南極熊盤點：這20項3D打印技術，中國幾乎空白

導讀：有這么一批3D打印技術，在國外已經逐漸發(fā)展壯大，甚至成為潮流，但中國幾乎空白，南極熊頗為擔憂。所以對這些中國缺少的3D打印技術進行盤點，希望引發(fā)大家的關注和重視。

2022年4月，南極熊整理發(fā)布了一則報告《2017-2021年中國3D打印機出口數(shù)據(jù)：飆升了5年，能否繼續(xù)？》，2021年中國的3D打印機出口數(shù)量已超過280萬臺；同時國內的市場也正在高速增長。但是其中一個網友的留言，非常值得業(yè)內人士反思：“看金額說明是消費級機器，說明我們目前在該領域還只能向國外輸出整體偏低端的產品，附加值比例太低�！�

從全球3D打印產品庫https://product.nanjixiong.com/中，南極熊發(fā)現(xiàn)，近幾年中國很少出現(xiàn)大幅革新的3D打印技術產品，通常都是老技術的完善和升級；但是，國外卻不斷涌現(xiàn)出一個又一個新的3D打印技術和產品，非常值得我們思考。下面，我們對這些國內缺少的20項3D打印技術產品進行盤點，希望引起關注。
（特別說明：以下部分技術國內可能有人在研究，但距離商業(yè)化應用還有相當?shù)木嚯x。）

金屬篇

一、粘結劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)及后處理工藝
粘結劑噴射金屬3D打印技術在規(guī)模批量生產金屬零件上有著巨大的成本優(yōu)勢、效率優(yōu)勢，因而近幾年得到汽車等工業(yè)領域的重視。在國外，美國Desktop Metal、美國Exone、美國HP、美國GE、瑞典Digital Metal等，已經開始陸續(xù)實現(xiàn)商業(yè)化運營；但國內商業(yè)化的速度較慢，例如武漢易制、北京三帝、長沙墨科瑞等，因為涉及到多學科交叉的諸多問題，例如金屬材料、粘結劑、軟件控制、脫脂燒結工藝等，商業(yè)化應用難度非常大。



全球廠商的粘結劑噴射金屬3D打印系統(tǒng)中，其中最為引人注目的是美國Desktop Metal的大規(guī)模金屬3D打印機Production System™ P-50

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(guī)模3D打印金屬零件的最快方法。具有最先進的打印噴頭，上面有16384個噴嘴，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打印復雜的金屬零件，堆積效率可達12,000cm3/小時，每天多達10,000個零件。

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。對于雙向單程3D打印，每次打印遍及整個構建區(qū)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，直到整個構建體被零件部分和周圍的散裝粉末填滿為止。

②脫粉。構建完成后，將移除構建箱，并用新箱子替換下一個構建。完整的成型箱被移至清粉工位，在那里去除粉末，并準備燒結零件。

③燒結。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。


詳細介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-153243-1-1.html

二、無支撐金屬3D打印系統(tǒng)VELO3D

美國加州VELO3D是直接金屬激光燒結（DMLS）增材制造系統(tǒng)和打印準備軟件的開發(fā)商，發(fā)明了SupportFree Geometries無支撐金屬3D打印技術。成立于2014年，最初4年默默研發(fā)，2015年獲得A輪融資2210萬美元；于2018年在國際制造技術展（IMTS）上首次披露了其藍寶石DMLS系統(tǒng)。藍寶石系統(tǒng)的關鍵是VELO3D的智能融合技術，它可以模擬和預測零件變形，消除支撐結構。智能融合工藝通過調整零件設計來平衡變形，并配合前饋閉環(huán)熔池控制和原位計量數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，生產出的零件幾乎沒有支撐結構。


VELO3D與現(xiàn)有的粉末床熔接解決方案不同，具有獨特的能力，可以打印低角度和低至0°（水平）的懸垂，以及大直徑和高達100mm的內管，而無需支撐。這不僅省去了后處理的麻煩，而且克服了 45°法則——角度小于45°的就需要支撐。VELO3D讓設計師可以自由地構建，釋放出大量可以3D打印生產的設計。

