南極熊導(dǎo)讀：“天下武功，唯快不破”，同樣的道理放到增材制造領(lǐng)域依然適用。放眼全球，在制造業(yè)如今萬(wàn)物互聯(lián)、智能化制造迅猛發(fā)展的浪潮和趨勢(shì)下，唯有高效率、高質(zhì)量的制造模式才能搭上“工業(yè)4.0”的快車道，從而真正引領(lǐng)一個(gè)新時(shí)代的技術(shù)革命。

近30年來(lái)，金屬3D打印作為最具前景的先進(jìn)成形技術(shù)之一，已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多技術(shù)理念超前或者生產(chǎn)效率極高的新型金屬增材制造系統(tǒng)，這也打破了人們對(duì)兩大類傳統(tǒng)金屬3D打印模式——粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）的固有印象。為此，南極熊本期文章總結(jié)了現(xiàn)有8種的高速金屬3D打印技術(shù)或設(shè)備，從這些案例中可以預(yù)見(jiàn)，大尺寸、高產(chǎn)量將會(huì)成為未來(lái)金屬3D打印的主流方向之一。

①VulcanForms公司的150激光束金屬3D打印機(jī)

VulcanForms公司是國(guó)外一家依托于麻省理工學(xué)院建立的初創(chuàng)公司，由哈特博士和他的一個(gè)研究生馬丁-費(fèi)爾德曼在2015年創(chuàng)立，其3D打印制造工廠位于馬薩諸塞州德文斯。該公司追求一種全新的3D打印方法，即使用比現(xiàn)有系統(tǒng)多很多的激光束陣列，以解決現(xiàn)有金屬3D打印的速度慢、成本過(guò)高和制造缺陷多的三大問(wèn)題點(diǎn)。

南極熊獲悉，VulcanForms開(kāi)發(fā)的3D打印機(jī)高20英尺，重6萬(wàn)磅，代表著3D打印的技術(shù)前沿。每臺(tái)3D打印機(jī)都具有150道激光束，每個(gè)系統(tǒng)最多可提供100千瓦粉末床的激光功率，是一般系統(tǒng)的100倍（最高可提升250倍）?，F(xiàn)在德文斯的工廠已經(jīng)裝配了六臺(tái)巨型打印機(jī)，預(yù)計(jì)到明年將會(huì)增加到20臺(tái)。此外，該公司現(xiàn)在已經(jīng)籌集了3.55億美元的風(fēng)險(xiǎn)資金。員工數(shù)量在過(guò)去一年里增加了六倍，達(dá)到360人，他們來(lái)自通用電氣和惠普公司等主要制造商以及谷歌和歐特克等科技公司。

△VulcanForms的三維打印使用了比其他系統(tǒng)更多的激光束陣列

△制造流程

值得一提的是，這些機(jī)器可以打印鈦和其他材料，整體結(jié)構(gòu)是密封的，里面的氣氛保護(hù)采用的是氬氣，這是反應(yīng)性最低的氣體之一，能夠減少導(dǎo)致零件缺陷和雜質(zhì)的產(chǎn)生?，F(xiàn)在，它們能為包括航空航天、半導(dǎo)體、國(guó)防和醫(yī)療植入物等領(lǐng)域在內(nèi)的企業(yè)客戶制造高科技部件。

②Seurat 200萬(wàn)激光點(diǎn)的金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)

自2015年成立以來(lái)，Seurat公司一直致力于開(kāi)發(fā)“區(qū)域打印工藝”，并打算推廣給汽車、消費(fèi)技術(shù)和工業(yè)客戶。該公司的專利"金屬區(qū)域打印技術(shù)"緣起于勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)，是通過(guò)將200多萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn)聚焦到金屬粉末床上，實(shí)現(xiàn)快速打印最終用途的部件。這項(xiàng)技術(shù)的生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何現(xiàn)有金屬3D打印技術(shù)。它的打印速度甚至高于電弧熔絲，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和零件的靈活性。

