导读：2021年，中国金属3D打印市场应用取得迅猛发展，已经出现一批企业，其金属3D打印机年出货量超50台，甚至达100台。从产品和技术的角度来说，这过去的一年，国内出现了哪些具有突破性的金属3D打印技术呢？南极熊3D打印网根据技术难度、创新性、行业影响力等因素，评出2021年国内重量级金属3D打印机。
清研智束突破大幅面金属3D打印电子枪阵列扫描技术
2021年11月30日，南极熊获悉，天津清研智束科技有限公司利用我国自主研发的2×2电子枪阵列，完成了直径400mm钛合金零件的打印，标志着我国在全球率先实现了大幅面电子枪阵列扫描，为进一步实现大尺寸电子束选区熔化（EBSM）技术奠定了坚实的基础。
△电子枪阵列扫描制备的钛合金零件（直径400mm）
电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM) 是一种基于高能电子束的粉末床熔融增材制造技术，可以用于空心、多孔、网格等复杂整体结构的加工制造，实现产品结构轻量化和高性能化。
EBSM技术具有能量效率高、功率大、粉末床温度高、制件内应力低等特点，可实现钛合金、钛铝合金、高温合金、难熔金属等高性能、难加工材料复杂构件的增材制造，且成形效率高、成本低，可以满足规模化量产、应急状态的快速响应制造需求，已经被欧美国家应用于航空航天、医疗器械等行业金属零部件的规模化制造。但EBSM设备和工艺的难度较高，目前只有少数国家掌握，而且都为单电子枪技术，成形幅面小，成形零件尺寸受限，难以满足航空航天大型构件制造的需求。
十三五期间，天津清研智束科技有限公司与清华大学、中科院电工所等单位合作，承担了科技部增材制造与激光制造重点研发计划“大功率、长寿命、多模式电子枪及阵列研发与增材制造中的应用”项目。在项目支持下，突破了国产长寿命、高稳定性电子枪设计制造技术，研发成功配备2×2电子枪阵列的大幅面EBSM研究验证样机，解决了枪间干扰、扫描拼接、多枪集成等技术难题。经过项目团队的刻苦攻关，在全球首次实现了基于电子枪阵列的大尺寸钛合金零件EBSM成形，使我国在此领域走到了世界前列。
△配备2×2电子枪阵列的大幅面EBSM研究验证样机（扫描幅面430mm×430mm）
电子枪阵列技术的突破，不仅意味着我国在大尺寸EBSM增材制造技术上取得了关键性的技术进步，而且表明我国已全面掌握了EBSM技术，特别是EBSM工业化应用依赖的高精度、高可靠性电子枪系统实现了自主可控，为EBSM这一高效、高性能的增材制造技术在我国的工业化应用提供了保障。
此次项目的牵头单位——天津清研智束科技有限公司自主研发的3kW单晶阴极电子枪的阴极寿命已达到800小时以上，达到了国际同类产品的水平。同时，为保障电子枪阵列扫描，该公司还研发了电子枪状态监控、电子枪自诊断自恢复以及加工参数实时修正等功能，确保了多枪复杂系统的稳定运行。
铂力特推出10激光金属3D打印机S800，迈进大·生产时代
南极熊获悉，2021亚洲3D打印、增材制造展览会 (TCT Asia)上，金属3D打印上市公司铂力特推出了10激光器金属3D打印机BLT-S800。
△BLT-S800
BLT-S800是本次展会铂力特重磅发布的新产品，现场展示的是十个激光器设备，其应用领域包括航空、航天、发动机、医疗、汽车、电子、模具、科研院所，材料支持钛合金、铝合金、高温合金、不锈钢、高强钢、模具钢，成形尺寸为800mmX800mX600mm。BLT-S800最大的特点是大尺寸高效成形能力，可以选配6/8/10个三种多激光方案，是自动化、智能化的集大成之作。
应零件应用需求而生