△VELO3D是太空行業(yè)最大的3D打印機供應商之一。圖片來源：VELO3D公司

自2021年上市以來，這家位于加州的金屬3D打印機制造商見證了市面上對打印系統(tǒng)持續(xù)增長的需求，特別是對大建造量金屬機的需求。2021年，它總共出貨23套系統(tǒng)實現(xiàn)2740萬美元的營收；而2020年僅有13套，增加了77%，包括向10個新客戶出貨。最后，隨著2021年34套系統(tǒng)的預訂，VELO3D對2022年創(chuàng)收8900萬美元的業(yè)績目標越來越有信心。

根據(jù)公司目前的預測，2022年他們將有24個新客戶，發(fā)貨47至49套系統(tǒng)。首席財務官BillMcCombe說，他預測2022年上半年將占VELO3D年度收入目標的37%到43%。

（備注：南極熊粗略算了一下，2021年出貨23套金屬3D打印機，營收2740萬美元，平均單套設備價格約為120萬美元，約800萬人民幣；2022年預計交貨48套，預計收入達8900萬美元，平均單套設備價格約為185萬美元，約1200萬人民幣。從這里可以看出，大尺寸金屬3D打印機的訂單量大幅增加，導致平均單價從800萬元飆升到1200萬元。而且，考慮到高價格的設備型號被平均了，實際上單臺金屬打印機的價格肯定會超過200萬美元）

△Sapphire XC。

2021年12月23日宣布已交付了首個Sapphire® XC，這款機器具有8個1kW激光器，是Velo3D目前最新、最大的金屬3D打印機，能夠實現(xiàn)更快的生產，制造更大的金屬零件。與前一代Sapphire打印機相同，Sapphire XC也使用Flow™打印準備軟件、Assure™質量控制軟件和IntelligentFusion制造工藝。

三、200萬激光點的金屬“區(qū)域3D打印”技術，理論速度提升1千倍
美國硅谷金屬3D打印創(chuàng)業(yè)公司Seurat Technologies “區(qū)域打印工藝”使用200萬個激光點來實現(xiàn)部件的大規(guī)模3D打印。這與EOS此前發(fā)布的近百萬個二極管激光器來融化材料看起來很相似。

△Seurat200萬個激光的“區(qū)域打印工藝”，可以打印金屬件

這個技術的顛覆性在于：

• 200萬個激光點，速度比傳統(tǒng)激光3D打印技術快1000倍，讓單個零件的制造成本大大降低；
• 更高分辨率和精度，光斑直徑可小至10微米；
• 區(qū)域處理速度突破擴展性的限制。
  

Seurat的這種新技術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，對于單激光系統(tǒng)，就是使用直徑100微米的激光進行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬個激光點射向15平方毫米的方形區(qū)域，每個光點的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個區(qū)域。詳細技術介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-147596-1-1.html

南極熊剖析一下，可能你會更容易理解這個技術的厲害之處：

• 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當于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，也就是說最多可以實現(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的精度卻能達到傳統(tǒng)單激光的10倍。
  

現(xiàn)有的金屬增材制造中效率比較高的兩種工藝是：電弧熔絲和粘結劑噴射。電弧熔絲使用基于金屬絲的焊接工藝來沉積材料。然而，電弧熔絲的打印精度很低，能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之間。粘合劑噴射法是基于噴墨打印技術，以高生產速率打印毛坯部件，然而打印之后還需要進行燒結，兩步法也使這項技術難以掌握。目前，使用這兩種技術方法可以實現(xiàn)400-1,500立方厘米/小時的打印速度。

Seurat的區(qū)域打印技術的生產力遠遠超過任何現(xiàn)有金屬3D打印技術。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，并有可能進一步提高表面質量和零件的靈活性。

△激光粉末床熔融、電弧熔絲、粘結劑噴射、區(qū)域打印技術四種工藝在最小特征尺寸和打印效率方面的對比

Seurat公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人James DeMuth說："Seurat正在將一項革命性的技術推向市場，引入新的金融和戰(zhàn)略投資者將極大地幫助公司在商業(yè)化方面邁出下一步。

自2015年成立以來，Seurat公司一直致力于開發(fā)“區(qū)域打印工藝”，并打算推廣給汽車、消費技術和工業(yè)客戶。與現(xiàn)有技術相比，"區(qū)域打印 "將200多萬個激光點聚焦到金屬粉末床上，實現(xiàn)快速打印最終用途的部件。

在汽車領域，Seurat公司認為他們的技術可用于生產汽車備件和下一代電動汽車的原型部件。同時，這項技術因為具有可擴展性和無飛濺性，可以成為生產工業(yè)應用大尺寸部件的理想選擇。

