對該零件進行分析，并將其劃分為許多個部分，以創建該零件的構建計劃。
目前常用的增材制造技術有立體石印(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結(DMLS)、選擇性激光熔融(SLM)和熔融絲制造(FFF)。還有其他的技術。
增材制造有許多好處。這其中包括縮短零件的交付時間，制造傳統的制造方法所無法制造的零件，更輕的零件，更少的浪費，更少的操作技能，在設計之間沒有工具改變，以及使用多種材料的能力。時至今日有一大批數量驚人的金屬、聚合物和聚合物基體材料和陶瓷應用于增材制造領域。
SOLIDWORKS軟件中的增材制造設計方法
SOLIDWORKS軟件中的特征可以幫助在設計階段早期識別設計或幾何問題，從而降低成本和節省時間。我們將介紹這些特性中的一些功能，這些功能將為一般的增材制造零件設計做準備。
我們將討論的SOLIDWORKS的功能包括:
SimulationXpress（有限元分析預覽版）
Print3D（3D打印模塊）
Geometry Analysis（幾何分析）
Thickness Analysis（厚度分析）
Undercut Analysis and Draft Analysis（底切分析和拔模分析）
DFMXpress（制造可行性分析）
SimulationXpress（有限元分析預覽版）
SimulationXpress是一個在SOLIDWORKS中激活的免費工具，可在SOLIDWORKS軟件中進行首次有限元分析。
展開 
上海交大增材制造頂刊：增材制造制備400MPa級高強度鎂稀土合金
但是擠壓態和擠壓-T5態合金的制備流程長，且擠壓過程只能生產形狀簡單的型材，而LPBF增材制造過程加上后續熱處理流程簡單，而且可以制備形狀復雜的構件，具有更廣闊的應用前景。
上述研究表明采用激光粉末床熔融增材制造技術制備高強度Mg-Gd系鎂稀土合金具有非常廣闊的應用前景，但是針對LPBF過程巨大的溫度梯度和極高的冷卻速度導致的熱應力累積從而發生開裂需要加以避免。LPBF加上專門設計的后續熱處理工藝有利于制備適合工程應用的具有更高屈服強度的高性能鎂稀土合金構件，本文可以為增材制造制備鎂合金構件提供一定的理論基礎和技術指導。
SW使用增材制造的六種基本工具
增材制造，也就是通常所說的3D打印，是一種制造過程，通過添加材料，一層一層，建立一個零件。這個過程從在用戶的本地CAD程序中設計的3D模型開始。然后對該零件進行分析，并將其劃分為許多個部分，以創建該零件的構建計劃。
目前常用的增材制造技術有立體石印(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結(DMLS)、選擇性激光熔融(SLM)和熔融絲制造(FFF)。還有其他的技術。
增材制造有許多好處。這其中包括縮短零件的交付時間，制造傳統的制造方法所無法制造的零件，更輕的零件，更少的浪費，更少的操作技能，在設計之間沒有工具改變，以及使用多種材料的能力。時至今日有一大批數量驚人的金屬、聚合物和聚合物基體材料和陶瓷應用于增材制造領域。
SOLIDWORKS軟件中的增材制造設計方法
SOLIDWORKS軟件中的特征可以幫助在設計階段早期識別設計或幾何問題，從而降低成本和節省時間。這里將介紹這些特性中的一些功能，這些功能將為一般的增材制造零件設計做準備。
展開 Add Up&ESI Group加強增材制造領域合作，致力金屬增材制造仿真新模塊
AddUp和ESI集團推出了“Distortion Simulation AddOn”，這是一款符合人體工程學且易于使用的仿真模塊，專用于金屬增材制造。
AddUp&ESIGroup亮相Formnext18，展示“DistortionSimulation AddOn”在增材制造加強合作
AddUp是增材制造工業解決方案的領導者，ESI集團是基于材料物理的虛擬原型制作解決方案的領導者和先驅，他們宣布推出DistortionSimulation AddOn。 該模塊將增強AddUp ManagerTM軟件的功能范圍，用于增材制造中零件的定義和生產跟蹤。
SOFIA項目（解決方案生產工業添加劑- 工業金屬添加劑制造解決方案）創始于2016年，由Bpifrance、AddUp和ESI集團贊助，自第一次會議以來，他們擁有金屬添加劑制造的共同愿景。在增材制造工業化成為現實的時候，基于材料物理的模擬確保了對材料工藝和性能的深入理解，是提高增材制造工藝競爭力的關鍵組成部分之一。
控制制造工藝