回转体零部件是航空航天发动机应用中较为常见且重要的零件结构类型，一般尺寸在 Φ800mm内，成品零件不仅需要达到较高的精度、性能和质量标准，受研制和制造节奏的影响，这类型零部件的生产需要较高的生产效率保障。
BLT-S800的成形尺寸突破至800mm×800mm×600mm，可更大程度上满足大尺寸零件的成形要求，解决高端应用领域大尺度异形空间曲面特征、多特征跨尺度结构、镂空网状及空间连续拓扑包络等复杂结构的一体化成形难题。
十激光先进技术，多光拼接质量稳定
多个高品质光纤激光器联动协同打印，10光设备效率相较6光设备可提升30%以上，大幅提升打印效率。同时设备采用双向铺粉技术，减少单向铺粉的无效时间，提升零件打印效率。在保证零件质量的前提下，设备最高打印效率可达250cm3/h（与零件的形状、尺寸、材料和参数有关，与设备激光数量有关）。
铂力特拥有先进的多光拼接技术，可保证材料在不同批次、不同成形区域内能量输入和力学性能的一致性和稳定性。
铂力特采用自研的功率校正系统，使激光功率输出稳定一致精度可达±5W。具备成熟的流场设计，有效保证粉层厚度，并将烧结产生的大颗粒大量带走，提高零件表面质量，减少缺陷，使满幅面成形效果更好更稳定。
铂力特将多光拼接等关键技术进行了集成优化，使打印幅面上搭接区与非搭接区的各项力学性能（抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率）偏差均控制在5%以内。
“超长待机”过滤器，稳定生产
BLT-S800设备标配永久型烧结板过滤器，实现过滤系统“超长待机”，大幅度降低设备耗材成本及人力成本，提高设备利用率。此外，对设备内部风速进行实时监测并采用闭环控制，使吹风更稳定。
自动供粉不停机，保质量
自动供粉系统应用于不锈钢、模具钢、钛合金、高温合金及铝合金等粉末供粉。整个供粉系统在惰性气体保护下进行运作，且集氧含量、压力、滤芯差压、物位检测等多种实时检测，可实现设备粉末自动添加，生产过程不间断，用过程管控保证零件成形质量。该粉末供给系统采用高度兼容化设计，使得一套供粉系统可服务于一台或多台同型号或不同型号的BLT金属增材设备。
沉淀多年生产经验，智能软件为零件质量保驾护航
出光扫描前，BLT-MCS根据工作平台光栅尺反馈的实际位置计算得到零件打印的实际高度，并与剖分文件理论高度比较，如果误差超过质量要求，则提示需要软件自动补偿或者停机检查。避免不可控因素导致的零件高度丢失，提高打印一次成功率。
铂力特拥有多年的打印经验，积攒了大量的铺粉缺陷数据。在监测过程中，监测系统会把发现的典型铺粉缺陷：例如铺粉缺粉、刮刀卡停、铺粉剐蹭、铺粉抖粉、粉末杂质较多，平台小区域塌陷等图像特征进行分类，然后通过网络提取数据库数据进行对比并引入神经网络的算法经过多轮迭代，形成修复方案。
西帝摩2米大尺寸金属3D打印机XDM 2000
△XDM 2000
苏州西帝摩在2021TCT展会上发布超大型激光选区熔化设备 XDM 2000，它使用了6套振镜系统，金属3D打印台面成型尺寸达2000mm×2000mm，在同类产品中已属最大机型之一。
①移动式扫描系统
设备采用了单列6套振镜6个工位并行移动扫描方案，具体的实现方式是：将2000mm×2000mm的加工台面分成大小相等的6×6个区域，单列6个区域分布6套振镜系统，在开始加工时6套振镜同时工作，当前工位扫描完成后移动振镜平台到下一工位，然后6套振镜同步扫描，依次扫描完成6个工位的加工后结束本层扫描，等待铺粉完成后接着进入下一循环，直至整个零件加工结束。这样，6套并行的同步扫描方法即能实现加工的高效性，也大幅减低了成本。
②移动式烟尘处理装置，将“大”化小