在汽車領(lǐng)域，Seurat公司認(rèn)為他們的技術(shù)可用于生產(chǎn)汽車備件和下一代電動(dòng)汽車的原型部件。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)因?yàn)榫哂锌蓴U(kuò)展性和無(wú)飛濺性，可以成為生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用大尺寸部件的理想選擇。Seurat的區(qū)域打印技術(shù)突破了每個(gè)零件成本的現(xiàn)有障礙，他們的第一代系統(tǒng)與今天的增材制造技術(shù)相比，已經(jīng)可以降低50%的成本。而且將進(jìn)一步提高效率，未來(lái)幾代機(jī)器的目標(biāo)是在2030年擊敗傳統(tǒng)壓鑄工藝的制造成本，這將標(biāo)志著增材制造作為一種主流技術(shù)的突破。憑借著這項(xiàng)高生產(chǎn)效率的技術(shù)，Seurat在今年7月獲得了4100萬(wàn)美元（約2.65億元人民幣）的B輪融資，由投資公司Capricorn基金領(lǐng)投。然而，這個(gè)工藝盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)了至少六年，在2017年獲得了專利，但目前還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

△Seurat 200萬(wàn)個(gè)激光的“區(qū)域打印工藝”，可以打印金屬件

在技術(shù)原理上，Seurat的這種新技術(shù)不是增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束處理方法來(lái)增加每次的熔化量。常規(guī)的金屬增材制造系統(tǒng)的光斑直徑為100微米，對(duì)于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進(jìn)行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn)射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個(gè)光點(diǎn)的直徑大約為10微米，也就是說(shuō)一次打印一個(gè)區(qū)域。

南極熊剖析一下，可能你會(huì)更容易理解這個(gè)技術(shù)的厲害之處：

* 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當(dāng)于15平方毫米，而常規(guī)單激光100微米直徑的光斑面積僅僅為0.0078平方毫米，兩者相差近1000倍，也就是說(shuō)最多可以實(shí)現(xiàn)單激光系統(tǒng)1000倍以上的熔融效率；

* 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達(dá)到傳統(tǒng)單激光的10倍。

③SPEE3D高速低成本的冷噴涂金屬3D打印技術(shù)

SPEE3D是一家來(lái)自澳大利亞的冷噴3D打印機(jī)制造商，其獨(dú)有的冷噴專利增材制造技術(shù)打印金屬零件的速度要以比傳統(tǒng)金屬3D打印方法快100至1000倍。據(jù)稱，這項(xiàng)技術(shù)也是唯一能夠按需打印金屬零件的工藝之一，其成本比傳統(tǒng)制造更具競(jìng)爭(zhēng)力，在國(guó)防、火箭、海洋等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

冷噴技術(shù)不依靠激光或其他熱能來(lái)源，而是利用動(dòng)能，通過(guò)高速壓縮的氣流將金屬粉末噴到基體上。這給了材料足夠的能量，使其變形并與下面的固體零件結(jié)合，形成額外包覆層。SPEE3D公司在2019年和2021年被澳大利亞皇家海軍兩次選中，測(cè)試金屬3D打印技術(shù)在國(guó)防上的應(yīng)用潛力。該公司的WarpSPEE3D能夠在惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)輸和卸載，并在30分鐘內(nèi)投入使用。據(jù)了解，它能夠以每分鐘100克的速度打印重量達(dá)40公斤的大型金屬零件。除了國(guó)防應(yīng)用，SPEE3D的冷噴技術(shù)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造方面同樣有著優(yōu)秀表現(xiàn)：在短短三個(gè)小時(shí)內(nèi)就生產(chǎn)了一個(gè)17.9公斤的銅制火箭噴嘴襯墊，成本不到1000美元。

△澳大利亞陸軍正在準(zhǔn)備WarpSPEE3D打印機(jī)的操作。照片來(lái)自澳大利亞陸軍

△SPEE3D的金屬3D打印機(jī)。圖片來(lái)自SPEE3D

④Sciaky每小時(shí)18公斤沉積速度的EBAM電子束金屬3D打印技術(shù)

Sciaky是一家隸屬于飛利浦服務(wù)公司的子企業(yè)，是工業(yè)金屬3D打印解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商。它們獨(dú)有的電子束定向能量沉積增材制造(EBAM?)工藝，是世界上可實(shí)現(xiàn)大型金屬零件最快速成形的3D打印工藝之一。

