“天下武功，唯快不破”，同樣的道理放到增材製造領域依然適用。放眼全球，在製造業(ye) 如今萬(wan) 物互聯、智能化製造迅猛發展的浪潮和趨勢下，唯有高效率、高質量的製造模式才能搭上“工業(ye) 4.0”的快車道，從(cong) 而真正引領一個(ge) 新時代的技術革命。

近30年來，金屬3D打印作為(wei) 最具前景的先進成形技術之一，已經得到了廣泛的發展，市場上出現了許多技術理念超前或者生產(chan) 效率極高的新型金屬增材製造係統，這也打破了人們(men) 對兩(liang) 大類傳(chuan) 統金屬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(wei) 此，南極熊本期文章總結了現有8種的高速金屬3D打印技術或設備，從(cong) 這些案例中可以預見，大尺寸、高產(chan) 量將會(hui) 成為(wei) 未來金屬3D打印的主流方向之一。

①VulcanForms公司的150激光束金屬3D打印機

VulcanForms公司是國外一家依托於(yu) 麻省理工學院建立的初創公司，由哈特博士和他的一個(ge) 研究生馬丁-費爾德曼在2015年創立，其3D打印製造工廠位於(yu) 馬薩諸塞州德文斯。該公司追求一種全新的3D打印方法，即使用比現有係統多很多的激光束陣列，以解決(jue) 現有金屬3D打印的速度慢、成本過高和製造缺陷多的三大問題點。

南極熊獲悉，VulcanForms開發的3D打印機高20英尺，重6萬(wan) 磅，代表著3D打印的技術前沿。每台3D打印機都具有150道激光束，每個(ge) 係統最多可提供100千瓦粉末床的激光功率，是一般係統的100倍（最高可提升250倍）。現在德文斯的工廠已經裝配了六台巨型打印機，預計到明年將會(hui) 增加到20台。此外，該公司現在已經籌集了3.55億(yi) 美元的風險資金。員工數量在過去一年裏增加了六倍，達到360人，他們(men) 來自通用電氣和惠普公司等主要製造商以及穀歌和歐特克等科技公司。

△VulcanForms的三維打印使用了比其他係統更多的激光束陣列

△製造流程

值得一提的是，這些機器可以打印鈦和其他材料，整體(ti) 結構是密封的，裏麵的氣氛保護采用的是氬氣，這是反應性最低的氣體(ti) 之一，能夠減少導致零件缺陷和雜質的產(chan) 生。現在，它們(men) 能為(wei) 包括航空航天、半導體(ti) 、國防和醫療植入物等領域在內(nei) 的企業(ye) 客戶製造高科技部件。

②Seurat 200萬(wan) 激光點的金屬“區域3D打印”技術

自2015年成立以來，Seurat公司一直致力於(yu) 開發“區域打印工藝”，並打算推廣給汽車、消費技術和工業(ye) 客戶。該公司的專(zhuan) 利"金屬區域打印技術"緣起於(yu) 勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)，是通過將200多萬(wan) 個(ge) 激光點聚焦到金屬粉末床上，實現快速打印最終用途的部件。這項技術的生產(chan) 力遠遠超過任何現有金屬3D打印技術。它的打印速度甚至高於(yu) 電弧熔絲(si) ，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，並有可能進一步提高表麵質量和零件的靈活性。

在汽車領域，Seurat公司認為(wei) 他們(men) 的技術可用於(yu) 生產(chan) 汽車備件和下一代電動汽車的原型部件。同時，這項技術因為(wei) 具有可擴展性和無飛濺性，可以成為(wei) 生產(chan) 工業(ye) 應用大尺寸部件的理想選擇。Seurat的區域打印技術突破了每個(ge) 零件成本的現有障礙，他們(men) 的第一代係統與(yu) 今天的增材製造技術相比，已經可以降低50%的成本。而且將進一步提高效率，未來幾代機器的目標是在2030年擊敗傳(chuan) 統壓鑄工藝的製造成本，這將標誌著增材製造作為(wei) 一種主流技術的突破。憑借著這項高生產(chan) 效率的技術，Seurat在今年7月獲得了4100萬(wan) 美元（約2.65億(yi) 元人民幣）的B輪融資，由投資公司Capricorn基金領投。然而，這個(ge) 工藝盡管已經開發了至少六年，在2017年獲得了專(zhuan) 利，但目前還未實現商業(ye) 化。