产品设计了一种可移动式的吹吸烟装置，该装置随着振镜的位置同步移动，如下图所示，吹吸烟装置与激光振镜一样，在移动过程中具有六个工位，因此在成型仓两侧分别设计了6个管道接口，用于各个工位吹吸烟的气体对流，当吹吸烟装置移动至该位置时，管道接口处的电磁铁启动将吹吸烟管道结合，形成循环的气体对流环境，然后激光振镜开始扫描，加工中产生的烟尘便能在这样的气体对流环境下得到有效处理。将2000mm跨距烟尘处理问题转化为350mm跨距。
华曙高科8激光金属打印机FS721M，打印效率创新高
随着3D打印技术向产业化应用的纵深发展，增材制造朝着多激光、大尺寸、高效率、低成本方向发展，由此带来了打印质量、稳定性、一致性等方面的众多新挑战。基于汽车行业产业化用户的个性化需求定制，工业级3D打印领航企业华曙高科于2021年5月率先发布了8激光金属增材制造技术及配置8激光的FS721M设备，并在2021 TCT亚洲展上连续3天现场展示其烧结过程。
目前，国际一线品牌大型设备的成型效率大约在200-250ml/h，华曙高科8激光FS721M配置了8个1000W的激光器，结合大层厚工艺，8激光FS721M成形速率最高可达250-300ml/h，创下了金属3D打印效率的新高度。FS721M拥有720×420×420mm大尺寸成型缸，能满足大尺寸、复杂结构、产业化增材制造需求，成型材料包括钛合金、镍基高温合金、铝合金、不锈钢等。同时，FS721M配备惰性气体保护下的高效粉末处理系统和循环过滤系统，通过智能切片算法及独特的风场设计和多激光协同扫描，确保成型质量。
△8激光FS721M成形速率最高可达250-300ml/h
该设备虽然激光器成本增加了，但是因为打印效率的提升，使得用户的总体打印成本降低了，由此获得了用户的认可。截至2021年12月，华曙高科3D打印设备在全球客户端装机量超600台，其中400mm以上尺寸中大型金属设备超过80台，凭借持续的创新和过硬的产品力，华曙高科持续引领工业3D打印市场。
自主研发软件支持深度开发和功能定制
华曙高科自主研发的增材制造一体化开源软件操作系统，集合制造与故障诊断温场控制、远程监测、数据反馈与集成控制等功能于一体，是将增材制造多个模块功能集成一体的系统控制软件，也是具有开源性特征的3D打印软件系统，突破了欧美增材制造企业原有封闭式软件的技术局限，成为本领域开放式软件平台。
目前，华曙高科全系列增材制造系统，开放多类核心关键技术参数，支持用户深度开发和功能定制：
● 激光类参数（例如激光功率、激光光斑等）
● 路径规划类参数（例如条带分区、上下表面分区策略等）
● 运动控制类参数（例如铺粉速度、铺粉层厚等）
● 尺寸校准类参数
● 支撑设计类参数
通过设备和材料的最佳匹配获得最好的工件质量和性能，同时兼容第三方软件如西门子NX软件、Netfabb等。
全面实时监测系统保驾护航
在打印过程中，金属粉末熔化过程相当复杂，充满挑战性，金属的相变、冷却速度以及其他工艺参数都将影响金属粉末的熔凝过程及组织结构。FS721M配备全面实时监测系统，能进行铺粉检测、报警处理、质量追溯，能实时掌握每层激光扫描完后成型情况，并进行每层铺粉检测及智能处理，质量可追溯，有效保证设备高产值高成品率，为设备稳定运行保驾护航。
轻量化翼舵
产品尺⼨：665*55*252mm
打印设备：FS721M
打印材料：FS IN718
应⽤⾏业：航空航天
采用点阵、蜂窝、栅格骨架蒙皮⼀体化，内部点阵填充，产品减重60%。同时，缩短加⼯周期，降低成本，综合性能提⾼20%。
易加三维EP-M650系列型产品 · 四激光大尺寸金属增材制造系统