△電子束金屬沉積3D打印技術(shù)，受到美國(guó)總統(tǒng)拜登的關(guān)注

在2022年1月份宣布將向土耳其航空航天工業(yè)(TAI)交付世界上最大的電子束定向能沉積(DED) 3D打印機(jī)——定制的300系列電子束增材制造(EBAM?)系統(tǒng)后，Sciaky公司在5個(gè)月后宣布他們的EBAM工藝已率先實(shí)現(xiàn)每小時(shí)超過(guò)40磅（18.14公斤）的沉積速率，這一記錄是在位于法國(guó)的圣?？颂K佩里技術(shù)研究所(IRT)，為航空金屬先進(jìn)材料 (MAMA)項(xiàng)目打印金屬零件的時(shí)候完成的。

該公司的EBAM技術(shù)可擴(kuò)展性非常廣，3D打印金屬零件的尺寸可以長(zhǎng)達(dá)19英尺（6米）。通過(guò)層間實(shí)時(shí)成像和傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)很好的質(zhì)量控制和反饋。這是金屬3D打印市場(chǎng)上，少有的能夠以精確和可重復(fù)性的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋、自適應(yīng)的金屬沉積控制系統(tǒng)。同時(shí)，該公司還為航空航天、國(guó)防、汽車、醫(yī)療保健，和其他制造行業(yè)提供行業(yè)領(lǐng)先的電子束(EB)和先進(jìn)的弧焊系統(tǒng)，以及世界上最強(qiáng)大的EB車間焊接服務(wù)。焊接設(shè)備符合歐洲軍標(biāo)，可制造機(jī)身、起落架、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈和車輛零件等物品。

△采用Sciaky特有的EBAM工藝，為MAMA項(xiàng)目進(jìn)行3D打印

⑤ILT聯(lián)手Ponticon推出專利超高速激光沉積（EHLA）3D打印技術(shù)

2021年10月，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）和總部位于德國(guó)的工程公司Ponticon聯(lián)手推出了一項(xiàng)ILT專利的超高速激光材料沉積（EHLA）新型3D打印技術(shù)。EHLA技術(shù)最初開(kāi)發(fā)于2017年，是ILT對(duì)大批量定向能量沉積（或稱DED）的嘗試。它最初是作為一個(gè)模塊化的工具頭提供的，可以集成到門架和機(jī)械臂上，同時(shí)進(jìn)行材料沉積和熔化動(dòng)作。

自EHLA 2017年發(fā)布以來(lái)，這兩家合作伙伴一直致力于開(kāi)發(fā)更適合增材制造應(yīng)用的新一代技術(shù)版本，并在2019年完成了第一個(gè)原型——簡(jiǎn)稱為"EHLA 3D"。Fraunhofer ILT將這項(xiàng)技術(shù)描述為比傳統(tǒng)堆焊工藝更高效、更環(huán)保的替代品。目前，該工藝可以加工重達(dá)25公斤的零件，進(jìn)料速度最高可達(dá)每分鐘500米，比其他激光材料沉積技術(shù)快250倍。它還可以應(yīng)用到更薄的層結(jié)構(gòu)上去，僅有25微米，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更平滑的零件表面。FraunhoferILT打算在過(guò)程監(jiān)控設(shè)計(jì)、自動(dòng)路徑規(guī)劃工具和構(gòu)建參數(shù)細(xì)化方面投入更多的研究，并表示未來(lái)的升級(jí)技術(shù)版本將會(huì)提供更高的構(gòu)建速率、更大的靈活性和材料多樣性以及更高的精度。

△用三種不同的粉末材料3D打印Fraunhofer ILT的字樣，作為新型高產(chǎn)的EHLA 3D工藝的示范部件。照片來(lái)自Fraunhofer ILT。

⑥MELD推出比SLM快十倍的攪拌摩擦沉積3D打印技術(shù)

MELD制造公司是一家位于弗吉尼亞州克里斯蒂安斯堡的3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)商，一直以來(lái)，該公司都在持續(xù)推進(jìn)金屬摩擦沉積工藝的開(kāi)發(fā)和研究，同時(shí)制造基于該技術(shù)的3D打印機(jī)。在今年3月份，MELD公司宣布與弗吉尼亞理工大學(xué)開(kāi)展合作，以尋求進(jìn)一步推進(jìn)其增材制造摩擦沉積技術(shù)，研究方向包括工藝基礎(chǔ)，如溫度、材料流動(dòng)和變形，動(dòng)態(tài)相和微結(jié)構(gòu)演變，以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和制造。