△Seurat 200萬(wan) 個(ge) 激光的“區域打印工藝”，可以打印金屬件

在技術原理上，Seurat的這種新技術不是增加激光源的數量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規的金屬增材製造係統的光斑直徑為(wei) 100微米，對於(yu) 單激光係統，就是使用直徑100微米的激光進行掃描打印。而Seurat係統將200萬(wan) 個(ge) 激光點射向15平方毫米的方形區域，每個(ge) 光點的直徑大約為(wei) 10微米，也就是說一次打印一個(ge) 區域。

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

1、在激光打印照射效率上，Seurat的光斑麵積相當於(yu) 15平方毫米，而常規單激光100微米直徑的光斑麵積僅(jin) 僅(jin) 為(wei) 0.0078平方毫米，兩(liang) 者相差近1000倍，也就是說最多可以實現單激光係統1000倍以上的熔融效率；

2、在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達到傳(chuan) 統單激光的10倍。

③SPEE3D高速低成本的冷噴塗金屬3D打印技術

SPEE3D是一家來自澳大利亞(ya) 的冷噴3D打印機製造商，其獨有的冷噴專(zhuan) 利增材製造技術打印金屬零件的速度要以比傳(chuan) 統金屬3D打印方法快100至1000倍。據稱，這項技術也是唯一能夠按需打印金屬零件的工藝之一，其成本比傳(chuan) 統製造更具競爭(zheng) 力，在國防、火箭、海洋等領域都有著廣闊的應用前景。

冷噴技術不依靠激光或其他熱能來源，而是利用動能，通過高速壓縮的氣流將金屬粉末噴到基體(ti) 上。這給了材料足夠的能量，使其變形並與(yu) 下麵的固體(ti) 零件結合，形成額外包覆層。SPEE3D公司在2019年和2021年被澳大利亞(ya) 皇家海軍(jun) 兩(liang) 次選中，測試金屬3D打印技術在國防上的應用潛力。該公司的WarpSPEE3D能夠在惡劣的環境條件下運輸和卸載，並在30分鍾內(nei) 投入使用。據了解，它能夠以每分鍾100克的速度打印重量達40公斤的大型金屬零件。除了國防應用，SPEE3D的冷噴技術在火箭發動機部件製造方麵同樣有著優(you) 秀表現：在短短三個(ge) 小時內(nei) 就生產(chan) 了一個(ge) 17.9公斤的銅製火箭噴嘴襯墊，成本不到1000美元。

△澳大利亞(ya) 陸軍(jun) 正在準備WarpSPEE3D打印機的操作。照片來自澳大利亞(ya) 陸軍(jun)

△SPEE3D的金屬3D打印機。圖片來自SPEE3D

④Sciaky每小時18公斤沉積速度的EBAM電子束金屬3D打印技術

Sciaky是一家隸屬於(yu) 飛利浦服務公司的子企業(ye) ，是工業(ye) 金屬3D打印解決(jue) 方案的領先供應商。它們(men) 獨有的電子束定向能量沉積增材製造(EBAM®)工藝，是世界上可實現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，受到美國總統拜登的關(guan) 注

在2022年1月份宣布將向土耳其航空航天工業(ye) (TAI)交付世界上最大的電子束定向能沉積(DED) 3D打印機——定製的300係列電子束增材製造(EBAM®)係統後，Sciaky公司在5個(ge) 月後宣布他們(men) 的EBAM工藝已率先實現每小時超過40磅（18.14公斤）的沉積速率，這一記錄是在位於(yu) 法國的聖埃克蘇佩裏技術研究所(IRT)，為(wei) 航空金屬先進材料 (MAMA)項目打印金屬零件的時候完成的。

該公司的EBAM技術可擴展性非常廣，3D打印金屬零件的尺寸可以長達19英尺（6米）。通過層間實時成像和傳(chuan) 感係統，實現很好的質量控製和反饋。這是金屬3D打印市場上，少有的能夠以精確和可重複性的方式，實現實時反饋、自適應的金屬沉積控製係統。同時，該公司還為(wei) 航空航天、國防、汽車、醫療保健，和其他製造行業(ye) 提供行業(ye) 領先的電子束(EB)和先進的弧焊係統，以及世界上最強大的EB車間焊接服務。焊接設備符合歐洲軍(jun) 標，可製造機身、起落架、噴氣發動機、導彈和車輛零件等物品。

△采用Sciaky特有的EBAM工藝，為(wei) MAMA項目進行3D打印

⑤ILT聯手Ponticon推出專(zhuan) 利超高速激光沉積（EHLA）3D打印技術

2021年10月，弗勞恩霍夫激光技術研究所（ILT）和總部位於(yu) 德國的工程公司Ponticon聯手推出了一項ILT專(zhuan) 利的超高速激光材料沉積（EHLA）新型3D打印技術。EHLA技術最初開發於(yu) 2017年，是ILT對大批量定向能量沉積（或稱DED）的嚐試。它最初是作為(wei) 一個(ge) 模塊化的工具頭提供的，可以集成到門架和機械臂上，同時進行材料沉積和熔化動作。