工藝參數的優化是增材制造過程中的關鍵，也是競爭差異化的驅動力。制造商根據其特定應用，必須能夠將可用的機器時間集中在生產或工藝優化上。
傳統地講，生產驗證主要是指生產零件，繼而評估其適配性。引入模擬工具（通常是有限的專家用戶）需要在不同功能之間進行多次反饋循環，從而在數字鏈上產生不連續性。
通過將模擬直接集成到增材制造的準備階段，Distortion SimulationAddOn為生產工藝帶來了連續性。AddUp Manager用戶界面直觀、穩定，為定義模擬參數提供了理想的工作環境，特別是對于非該領域專家的員工。
展開 3DCERAM將攜陶瓷+多材料3D打印以及陶瓷3D打印流程解決方案亮相Formnext
展會將貫穿增材制造、材料、粉末冶金及后處理等一系列先進的材料、技術、設備以及產品，精準面向中國市場，輻射影響整個亞洲，為中國乃至亞洲的制造業帶來全新的商貿機遇，南極熊作為本次展會的戰略合作媒體，將全程對展會進行全方位的報道，并且開通了Formnext頻道：https://www.nanjixiong.com/forum-227-1.html 。
3Dceram展臺：9號館C66
作為陶瓷3D打印領域的技術領先者 ，3DCERAM將攜最新的陶瓷+多材料3D打印以及陶瓷3D打印（新材料研發-后處理）全流程解決方案重磅亮相，超多精彩看點等您來。
3DCERAM源自法國，作為陶瓷增材制造的領先者，經過20年的積累，將自身在材料領域的技術經驗與3D打印完美的結合在一起，形成了一套快速制備復雜結構陶瓷的獨特技術，并且由于光固化技術的廣泛通用性，打印材料的種類可從非金屬延申到部分金屬材質。
△SLA光固化+直寫式（Hybrid）多材料3D打印系統
基于3DCERAM設備高度開放的軟件系統和光固化打印技術廣泛的適用性，目前可打印的材質已不限于常規的氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷，山東大學等相關單位開始利用光固化技術制備鐵氧體材料、高熵合金、高溫合金等，當然也包括在參與的3D打印制備燃料電池項目計劃中的陶瓷/金屬復合光固化3D打印。
據南極熊了解，3DCERAM從2021起推出了“打印材料開放計劃”，旨在通過與相關材料研發單位合作，推動打印材料本土化，同時推進光固化陶瓷打印材料、光固化金屬打印材料、光固化復合打印材料的研發及在相關領域的應用.
展開 金屬增材制造工藝的發展與技術綜述
摘要
如今，客戶的需求是動態變化的，行業正朝著定制化的終端用戶產品的制造方向發展，市場的波動非常難以預測。這要求生產行業轉向瞬時產品開發戰略，即在最短的交貨時間內交付產品，而不損害質量和準確性。直接金屬沉積就是這樣一種不斷發展的增材制造技術，它的應用范圍從快速成型到實時工業部件的生產。
此外，該工藝非常適合即時制造，即按需生產零件，同時提供降低成本、能源消耗和碳足跡的潛力。這種先進制造技術的發展大大減少了制造約束，大大提高了產品的多功能性。本文從粉末床融合和金屬直接沉積兩方面對金屬增材制造(MAM)技術的發展、現狀和挑戰進行了綜述。此外，本文還對金屬增材制造的各種變體及其工藝機理、優缺點和應用進行了探討。最后采用時間成本三角法分析了工藝的效率，并對其機械性能進行了綜合比較。該檢討將增進對MAM的基本認識，從而擴大研究和發展的范圍。
1.介紹
在20世紀80年代早期，第一種以逐層制造技術創建三維物體的形式被開發出來，這被稱為快速原型(RP)。固體、液體和粉末是主要用于快速成型的三種原材料的變體。隨著材料用途的擴大，AM工藝的多樣化應用導致了金屬零件的直接制造，同時滿足了客戶在幾何精度和物理機械性能方面的要求。高精度、高精度的復雜零件幾何形狀的加工是定制零件生產的關鍵。為了解決這一問題，一種名為金屬增材制造(MAM)的新興技術被廣泛應用，為制造領域帶來了廣泛的新可能性。此外，最近在建模科學，制造和材料加工導致AM的重點從快速成型轉向直接生產金屬零件。
20世紀80年代初，CarlDeckard開發并申請專利的選擇性激光燒結(SLS)技術，可以打印出使用多種材料的物體，如塑料、玻璃、陶瓷，甚至金屬，被稱為直接金屬激光燒結。這使得它成為原型和最終產品生產的流行過程。在20世紀90年代后期，激光燒結技術被廣泛應用于直接制造金屬零件。
展開 中國財經報：增材制造強力賦能制造強國建設
為了保護好這件青銅器，考古工作者首次運用增材制造（3D打印）技術，給文物穿上了“防護服”。
