本帖最后由 warrior熊 于 2022-7-24 22:28 编辑
导读：“天下武功，唯快不破”，同样的道理放到增材制造领域依然适用。放眼全球，在制造业如今万物互联、智能化制造迅猛发展的浪潮和趋势下，唯有高效率、高质量的制造模式才能搭上“工业4.0”的快车道，从而真正引领一个新时代的技术革命。
近30年来，金属3D打印作为最具前景的先进成形技术之一，已经得到了广泛的发展，市场上出现了许多技术理念超前或者生产效率极高的新型金属增材制造系统，这也打破了人们对两大类传统金属3D打印模式——粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）的固有印象。为此，南极熊本期文章总结了现有8种的高速金属3D打印技术或设备，从这些案例中可以预见，大尺寸、高产量将会成为未来金属3D打印的主流方向之一。
①VulcanForms公司的150激光束金属3D打印机
VulcanForms公司是国外一家依托于麻省理工学院建立的初创公司，由哈特博士和他的一个研究生马丁-费尔德曼在2015年创立，其3D打印制造工厂位于马萨诸塞州德文斯。该公司追求一种全新的3D打印方法，即使用比现有系统多很多的激光束阵列，以解决现有金属3D打印的速度慢、成本过高和制造缺陷多的三大问题点。
南极熊获悉，VulcanForms开发的3D打印机高20英尺，重6万磅，代表着3D打印的技术前沿。现在德文斯的工厂已经装配了六台巨型打印机，预计到明年将会增加到20台。此外，该公司现在已经筹集了3.55亿美元的风险资金。员工数量在过去一年里增加了六倍，达到360人，他们来自通用电气和惠普公司等主要制造商以及谷歌和欧特克等科技公司。
技术原理 - 每台3D打印机都具有150道激光束，通过龙门架结构投射并快速来回移动；
- 每个打印系统最多可提供100千瓦粉末床的激光功率，是一般打印系统的100倍（最高可提升250倍）；
- 机器采用密封腔结构，在内部充满氩气气氛保护（反应性最低的气体之一），减少了杂质导致零件缺陷的机会。
△VulcanForms的三维打印使用了比其他系统更多的激光束阵列 △制造流程
②Seurat 200万激光点的金属“区域3D打印”技术
自2015年成立以来，Seurat公司一直致力于开发“区域打印工艺”，并打算推广给汽车、消费技术和工业客户。该公司的专利"金属区域打印技术"缘起于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)，是通过将200多万个激光点聚焦到金属粉末床上，实现快速打印最终用途的部件。这项技术的生产力远远超过任何现有金属3D打印技术。它的打印速度甚至高于电弧熔丝，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能进一步提高表面质量和零件的灵活性。
在汽车领域，Seurat公司认为他们的技术可用于生产汽车备件和下一代电动汽车的原型部件。同时，这项技术因为具有可扩展性和无飞溅性，可以成为生产工业应用大尺寸部件的理想选择。Seurat的区域打印技术突破了每个零件成本的现有障碍，他们的第一代系统与今天的增材制造技术相比，已经可以降低50%的成本。而且将进一步提高效率，未来几代机器的目标是在2030年击败传统压铸工艺的制造成本，这将标志着增材制造作为一种主流技术的突破。凭借着这项高生产效率的技术，Seurat在今年7月获得了4100万美元（约2.65亿元人民币）的B轮融资，由投资公司Capricorn基金领投。然而，这个工艺尽管已经开发了至少六年，在2017年获得了专利，但目前还未实现商业化。
技术原理： - Seurat的这种新技术不是增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束处理方法来增加每次的熔化量。常规的金属增材制造系统的光斑直径为100微米，对于单激光系统，就是使用直径100微米的激光进行扫描打印。而Seurat系统将200万个激光点射向15平方毫米的方形区域，每个光点的直径大约为10微米，也就是说一次打印一个区域；
- 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面积相当于15平方毫米，而常规单激光100微米直径的光斑面积仅仅为0.0078平方毫米，两者相差近1000倍，也就是说最多可以实现单激光系统1000倍以上的熔融效率；