MELD制造公司擁有十幾項(xiàng)增材制造攪拌摩擦沉積工藝的專利，與其他金屬3D打印技術(shù)不同的是，該技術(shù)是一個(gè)固態(tài)過(guò)程，在低于熔化溫度的情況下進(jìn)行，往往不會(huì)熔化打印材料。它是通過(guò)固體進(jìn)料桿（打印材料）旋轉(zhuǎn)接觸基材，涂抹并通過(guò)摩擦粘在基材上完成逐層打印，該過(guò)程發(fā)生塑性變形，但絕不會(huì)熔化?？焖傩D(zhuǎn)的工具具有加熱材料的作用，并完成塑性變形，使其具有足夠的可塑性。摩擦沉積工藝與各種金屬兼容，如鋁、鈦、鋼和鎳基超合金。MELD的3D打印應(yīng)用主要是在國(guó)防領(lǐng)域，包括零件涂層、部件維修、金屬連接和定制金屬基復(fù)合材料坯料。據(jù)MELD稱，增材攪拌摩擦沉積技術(shù)能夠以前所未有的規(guī)模生產(chǎn)大型金屬零件，它不限于小型粉末床或真空系統(tǒng)，是一種可以在開(kāi)放的大氣環(huán)境下實(shí)施的工藝，不受操作環(huán)境或材料表面條件的限制，并且材料沉積速度比粉末床熔融等工藝快十倍以上。

△MELD的專利增材制造攪拌摩擦沉積技術(shù)。照片來(lái)自MELD制造。

△前沿作戰(zhàn)基地的MELD增材制造維修概念圖。圖片來(lái)自MELD制造公司

⑦Desktop Metal粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)

Desktop Metal在2021年10月斥資5.75億美元收購(gòu)其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手粘合劑噴射3D打印機(jī)制造商ExOne，一躍成為金屬粘合劑噴射3D打印領(lǐng)域難覓敵手的頭號(hào)霸主。ExOne公司多年來(lái)致力于開(kāi)發(fā)可控氛圍（有時(shí)也稱為惰性或化學(xué)惰性）的粘合劑噴射3D打印技術(shù)，用于打印活性粉末。目前，其粘合劑噴射3D打印技術(shù)能夠處理包括金屬、陶瓷和復(fù)合材料在內(nèi)的幾乎所有類型粉末。

使用粘合劑噴射binder jetting和單程噴墨技術(shù)single-pass inkjet technology的的3D打印機(jī)Production System?，可能是進(jìn)行大規(guī)模3D打印金屬零件的最快方法。具有最先進(jìn)的打印噴頭，上面有16384個(gè)噴嘴，每秒能夠噴出15億滴墨滴，具有1200x1200 DPI的原始分辨率，出色的可靠性和雙向單程打印，可以快速3D打印復(fù)雜的金屬零件，堆積效率可達(dá)12,000cm3/小時(shí)，每天多達(dá)10,000個(gè)零件。

單程粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)原理

在Single Pass Jetting?（SPJ）的支持下，Production System?具有雙向3D打印功能，移動(dòng)一次，即可打印一次，不浪費(fèi)一遍路程。具體工作流程如下

△視頻：?jiǎn)纬陶澈蟿﹪娚浣饘?D打印技術(shù)工藝原理

①3D打印。對(duì)于雙向單程3D打印，每次打印遍及整個(gè)構(gòu)建區(qū)域，都將應(yīng)用打印過(guò)程的所有步驟（粉末沉積、鋪展、壓實(shí)、彈道抑制ballistic suppression、和粘合劑噴射）。一層一層地沉積金屬粉末和粘合劑，直到整個(gè)構(gòu)建體被零件部分和周圍的散裝粉末填滿為止。

②脫粉。構(gòu)建完成后，將移除構(gòu)建箱，并用新箱子替換下一個(gè)構(gòu)建。完整的成型箱被移至清粉工位，在那里去除粉末，并準(zhǔn)備燒結(jié)零件。

③燒結(jié)。脫粉的零件裝入工業(yè)爐中，在那里將加熱到接近熔化的溫度。除去剩余的粘合劑，使金屬顆粒融合在一起，并使零件致密。

高速打?。航柚鶳roduction System的雙向單程Single Pass Jetting?打印技術(shù)，每天最多可進(jìn)行10,000個(gè)零件的3D打印，每次構(gòu)建零件，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)SLM激光粉末床的打印速度高100倍，最大限度地提高生產(chǎn)率。