由于Seurat技術的生產效率高，可以幫助用戶有效的降低成本。Seurat的區(qū)域打印技術突破了每個零件成本的現(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年擊敗傳統(tǒng)壓鑄工藝的制造成本。這將標志著增材制造作為一種主流技術的突破。

四、高速冷噴涂金屬3D打印技術

澳大利亞有兩大高速冷噴涂金屬3D打印廠商Titomic和SPEE3D。

△在SPEE3D的WarpSPEE3D機器上制造的17.9公斤銅火箭噴嘴內襯（由SPEE3D提供）

SPEE3D開發(fā)了“ Supersonic 3D沉積”技術，不用加熱熔化金屬粉末。在這項工藝中，噴嘴將空氣加速到聲速的三倍，將金屬粉末注入，然后將沉積到由六軸機械臂操縱的基板上。在過程中，粒子相互撞擊的動能使粉末結合在一起，形成了具有優(yōu)于鑄造的冶金性能高密度零件。

澳大利亞的低成本金屬3D打印廠商SPEE3D展出了工業(yè)級金屬3D打印機LightSPEE3D。這款機器采用超音速3D沉積（SP3D）技術，打印速度極快，能在6分鐘內打印出一只金屬錘子。它可以“快速、低成本地”制造出鑄件級零件，如支架、歧管和發(fā)動機組件。在單次作業(yè)中，它既可以打印單個零件，可以進行大批量生產。據(jù)SPEE3D說，無論什么產品和多少數(shù)量，他們的機器都能經濟地按需打印，速度比傳統(tǒng)金屬3D打印技術快100至1000倍�？梢曰旌喜煌�的粉末金屬以形成合金。

五、納米顆粒噴射3D打印技術

以色列NanoParticle（NPJ）納米顆粒噴射3D打印廠商XJet

△XJet Carmel 1400 C噴射陶瓷3D打印機打印倉

NPJ這種增材制造工藝使用液體分散來制造3D打印零件，這與許多金屬3D打印工藝中所使用的粉末熔融工藝不同。在NPJ技術中，陶瓷和金屬顆粒在液體中被噴射出來，當它沉積到構建平臺上時，液體蒸發(fā)，留下了陶瓷或金屬的熔融層。所得零件具有很高的細節(jié)，表面光潔度和準確性。

△XJet視頻實拍

NPJ 3D打印技術具體流程如下：
1. 徹底粉碎。3D打印機會首先將大分子金屬顆粒粉碎成納米級技術顆粒；
2. 注入墨水。液態(tài)金屬材料由兩部分組成：納米級金屬顆粒和特殊粘合墨水。粉碎后的金屬顆粒會注入XJet研發(fā)的粘合墨水中，金屬不會在墨水中融化，而是形成懸浮物充滿整個腔體；
3. 擠出液態(tài)混合物，固化成型，打印產品。

完整技術介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-138457-1-1.html

XJet的專利NanoParticle Jetting™技術使用固體金屬納米顆粒在液體懸浮液中。這些材料以及支撐材料都作為密封的墨盒交付，可以輕松地手動加載到XJet系統(tǒng)中，無需處理金屬粉末。這種適用于液態(tài)金屬的專有噴射打印技術能大規(guī)模、低成本、高效率地定制化生產金屬零件

六、智能分層金屬3D打印

美國3DEO成立于2016年，是一家按需生產金屬部件的制造商。3DEO宣稱，利用其智能分層技術，能夠大批量生產零件，同時降低成本，并達到金屬注射成型的行業(yè)標準。此外，它能夠為醫(yī)療、國防和航空航天市場的客戶生產出表面質量優(yōu)異、成本結構低廉、功能精細的金屬部件。

使用智能分層技術制作的3D打印金屬零件

Intelligent Layering是一個在成本、質量和交貨速度方面優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)的金屬3D打印技術。由于高昂的前期成本、較長的交貨時間和不容易改變的設計，買家很難采購到小型、復雜的金屬部件。3DEO的專利技術解決了這一問題，它在價格和質量上都有競爭優(yōu)勢。

△基于Intelligent Layering技術的3D打印機結構圖

這是3DEO開發(fā)的一種全新的金屬3D打印工藝，可以實現(xiàn)中高產量的金屬零件生產：

①將薄薄的一層金屬粉末鋪在成型托盤上，然后使用噴射系統(tǒng)將粘結劑噴在整個金屬層上。然后使用微端銑刀在所有層特征的周邊切成粘結粉末。如此逐層往復，直到創(chuàng)建一個精密的生坯部件。