- 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度却能达到传统单激光的10倍。
△Seurat200万个激光的“区域打印工艺”，可以打印金属件
③SPEE3D高速低成本的冷喷涂金属3D打印技术
SPEE3D是一家来自澳大利亚的冷喷3D打印机制造商，其独有的冷喷专利增材制造技术打印金属零件的速度要以比传统金属3D打印方法快100至1000倍。据称，这项技术也是唯一能够按需打印金属零件的工艺之一，其成本比传统制造更具竞争力，在国防、火箭、海洋等领域都有着广阔的应用前景。
SPEE3D公司在2019年和2021年被澳大利亚皇家海军两次选中，测试金属3D打印技术在国防上的应用潜力。该公司的WarpSPEE3D能够在恶劣的环境条件下运输和卸载，并在30分钟内投入使用。据了解，它能够以每分钟100克的速度打印重量达40公斤的大型金属零件，即使在37℃的温度和80%的湿度下也能打印。除了国防应用，SPEE3D的冷喷技术在火箭发动机部件制造方面同样有着优秀表现：在短短三个小时内就生产了一个17.9公斤的铜制火箭喷嘴衬垫，成本不到1000美元。
技术原理： - 冷喷技术不依靠激光或其他热能来源，而是利用动能，通过高速压缩的气流将金属粉末喷到基体上；
- 压缩的高压气体给予粉末材料足够的能量，使其完成塑性变形以产生一种粘附力与下面的固体零件结合，形成外层包覆层实现基体强化或修复；
△澳大利亚陆军正在准备WarpSPEE3D打印机的操作。照片来自澳大利亚陆军 △SPEE3D的金属3D打印机。图片来自SPEE3D
④Sciaky每小时18公斤沉积速度的EBAM技术
Sciaky是一家隶属于飞利浦服务公司的子企业，是工业金属3D打印解决方案的领先供应商。它们独有的电子束定向能量沉积增材制造(EBAM®)工艺，是世界上可实现大型金属零件最快速成形的3D打印工艺之一。
△电子束金属沉积3D打印技术，受到美国总统拜登的关注
在2022年1月份宣布将向土耳其航空航天工业(TAI)交付世界上最大的电子束定向能沉积(DED) 3D打印机——定制的300系列电子束增材制造(EBAM®)系统后，Sciaky公司在5个月后宣布他们的EBAM工艺已率先实现每小时超过40磅（18.14公斤）的沉积速率，这一记录是在位于法国的圣埃克苏佩里技术研究所(IRT)，为航空金属先进材料 (MAMA)项目打印金属零件的时候完成的。该公司的EBAM技术可扩展性非常广，3D打印金属零件的尺寸可以长达19英尺（6米）。通过层间实时成像和传感系统，实现很好的质量控制和反馈。这是金属3D打印市场上，少有的能够以精确和可重复性的方式，实现实时反馈、自适应的金属沉积控制系统。同时，该公司还为航空航天、国防、汽车、医疗保健，和其他制造行业提供行业领先的电子束(EB)和先进的弧焊系统，以及世界上最强大的EB车间焊接服务。焊接设备符合欧洲军标，可制造机身、起落架、喷气发动机、导弹和车辆零件等物品。
技术原理： - EBAM属于定向能量沉积（DED）技术，是一种通过高功率激光或电子束聚焦在金属材料上，将该区域的金属熔化以沉积材料的3D打印方法。由于其精细的微观结构和快速凝固的特性，DED工艺所制备的部件具有优异的机械性能；
- EBAM允许调整混合比，同时通过两个以上的料斗同时供应多种材料。因此，该工艺可以制造具有各种混合比的多种材料；
- 电子束 (EB) 焊接技术能在高深宽比下提供优异的焊接质量，具有最大的穿透和最小的形变。
△采用Sciaky特有的EBAM工艺，为MAMA项目进行3D打印
⑤ILT联手Ponticon推出专利超高速激光沉积（EHLA）3D打印技术
2021年10月，弗劳恩霍夫激光技术研究所（ILT）和总部位于德国的工程公司Ponticon联手推出了一项ILT专利的超高速激光材料沉积（EHLA）新型3D打印技术。EHLA技术最初开发于2017年，是ILT对大批量定向能量沉积（或称DED）的尝试。它最初是作为一个模块化的工具头提供的，可以集成到门架和机械臂上，同时进行材料沉积和熔化动作。