密集3D嵌套：無(wú)需支撐即可進(jìn)行粘合劑噴射3D打印，這意味著零件由松散的粉末支撐，無(wú)需焊接至底板。這使客戶能夠用密集嵌套的零件填充構(gòu)建體積，從而有效地交付高吞吐量的打印。

一流的可重復(fù)性：通過(guò)防彈技術(shù)，打印頭冗余和實(shí)時(shí)光學(xué)打印床檢查，提供了強(qiáng)大的可重復(fù)性。意味著您可以放心打印。

⑧Fraunhofer IWS速度提升千倍的CBC金屬3D打印技術(shù)

2021年7月，德國(guó)研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IWS透露了一種新式的3D打印系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可能比目前基于振鏡的激光制造技術(shù)快"一千倍"。據(jù)悉，這種打印裝置重點(diǎn)在于一個(gè)高功率的13KW "動(dòng)態(tài)光束激光器"，它能夠迅速產(chǎn)生不同的能量分布模式，并精確地打印出極為復(fù)雜的材料。這項(xiàng)突破性技術(shù)最初由以色列公司Civan Lasers開(kāi)發(fā)，F(xiàn)raunhofer IWS用相干光束來(lái)做金屬3D打印。這種方法被認(rèn)為是高功率激光工藝的 “巔峰"，它涉及到將激光分割放大成多條相干光線，然后再將它們合并成強(qiáng)大的單束。

△一位工程師在德累斯頓的Fraunhofer IWS安裝耶路撒冷的 "動(dòng)態(tài)光束激光"。照片來(lái)自Fraunhofer IWS

在Civan Lasers公司的案例中，它們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種利用部分光束的小相位偏移來(lái)調(diào)制能量分布模式的方法。與現(xiàn)有的激光器相比，動(dòng)態(tài)光束激光器在光束中心釋放出大部分能量，因此能夠?qū)⒘慵瞥蓮?fù)雜的 "環(huán) "或"馬蹄 "形狀。從理論上講，使用光束偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件或快速振鏡已經(jīng)可以做到這一點(diǎn)，盡管每次重新調(diào)整都需要幾毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能夠在微秒內(nèi)調(diào)整激光的能量模式，因此它有可能使動(dòng)態(tài)光束成形首次用于工業(yè)規(guī)模的金屬3D打印。據(jù)FraunhoferIWS的AndreasWetzig稱，這項(xiàng)技術(shù)推動(dòng)了金屬3D打印的極限，將會(huì)解鎖新的合金材料在醫(yī)療、電動(dòng)車和航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

△預(yù)計(jì)新的 "CIVAN "將在金屬3D打印中開(kāi)啟動(dòng)態(tài)光束成型。照片來(lái)自Fraunhofer IWS

南極熊評(píng)論

南極熊認(rèn)為，盡管從技術(shù)層面上看國(guó)外在高速金屬增材制造領(lǐng)域的技術(shù)理念、設(shè)備制造確實(shí)領(lǐng)先我國(guó)不少，但我們也并不只是落于“眼見(jiàn)他人起高樓”的境地，我們也有著像鉑力特、華曙高科、易加三維等一批受到國(guó)外市場(chǎng)認(rèn)可的佼佼者。中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型需要信心，中國(guó)智能制造業(yè)的發(fā)展更需要耐心，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)當(dāng)下的規(guī)模還遠(yuǎn)未發(fā)展到像國(guó)外那般“火并群雄”的激烈地步。相反，我國(guó)在增材制造材料、設(shè)備、技術(shù)、創(chuàng)新理念都還有著不少短板需要補(bǔ)齊，在增材制造走向產(chǎn)業(yè)化的道路上還有諸多未成熟的工藝鏈需要完善。

落后需要追趕，盡管我國(guó)并非3D打印技術(shù)理念的“起源地”，但我們有著龐大的市場(chǎng)體量和完備的制造產(chǎn)業(yè)鏈，加之近年來(lái)國(guó)家在先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)方面的大力政策扶持，相信未來(lái)國(guó)內(nèi)也會(huì)涌現(xiàn)出更多優(yōu)秀的增材制造企業(yè)能夠?yàn)橹袊?guó)創(chuàng)新“披堅(jiān)執(zhí)銳”，亦能走出國(guó)門大殺四方。畢竟在彎道超車、后來(lái)居上這方面的事，“種花家”沒(méi)少干。

（注：該文章轉(zhuǎn)自公眾號(hào)“南極熊3D打印”）