南极熊获悉，EP-M650系列产品采用MPBF金属粉末床熔化技术，配置四激光四振镜、多激光精准定位+拼接区精度控制技术，保证设备的高质量、高效率及高稳定性打印，其中基础型设备配置的成型室尺寸可达655*655*800mm3。可实现钛合金、铝合金、镍基高温合金、模具钢、不锈钢、钴铬钼等材料的打印，适用于航空、航天、军工等领域大尺寸、高精度和高性能零部件的直接制造。
EP-M650孵化于国家重点研发计划“增材制造与激光制造专项”——“大尺寸粉末床选区激光熔化增材制造工艺与装备研发”项目（北京易加三维科技有限公司为该项目的牵头承担单位）。目前，该设备已批量生产，正式投放并服务市场。
设备研发过程中，易加三维攻克了多个大型增材制造设备的共性技术难点，包括光束质量控制、多激光拼接精度控制、循环风场均匀化、循环过滤系统稳定性优化、多激光路径规划、在线质量检测等关键技术，并通过技术延伸开发出系列化共有平台设备。根据客户需要，该系列设备成型高度方向的尺寸可定制，最高可达2000mm。
高效率，高产能
基础型EP-M650成型室尺寸655*655*800mm3 , 体积 >340L; 配备四激光，成型速度最大可达120cm3/h, 相比单激光打印效率提升3.5 倍；可实现大层厚打印（≥60μm），进一步提高产能。
品质稳定，一致性好
卓越的高光束质量 (M2≤1.1) 及细节分辨率，保证了打印零件的成型精度及力学性能；打印拼接区精度偏差≤±0.1mm, 力学性能一致性较单激光无明显差异；风场结构优化设计，保证烟尘、飞溅的有效去除，全幅面零件打印均匀一致。
人性化设计，自动化程度高
用户界面友好，具有一键打印功能；打印完成后，可通过控制软件 “一件取件”，成型缸自动移出，侧滑至清粉模块；打印过程中设备信息实时显示，打印完成后自动生成电子版打印报告。
实时监测，安全性高
安全设计，防误操作、防触电、防火、防污染；设备整体密封性好，粉末使用与回收均处于封闭状态；工作环境和气源状态实时监测，安全可靠。
易加三维秉承“以技术驱动发展”的理念，在增材制造领域深耕细作，务实创新，为工业化生产提供更专业、更可靠、更适用的生产制造级3D打印设备，以实际行动助力制造业产业升级。
天津镭明1.5米高尺寸金属3D打印机LiM-X650H
天津镭明LiM-X650H在2021年6月份研制成功，可打印零件尺寸为650mmx650mmx1500mm，属国际领先水平，特别是打印纵深，为可商业化销售的金属增材制造设备中的最高水平之一；该设备搭载完整闭环的粉末自动输送系统，零件打印全程无需人工干预粉末上下料及筛分过程，配备零件粉末清理回收模块，高效、实用、安全。
镭明激光的LiM-X650H设备配置4台1000W激光器，最高可增至8台，配合优化后的工艺参数，成型效率大幅度提升；光学系统采用高质量数字扫描振镜和f-theta镜，扫描精度高且运行稳定；采用烧结板过滤系统，滤芯寿命长，打印过程不中断，避免了更换滤芯或滤芯清洁所造成的停机，同时提升了安全性；此外，独特的落粉铺粉系统为打印工艺提供高质量粉层，可切换的粉末输送系统为便捷生产提供基础功能，有趣的筛分机构为超长打印过程提供可靠保障，10L/min的输送效率为高速打印提供充足原料。
LiM-X650H系列设备可广泛应用到航空、航天、汽车制造等各领域，已有钛合金、高温合金、铝合金等材料成熟的打印参数包，该设备在成形效率、打印质量、使用成本等方面均有优异表现，已成功为某航天客户打印高度为1400mm的零件，得到客户认可。
武汉天昱全新一代智能铸锻铣短流程绿色复合制造机床建成投运