自EHLA 2017年发布以来，这两家合作伙伴一直致力于开发更适合增材制造应用的新一代技术版本，并在2019年完成了第一个原型——简称为"EHLA 3D"。Fraunhofer ILT将这项技术描述为比传统堆焊工艺更高效、更环保的替代品。目前，该工艺可以加工重达25公斤的零件，进料速度最高可达每分钟500米，比其他激光材料沉积技术快250倍。它还可以应用到更薄的层结构上去，仅有25微米，同时实现更平滑的零件表面。FraunhoferILT打算在过程监控设计、自动路径规划工具和构建参数细化方面投入更多的研究，并表示未来的升级技术版本将会提供更高的构建速率、更大的灵活性和材料多样性以及更高的精度。
△用三种不同的粉末材料3D打印Fraunhofer ILT的字样，作为新型高产的EHLA 3D工艺的示范部件。照片来自Fraunhofer ILT。
技术原理：- EHLA 3D工艺事实上可看作DED工艺的变体，常规DED多是针对于熔覆层应用，但它更倾向于硬核3D打印立体成形；
- EHLA 3D打印系统基于一个三脚架的运动结构，即三个线性马达与一个构建平台相连，在该平台上加工3D打印部件。这种结构使平台能够进行快速、精确的运动，而不产生任何重大振动。
⑥MELD推出比SLM快十倍的搅拌摩擦沉积3D打印技术
MELD制造公司是一家位于弗吉尼亚州克里斯蒂安斯堡的3D打印技术开发商，一直以来，该公司都在持续推进金属摩擦沉积工艺的开发和研究，同时制造基于该技术的3D打印机。在今年3月份，MELD公司宣布与弗吉尼亚理工大学开展合作，以寻求进一步推进其增材制造摩擦沉积技术，研究方向包括工艺基础，如温度、材料流动和变形，动态相和微结构演变，以及异质结构材料的设计和制造。
MELD制造公司拥有十几项增材制造搅拌摩擦沉积工艺的专利，与其他金属3D打印技术不同的是，该技术是一个固态过程，在低于熔化温度的情况下进行，往往不会熔化打印材料。MELD的3D打印应用主要是在国防领域，包括零件涂层、部件维修、金属连接和定制金属基复合材料坯料。据MELD称，增材搅拌摩擦沉积技术能够以前所未有的规模生产大型金属零件，它不限于小型粉末床或真空系统，是一种可以在开放的大气环境下实施的工艺，不受操作环境或材料表面条件的限制，并且材料沉积速度比粉末床熔融等工艺快十倍以上。
技术原理： - 通过固体进料杆（打印材料）旋转接触基材，涂抹并通过摩擦粘在基材上完成逐层打印，该过程发生塑性变形，但绝不会熔化；
- 快速旋转的工具具有加热材料的作用，并完成塑性变形，使其具有足够的可塑性；
- 摩擦沉积工艺与各种金属兼容，如铝、钛、钢和镍基超合金。
△MELD的专利增材制造搅拌摩擦沉积技术。照片来自MELD制造。 △前沿作战基地的MELD增材制造维修概念图。图片来自MELD制造公司
⑦Desktop Metal粘结剂喷射金属3D打印技术
Desktop Metal在2021年10月斥资5.75亿美元收购其主要竞争对手粘合剂喷射3D打印机制造商ExOne，一跃成为金属粘合剂喷射3D打印领域难觅敌手的头号霸主。ExOne公司多年来致力于开发可控氛围（有时也称为惰性或化学惰性）的粘合剂喷射3D打印技术，用于打印活性粉末。目前，其粘合剂喷射3D打印技术能够处理包括金属、陶瓷和复合材料在内的几乎所有类型粉末。
使用粘合剂喷射（binder jetting）和单程喷墨技术（single-pass inkjet technology）的3D打印机Production System™，可能是进行大规模3D打印金属零件的最快方法。具有最先进的打印喷头，上面有16384个喷嘴，每秒能够喷出15亿滴墨滴，具有1200x1200 DPI的原始分辨率，出色的可靠性和双向单程打印，可以快速3D打印复杂的金属零件，堆积效率可达12,000cm3/小时，每天多达10,000个零件。
单程粘合剂喷射金属3D打印技术原理 在Single Pass Jetting™（SPJ）的支持下，Production System™具有双向3D打印功能，移动一次，即可打印一次，不浪费一遍路程。具体工作流程如下：
- 3D打印。对于双向单程3D打印，每次打印遍及整个构建区域，都将应用打印过程的所有步骤（粉末沉积、铺展、压实、弹道抑制ballistic suppression、和粘合剂喷射）。一层一层地沉积金属粉末和粘合剂，直到整个构建体被零件部分和周围的散装粉末填满为止。
- 脱粉。构建完成后，将移除构建箱，并用新箱子替换下一个构建。完整的成型箱被移至清粉工位，在那里去除粉末，并准备烧结零件。