文物修復只是增材制造技術應用場景的一個縮影。作為先進制造的重要發展方向，增材制造技術目前已在航空航天、軌道交通、新能源汽車、醫療裝備等戰略新興產業領域展示了重大應用價值和廣闊的應用前景。近日在江蘇省徐州市舉行的“2021增材制造創新發展論壇”上，與會者認為，在相關政策的支持下，經過近幾年的不懈努力，我國增材制造產業已經從產業培育邁入了應用推廣的新階段。未來，隨著增材制造技術的快速發展，應用場景的不斷拓寬，必將成為賦能制造強國建設強力的重要手段。
增材制造產業邁入應用推廣新階段
增材制造俗稱3D打印，以數字模型文件為基礎，采用金屬、高分子等專用材料，進行逐層打印、堆積，形成實體實物的過程，是數字和制造緊密結合的體現。工業和信息化部裝備工業發展中心李方正博士表示，增材制造作為顛覆傳統產品生產制造理念，帶動傳統制造技術更新迭代，實現跨越式發展的手段，已經成為全球科技的焦點。目前美國、德國、歐盟等世界主要經濟體紛紛加緊謀劃布局，把增材制造作為重振制造業競爭力、搶占未來經濟戰略高點的重要手段。
經過近40多年發展，我國增材制造產業化步伐明顯加快。據李方正介紹，為進一步推動增材制造產業發展，工業和信息化部近年來聯合財政部等相關部門先后印發了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015—2016》《增材制造產業發展行動計劃（2017—2020）》等政策規劃。
展開 增材制造正徹底改變制造業，對IT工具影響巨大
另一方面，西門子動力和燃氣公司推出了一種用于大型燃氣輪機的新型燃燒頭，該燃燒頭采用3D打印機制造。它配備了非常精細的通道，可以改善燃燒頭的冷卻，從而顯著降低溫度。這大大延長了使用壽命，同時降低了維護成本。
3D打印也開始了鑄造工藝領域的范式轉變，例如，在發動機的設計和制造中已經使用過。由于增材制造，可以顯著增加單元的冷卻表面積。通過這種方式，它可以設計得更小更輕。此外，即使是小型系列現在也可以以非常經濟的方式生產。
增材制造的另一個重要驅動因素是“按需” 3D打印。這尤其涉及備件的生產。畢竟，對于公司而言，能夠快速，輕松地更換故障組件極為重要。然而，最重要的是，他們希望消除存儲備件所涉及的高成本。這就是為什么西門子移動有一個自己的部門，使用3D打印“按需”生產火車備件。
當需要克服大量后勤障礙以提供備件時，3D打印也是一個有趣的選擇。一個很好的例子是石油平臺。如果鉆頭斷裂，則工廠操作員使用3D打印機在現場生產新鉆頭的復雜性和成本要低得多。
像這樣的考慮促使美國海軍在一些船上使用3D打印機，這使他們能夠在公海上生產備件。這些和許多其他實際應用只是一場影響深遠的革命的開始。打印機的價格下降加上更高的打印速度，可能會確保這種生產方式的改變在未來幾年將獲得更大的動力。
需要新的IT工具
隨著向增材制造的過渡，IT系統還需要實現全新的應用和功能。對于PLM系統的制造商，這需要在所有領域進行調整：CAD系統設計、計算機輔助工程（CAE）工程、計算機輔助制造、制造運營管理（MOM）和制造執行系統（MES）。
增材制造提供的新可能性必須通過軟件的適當調整來體現
將來，設計工具必須適應3D模型（構面結構）和混合建模的特定幾何形狀。這些工具還應能夠創建和可視化重量優化的結構或網格，并使用不同的材料。
展開 
如何快速評估工業品增材制造潛力？安世亞太增材評估小程序正式上線！
第三步：生成評估報告，根據增材潛力評估結果分析增材制造可行性。
如何看懂評估結果和建議方案？
本案例的得分高達81分，說明非常具有增材制造潛力，產品的部分特征非常適合發揮增材制造的技術優勢，通過增材設計和增材制造非常有可能實現期望的產品性能改進。
在給出分數的同時，系統也給出了增材制造的建議方案。本案例中給出了3個建議，都是針對我們輸入的產品信息自動給出的，用戶如果決定采用增材制造生產該接頭，一定要看懂這些建議。
在本案例中，盡管該接頭具有很高的增材制造潛力，但是僅憑增材制造工藝本身并不能將潛力完全發揮出來，基于增材制造的優化設計才能真正發揮出增材。
制造的優勢，是最后的“點睛之筆”。比如下圖中接頭1、2、3由于位置不同，受力明顯不同，我們針對金屬SLM增材制造的工藝特點，以及接頭在不同位置的受力情況，分別進行拓撲優化設計，最終確定了3種不同的結構形式，實現減重50%。到此為止，一個完美的增材制造解決方案才大功告成。
需要說明的是，分值的高低反映了產品符合增材制造技術優勢的程度，也就是產品利用增材制造優勢的潛力。但是增材制造可行性的判斷應當結合系統給出的具體意見。
展開 航空航天高性能制造，激光增材制造技術大有可為
對于激光增材制造高性能合金材料，全新的成分、物性、相變的設計及調控尤為重要，是提升增材制造構件力學性能及應用發展水平的物質基礎與保障。