2021年7月1日，南极熊获悉，立志于“高端领域重点突破和传统产业转型升级”的武汉天昱智能制造有限公司，建成投运“全新一代智能铸锻铣短流程绿色复合制造机床”（TY4000L）。该机床面向国家高端装备高品质短流程制造之急需，将金属增材-等材-减材合三为一，融合了武汉天昱在设计、材料、工艺、软件、核心器件及产品复合制造方面的经验耦合，集成国产数控机床主机、数控系统、功能部件及万向微铸锻系统，具有完全自主知识产权，是武汉天昱核心技术—“金属3D'微铸锻'技术”产业化应用的第四代大型全刚性惰性气氛保护快速制造装备。
TY4000L有效成形尺寸达3m×2m×2m，相比前期版本，全密闭环境成形体积扩大6倍以上。
TY4000L将微铸锻铣系统、在线监测系统、反馈修复系统、气氛保护系统全面模块化进行中控，相比前期版本，反馈调节响应效率更高，装备运行更稳定。
TY4000L首次配备复杂成形铸锻头，可实现密闭环境下电弧/等离子弧双热源双送丝自由切换，多工序无缝衔接，在保证成形质量的同时，效率大幅度提升，覆盖更多特殊材料及复杂特征高端锻件制造需求。
天昱智造首席科学家、华中科技大学张海鸥教授团队潜心20余年发明的多场调控激光/电弧微铸锻铣一体化智能制造高性能大型金属构件技术(简称“智能微铸锻”技术)，突破了“铸锻同步、控形控性、缺陷监测、自主修复”等难题，融合3D打印、半固态快锻、柔性机器人三项重大技术，将金属增材-等材-减材制造合三为一，可用一台设备制造锻件级零件，无需重型装备与巨型模具及二十多次反复加热与成形加工。
该技术全面提高制件强度、韧性、疲劳寿命及可靠性，变革了国内外铸锻分离的传统制造模式，属于颠覆性创新与领跑国际的先进制造技术，在低成本、高效率成形高性能大型复杂零件关键技术与工艺上获得重大突破，兼具增材制造的复杂结构、无模、轻量化优点和传统锻造零件的高品质。产品性能获权威机构测试认证和用户充分肯定：国际3D打印权威白皮书Wohlers Report评价“发明了新颖的铸锻铣复合增材制造技术”；国际电弧成形先驱Cranfield大学评价“原位轧制改善微观组织性能、形貌、应力、变形”；应用单位认为“制造周期仅为传统方式的1/3，性能超过锻件”；成果鉴定“整体技术居国际领先水平”。
升华三维突破大尺寸难熔金属的3D打印技术
△钨合金屏蔽件
粉末挤出打印技术（Powder Extrusion Printing，PEP）是由升华三维提出的，结合“3D 打印”和“粉末冶金”的一种新型 3D 打印方法。第一步控制材料成型，在低温下（300℃）成型复杂的难熔金属结构件的生坯，然后经过高温烧结，最终实现大尺寸（500mm*500mm*600mm）、成分均匀、复杂结构的高性能产品制备。
基于粉末挤出打印技术，升华三维自主研发了大尺寸独立双喷嘴间接3D打印机UPS-556，具有大幅面打印尺寸，有效打印尺寸高达500mm×500mm×600mm，通过独立双喷嘴设计，可以同时打印双材料，具有自动进料功能，可以实现连续不间断打印72h以上。UPS-556具有操作简单、高精度、高质量和高性价比等优点。
△UPS-556
对于高比重钨合金，由于成分多样，性能差异大，熔点最高相差2400℃，且各元素饱和蒸气压不同，采用SLM技术无法保证各合金成分的可控性和精确性。而PEP技术，通过低温段成形，高温段成性的方式，从而有效地解决这个问题。
升华三维联合中南大学和天津大学采用UPS-556开发了合适的打印工艺，成功制备了高密度99.1±0.2%，拉伸强度为801MPa，延伸率为22.1%的高比重钨合金（96W-2.7Ni-1.3Fe）。热处理后，性能进一步提高,拉伸强度为838MPa，延伸率达到了26.1%。对于难熔金属材料而言，PEP技术是一种新的3D打印方法。
南极熊获悉，升华三维还正在开发打印尺寸1m*1m*1m以上的超大尺寸金属/陶瓷间接3D打印机。