- 烧结。脱粉的零件装入工业炉中，在那里将加热到接近熔化的温度。除去剩余的粘合剂，使金属颗粒融合在一起，并使零件致密。
技术特点：- 高速打印：借助Production System的双向单程Single Pass Jetting™打印技术，每天最多可进行10,000个零件的3D打印，每次构建零件，实现比传统SLM激光粉末床的打印速度高100倍，最大限度地提高生产率。
- 密集3D嵌套：无需支撑即可进行粘合剂喷射3D打印，这意味着零件由松散的粉末支撑，无需焊接至底板。这使客户能够用密集嵌套的零件填充构建体积，从而有效地交付高吞吐量的打印。
- 一流的可重复性：通过防弹技术，打印头冗余和实时光学打印床检查，提供了强大的可重复性。意味着您可以放心打印。
⑧Fraunhofer IWS速度提升千倍的CBC金属3D打印技术
2021年7月，德国研究机构Fraunhofer IWS透露了一种新式的3D打印系统，这套系统可能比目前基于振镜的激光制造技术快"一千倍"。据悉，这种打印装置重点在于一个高功率的13KW "动态光束激光器"，它能够迅速产生不同的能量分布模式，并精确地打印出极为复杂的材料。这项突破性技术最初由以色列公司Civan Lasers开发，Fraunhofer IWS用相干光束来做金属3D打印。这种方法被认为是高功率激光工艺的 “巅峰"，它涉及到将激光分割放大成多条相干光线，然后再将它们合并成强大的单束。
△一位工程师在德累斯顿的Fraunhofer IWS安装耶路撒冷的 "动态光束激光"。照片来自Fraunhofer IWS
在Civan Lasers公司的案例中，它们已经开发出一种利用部分光束的小相位偏移来调制能量分布模式的方法。与现有的激光器相比，动态光束激光器在光束中心释放出大部分能量，因此能够将零件制成复杂的 "环 "或"马蹄 "形状。从理论上讲，使用光束偏转光学器件或快速振镜已经可以做到这一点，尽管每次重新调整都需要几毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能够在微秒内调整激光的能量模式，因此它有可能使动态光束成形首次用于工业规模的金属3D打印。据FraunhoferIWS的AndreasWetzig称，这项技术推动了金属3D打印的极限，将会解锁新的合金材料在医疗、电动车和航空航天领域的广泛应用。
技术原理：
- 从理论上讲，使用光束偏转光学器件或快速振镜已经可以做到这一点，尽管每次重新调整都需要几毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能够在微秒内调整激光的能量模式，因此它有可能使动态光束成形首次用于工业规模的金属3D打印。
- 用相干光束进行金属3D打印，光源模式是将激光分割放大成多条相干光线，然后再将它们合并成强大的单束；
- 利用动态光束成型来消除部件缺陷，并克服裂纹敏感材料带来的许多现有挑战，可应用于为外太空执行任务定制部件或医用植入物；
- 当涉及到激光切割时，动态光束激光器将被证明是目前光纤激光器的两倍，同时产生无毛刺的切割，并具有良好的边缘质量。
△预计新的 "CIVAN "将在金属3D打印中开启动态光束成型。照片来自Fraunhofer IWS
写在最后：
南极熊认为，尽管从技术层面上看国外在高速金属增材制造领域的技术理念、设备制造确实领先我国不少，但我们也并不只是落于“眼见他人起高楼”的境地，我们也有着像铂力特、华曙高科、易加三维等一批受到国外市场认可的佼佼者。中国制造业的转型需要信心，中国智能制造业的发展更需要耐心，我国增材制造产业当下的规模还远未发展到像国外那般“火并群雄”的激烈地步。相反，我国在增材制造材料、设备、技术、创新理念都还有着不少短板需要补齐，在增材制造走向产业化的道路上还有诸多未成熟的工艺链需要完善。
落后需要追赶，尽管我国并非3D打印技术理念的“起源地”，但我们有着庞大的市场体量和完备的制造产业链，加之近年来国家在先进制造产业方面的大力政策扶持，相信未来国内也会涌现出更多优秀的增材制造企业能够为中国创新“披坚执锐”，亦能走出国门大杀四方。毕竟在弯道超车、后来居上这方面的事，“种花家”没少干。
参考阅读：
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