圖1 激光增材制造TC4合金與Ti-8.5Cu合金顯微組織對比：（a）TC4合金呈粗大柱狀晶組織；（b）Ti-8.5Cu合金呈細小完全等軸晶組織
納米復合、原位增強及梯度界面設計是提升傳統金屬激光增材制造強韌化的有效途徑
制備陶瓷增強金屬基復合材料是傳統金屬強韌化的重要途徑之一。激光增材制造金屬基復合材料，在選材上突出“多相材料可設計性”，在增材制造工藝上強調“高可控性”，在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”，這是增材制造技術的重要發展方向。多相納米陶瓷復合、原位增強及梯度界面設計，可有效改善陶瓷/金屬界面潤濕性及結合性，抑制界面微觀孔隙及裂紋，提升成形件力學性能。
如圖2所示，作者團隊發現了高能激光特有的加熱方式、能量特點及冶金機制可使納米/原位陶瓷增強相具有新穎的微觀生長及分布結構，揭示了激光高度非平衡熔池內的溫度場、速度場、溶質場等冶金熱力學和動力學行為對納米/原位陶瓷增強相形成、晶體生長和空間分布、陶瓷/金屬梯度界面形成與演化的作用規律，分析了納米/原位陶瓷增強相作用下基體金屬的等軸晶化及晶粒細化機制，提出了基于增強相、基體相及梯度界面的顯微組織調控使激光成形件強度和韌性協同提升的原理及方法。
展開 創成式設計與增材制造，顛覆傳統設計制造模式
但區別于傳統的經驗式設計模式，創成式設計面臨一個極大的難題：結構形式復雜，可制造性差，依靠傳統的制造方法根本無法制造出產品原型。但隨著增材制造技術的發展，通過創出式設計完成的產品結構就能夠在短時間里被加工制造出來。
02
增材制造，沒有造不出的原型
增材制造（Additive Manufacturing，AM）是基于材料堆積法的一種高新制造技術，根據零件或物體的三維模型數據，通過快速成型設備（3D打印機），運用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料等可粘合材料，以分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來生成3D實體。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，增材制造將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、龐大的機床、眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件。與傳統制造技術相比，增材制造技術優勢盡顯，如：制造復雜物品不增加成本；設計空間無限；減少廢棄副產品；材料無限組合等等，堪稱為制造工藝的顛覆性創新。
展開 陶瓷/金屬/聚合物多材料3D打印在一起：CeraFab Multi
如果有一種技術能將陶瓷與金屬或聚合物3D打印在一起，會發揮出什么樣的價值呢？
增材制造技術如今在諸如醫療、電子和航空航天等領域正日益發揮出引領創新的作用，尤其是在現有應用方案無法更進一步而需要突破某些瓶頸的時候。其中，復合材料3D打印受到了格外廣泛的關注，因為它能夠為制造特定具有改進性能的功能部件提供額外的可能性。
Lithoz 作為陶瓷增材制造的全球市場引領者和技術先驅 ，一直在開發突破性的多材料3D打印技術。如今借助Lithoz全新推出的多材料3D打印機，增材制造不再局限于單項材料。CeraFab Multi 2M30充分利用了增材制造的全部潛力，可在單個組件中對陶瓷、金屬和聚合物等不同材料及其特性進行組合處理。
△CeraFab Multi 2M30 復合材料3D打印設備
通過將設計空間擴展到不同的材料，復合材料的一體打印成型將使得3D打印零件的顛覆性設計成為可能，通過多種材料的復合成型，組件中的一部分到另一部分即可實現材料成分與結構的改變，從而達到某種屬性或功能的對應變化。這樣具有不同成分和/或微觀結構的特殊類型高級復合材料，也被稱為功能梯度材料（FGM）和功能梯度結構（FGS）。無需進行后道的連接或組裝，即可實現高度復雜的形狀與不同材料相結合的結構，非常適用于替換傳統分體式設計的組裝部件。
△CeraFab Multi 可以實現的復合材料的潛在結構設計組合
CeraFab Multi 2M30的成型艙由兩個料盤系統組成。兩個獨立的料盤系統意味著陶瓷可以與其他陶瓷、聚合物或金屬結合。料盤系統根據要求在投影系統上移動，料盤的底部是透明的，允許光源從下方對包含光敏樹脂的漿料進行曝光。打印平臺在成型過程中上下移動，而在切換材料時料盤系統會對應切換到成型平臺的下方。
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