Raise3D上海复志推出FFF桌面级金属3D打印设备
2021年TCT亚洲展上Raise3D上海复志宣布将推出包括桌面级金属3D打印解决方案MetalFuse。这一端到端解决方案为金属3D打印提供了完全集成的生态系统，包括用于金属FDM/FFF的桌面3D打印机、催化脱脂炉、烧结炉、金属熔丝制造优化软件以及由BASF Forward AM提供的金属线材组合。
△巴斯夫3D打印解决方案亚太区业务管理和运营总监陈立博士（右）与Raise3D 技术总监麦味先生（左）联合发布MetalFuse金属3D打印系统
Raise3D MetalFuse主要面向金属原型制作，相较SLM/PBF技术，其准入门槛和使用难度都大幅降低，使用频率不高的客户可采购打印机，并采用外协方式进行脱脂和烧结加工处理。同时相较其他金属打印工艺而言，所见即所得，能有效解决目前金属加工、模具、粉末冶金行业的开发周期缓慢，开发成本过高的问题。
△使用Forge1打印的金属零件
Raise3D的创新还在于另辟蹊径，没有采用另两家桌面级金属3D打印公司Desktop Metal 和Markforged所使用的溶剂脱脂工序，而是将3D打印和传统MIM行业的气体催化脱脂工艺相结合，大幅提高最终零件良品率，相较上一代的溶剂脱脂，MetalFuse缩短了60%成型时间，金属致密度提升至97%。
云耀深维（江苏）自主创新技术的微米级金属3D打印机Precision-100
△Precision-100
云耀深维专家团队自主研发的微米级金属增材制造技术实现了复杂精密结构金属材料的3D一次打印成型，控制激光光斑至20微米，平整铺粉层厚至5微米（相当于20分之1根头发丝厚度)，实现了金属打印精度至2-5微米，打印部件表面粗糙度Ra值0.8-1微米，致力于填补小型、高精度增材制造部件的市场空白，其主要优势如下：
- 超高精度：微米级打印实现了金属打印精度至2-5微米，可以让产品的设计更加自由，突破设计局限，实现微米级多孔、中空、铰链、多维随行流道等精密结构；
- 光洁表面：微米级打印将轮廓最大高度Rz降低至5到10微米之间，Ra值0.8-1微米，可减少大量后期加工环节；
- 免支撑打印：微米级3D打印可以实现大部分结构10度角度以上无需支撑、自由打印；
微米级金属打印技术适用于目前传统精密制造在制造周期、制造难度、多工序部件制造成本、成型复杂度、设计自由度等方面存在难点的部件制造。
主要应用领域包括：
- 航空航天
在云耀深维极微100系列上已成功一次成型具有高表面光洁度和内部复杂结构的镍基高温合金航空发动机部件，大幅度提高其性能及效果；
- 医疗领域
可直接成型微创手术器械/手术耗材/手术机器人关节，快速制造个性化植入体/介入体；
-微电子领域
在散热部件内打印封闭式的复杂微结构流道系统，实现传统工艺无法加工的复杂部件，大大提高产品散热性能；
- 精密模具领域
快速制造微米级电子接插件模具，并可以实现精密模具里打入多维随形冷却流道，提高冷却效率，延长设备使用寿命并提升设备产能。
总结
以上为2021年国内金属3D打印厂商发布的其中一些重磅产品，从电子束EBM、SLM选择性激光烧结、FFF熔融挤出、微纳级金属打印等不同技术工艺，极具行业代表性的突破性技术设备。部分厂商已经做出了更先进的机器（例如20激光器的SLM 金属3D打印机），但是由于还不够成熟、客户保密要求等原因，希望南极熊先不要公布曝光，将在2022年隆重推出。敬请关注。
如果有其他独具特色的金属3D打印机，欢迎在留言区补充。
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