自EHLA 2017年發布以來，這兩(liang) 家合作夥(huo) 伴一直致力於(yu) 開發更適合增材製造應用的新一代技術版本，並在2019年完成了第一個(ge) 原型——簡稱為(wei) "EHLA 3D"。Fraunhofer ILT將這項技術描述為(wei) 比傳(chuan) 統堆焊工藝更高效、更環保的替代品。目前，該工藝可以加工重達25公斤的零件，進料速度最高可達每分鍾500米，比其他激光材料沉積技術快250倍。它還可以應用到更薄的層結構上去，僅(jin) 有25微米，同時實現更平滑的零件表麵。FraunhoferILT打算在過程監控設計、自動路徑規劃工具和構建參數細化方麵投入更多的研究，並表示未來的升級技術版本將會(hui) 提供更高的構建速率、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(wei) 新型高產(chan) 的EHLA 3D工藝的示範部件。照片來自Fraunhofer ILT。

⑥MELD推出比SLM快十倍的攪拌摩擦沉積3D打印技術

MELD製造公司是一家位於(yu) 弗吉尼亞(ya) 州克裏斯蒂安斯堡的3D打印技術開發商，一直以來，該公司都在持續推進金屬摩擦沉積工藝的開發和研究，同時製造基於(yu) 該技術的3D打印機。在今年3月份，MELD公司宣布與(yu) 弗吉尼亞(ya) 理工大學開展合作，以尋求進一步推進其增材製造摩擦沉積技術，研究方向包括工藝基礎，如溫度、材料流動和變形，動態相和微結構演變，以及異質結構材料的設計和製造。

MELD製造公司擁有十幾項增材製造攪拌摩擦沉積工藝的專(zhuan) 利，與(yu) 其他金屬3D打印技術不同的是，該技術是一個(ge) 固態過程，在低於(yu) 熔化溫度的情況下進行，往往不會(hui) 熔化打印材料。它是通過固體(ti) 進料杆（打印材料）旋轉接觸基材，塗抹並通過摩擦粘在基材上完成逐層打印，該過程發生塑性變形，但絕不會(hui) 熔化。快速旋轉的工具具有加熱材料的作用，並完成塑性變形，使其具有足夠的可塑性。摩擦沉積工藝與(yu) 各種金屬兼容，如鋁、鈦、鋼和鎳基超合金。MELD的3D打印應用主要是在國防領域，包括零件塗層、部件維修、金屬連接和定製金屬基複合材料坯料。據MELD稱，增材攪拌摩擦沉積技術能夠以前所未有的規模生產(chan) 大型金屬零件，它不限於(yu) 小型粉末床或真空係統，是一種可以在開放的大氣環境下實施的工藝，不受操作環境或材料表麵條件的限製，並且材料沉積速度比粉末床熔融等工藝快十倍以上。

△MELD的專(zhuan) 利增材製造攪拌摩擦沉積技術。照片來自MELD製造。

△前沿作戰基地的MELD增材製造維修概念圖。圖片來自MELD製造公司

⑦Desktop metal粘結劑噴射金屬3D打印技術

Desktop metal在2021年10月斥資5.75億(yi) 美元收購其主要競爭(zheng) 對手粘合劑噴射3D打印機製造商ExOne，一躍成為(wei) 金屬粘合劑噴射3D打印領域難覓敵手的頭號霸主。ExOne公司多年來致力於(yu) 開發可控氛圍（有時也稱為(wei) 惰性或化學惰性）的粘合劑噴射3D打印技術，用於(yu) 打印活性粉末。目前，其粘合劑噴射3D打印技術能夠處理包括金屬、陶瓷和複合材料在內(nei) 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single-pass inkjet technology的的3D打印機Production System™，可能是進行大規模3D打印金屬零件的最快方法。具有最先進的打印噴頭，上麵有16384個(ge) 噴嘴，每秒能夠噴出15億(yi) 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打印複雜的金屬零件，堆積效率可達12,000cm3/小時，每天多達10,000個(ge) 零件。

單程粘合劑噴射金屬3D打印技術原理

在Single Pass Jetting™（SPJ）的支持下，Production System™具有雙向3D打印功能，移動一次，即可打印一次，不浪費一遍路程。具體(ti) 工作流程如下

△視頻：單程粘合劑噴射金屬3D打印技術工藝原理

①3D打印。對於(yu) 雙向單程3D打印，每次打印遍及整個(ge) 構建區域，都將應用打印過程的所有步驟（粉末沉積、鋪展、壓實、彈道抑製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(ge) 構建體(ti) 被零件部分和周圍的散裝粉末填滿為(wei) 止。

②脫粉。構建完成後，將移除構建箱，並用新箱子替換下一個(ge) 構建。完整的成型箱被移至清粉工位，在那裏去除粉末，並準備燒結零件。

③燒結。脫粉的零件裝入工業(ye) 爐中，在那裏將加熱到接近熔化的溫度。除去剩餘(yu) 的粘合劑，使金屬顆粒融合在一起，並使零件致密。

高速打印：借助Production System的雙向單程Single Pass Jetting™打印技術，每天最多可進行10,000個(ge) 零件的3D打印，每次構建零件，實現比傳(chuan) 統SLM激光粉末床的打印速度高100倍，最大限度地提高生產(chan) 率。

密集3D嵌套：無需支撐即可進行粘合劑噴射3D打印，這意味著零件由鬆散的粉末支撐，無需焊接至底板。這使客戶能夠用密集嵌套的零件填充構建體(ti) 積，從(cong) 而有效地交付高吞吐量的打印。

一流的可重複性：通過防彈技術，打印頭冗餘(yu) 和實時光學打印床檢查，提供了強大的可重複性。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

2021年7月，德國研究機構Fraunhofer IWS透露了一種新式的3D打印係統，這套係統可能比目前基於(yu) 振鏡的激光製造技術快"一千倍"。據悉，這種打印裝置重點在於(yu) 一個(ge) 高功率的13KW "動態光束激光器"，它能夠迅速產(chan) 生不同的能量分布模式，並精確地打印出極為(wei) 複雜的材料。這項突破性技術最初由以色列公司Civan Lasers開發，Fraunhofer IWS用相幹光束來做金屬3D打印。這種方法被認為(wei) 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幹光線，然後再將它們(men) 合並成強大的單束。

△一位工程師在德累斯頓的Fraunhofer IWS安裝耶路撒冷的 "動態光束激光"。照片來自Fraunhofer IWS

在Civan Lasers公司的案例中，它們(men) 已經開發出一種利用部分光束的小相位偏移來調製能量分布模式的方法。與(yu) 現有的激光器相比，動態光束激光器在光束中心釋放出大部分能量，因此能夠將零件製成複雜的 "環 "或"馬蹄 "形狀。從(cong) 理論上講，使用光束偏轉光學器件或快速振鏡已經可以做到這一點，盡管每次重新調整都需要幾毫秒。然而，Civan Lasers公司的方法更快，能夠在微秒內(nei) 調整激光的能量模式，因此它有可能使動態光束成形首次用於(yu) 工業(ye) 規模的金屬3D打印。據FraunhoferIWS的AndreasWetzig稱，這項技術推動了金屬3D打印的極限，將會(hui) 解鎖新的合金材料在醫療、電動車和航空航天領域的廣泛應用。

△預計新的 "CIVAN "將在金屬3D打印中開啟動態光束成型。照片來自Fraunhofer IWS

南極熊評論

南極熊認為(wei) ，盡管從(cong) 技術層麵上看國外在高速金屬增材製造領域的技術理念、設備製造確實領先我國不少，但我們(men) 也並不隻是落於(yu) “眼見他人起高樓”的境地，我們(men) 也有著像鉑力特、華曙高科、易加三維等一批受到國外市場認可的佼佼者。中國製造業(ye) 的轉型需要信心，中國智能製造業(ye) 的發展更需要耐心，我國增材製造產(chan) 業(ye) 當下的規模還遠未發展到像國外那般“火並群雄”的激烈地步。相反，我國在增材製造材料、設備、技術、創新理念都還有著不少短板需要補齊，在增材製造走向產(chan) 業(ye) 化的道路上還有諸多未成熟的工藝鏈需要完善。

落後需要追趕，盡管我國並非3D打印技術理念的“起源地”，但我們(men) 有著龐大的市場體(ti) 量和完備的製造產(chan) 業(ye) 鏈，加之近年來國家在先進製造產(chan) 業(ye) 方麵的大力政策扶持，相信未來國內(nei) 也會(hui) 湧現出更多優(you) 秀的增材製造企業(ye) 能夠為(wei) 中國創新“披堅執銳”，亦能走出國門大殺四方。畢竟在彎道超車、後來居上這方麵的事，“種花家”沒少幹。