②生坯部件在熔爐中燒結，達到99%或更高的終端部件密度。

它以高度可重復的工藝生產低成本的金屬部件，釋放了大批量金屬3D打印的潛力。

△視頻：3DEO智能分層金屬3D打印技術

支持低成本的材料。南極熊看到這項技術更大的競爭優(yōu)勢！它支持市面上大量的金屬粉末，成本比PBF鋪粉燒結工藝中使用的球形粉末低五到十倍；同時解決了金屬增材制造的高成本和低產量挑戰(zhàn)。同時，一致性非常高。由于采用了密實的細粉，在約100 Ra的情況下，3DEO燒結后得到零件，表面光潔度也非常高。

• 超低的成本工藝
• 非常好的表面質量
• 符合MPIF 35的高行業(yè)標準
• 無退火過程
  

與其他粘結和燒結技術（如粘結劑噴射）類似，智能分層在燒結循環(huán)中產生收縮。當金屬粉末在熔爐中燒結時，隨著金屬顆粒之間空隙的消失，顆粒之間融合，會發(fā)生一定的收縮。這種收縮是可以預測的，可以針對遇到的每個零件幾何形狀進行調控補償，但這無疑是工藝的一個缺點。詳細介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-141840-1-1.html

Intelligent Layering的誕生是為了將金屬增材制造帶入批量生產的世界，是對PBF的補充，而不是競爭者，因為它最適合用于大批量生產。其應用范圍很廣，包括目前金屬注射成型所服務的許多市場，包括醫(yī)療和牙科應用、槍械部件、精密齒輪和許多其他復雜的有限尺寸的金屬部件。

七、電化學沉積微納級金屬3D打印技術

瑞士超微細微納級金屬3D打印公司exaddon。他們的CERES 3D打印系統(tǒng)是專為研究人員和科學家而設計，用于在微米級上進行金屬的3D打印微制造（μAM）。

CERES可以在室溫下以納米級分辨率打印復雜的微型金屬物體，尺寸從1 μm到最大1000 μm（人類的頭發(fā)一般為80～90微米），并且無需進行后處理。


△視頻：Exaddon電化學沉積微納級金屬3D打印技術

金屬3D打印微制造技術（μAM）基于電化學沉積，原理是：


將一個名為iontip的小3D打印噴嘴，浸入懸浮電解液中； 精確調節(jié)氣壓將包含金屬離子的液體推進離子頭內部的微通道。 液體流量非常小-低至每秒飛升。 在微通道的末端，含離子的液體被釋放到3D打印表面上。 然后將溶解的金屬離子電沉積為固體金屬原子。

△電化學沉積微納級金屬3D打印工藝過程

這些金屬原子一起生長為小零件中的體素。 光學力反饋記錄每個體素的3D打印完成情況，直到所有體素都被打印出來并構造出完整的對象物體為止。 電化學3D打印過程在室溫下進行，可產生非常高質量的金屬結構，而且無需任何后處理即可直接應用。在南極熊看來，這個技術創(chuàng)新性極強，并且在微觀精細加工制造領域有著很好的應用潛力。

通過光學方法測量作用在離子尖端噴嘴上的力，并實時反饋回系統(tǒng)，再進行過程控制。 這樣就可以檢測模型對象的哪些體素已被3D打印出來。詳細技術介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-139200-1-1.html


△CERES是一個獨立的系統(tǒng)，可以以微米級和亞微米級的分辨率3D打印復雜的純金屬物體。此外，它支持不同材料制成的液體和納米粒子。

八、無需熔化的固態(tài)金屬3D打印沉積技術
源自美國海軍的金屬3D打印技術MELD，屬于固態(tài)過程的金屬3D打印，打印過程中材料未達到熔化溫度即可進行打印。它有著廣泛的應用前景，包括增材制造、涂層應用、組件維修、金屬連接、定制金屬合金和金屬基復合材料坯料和零件制造。

△視頻：無需熔化的固態(tài)金屬3D打印沉積技術過程

厲害的是，這種金屬3D打印技術，可以使用多種材料作為原料，包括金屬粉末和棒材！MELD是一項專利的增材制造工藝，基于類似摩擦焊接的工藝，可用于使用現(xiàn)成的固態(tài)材料或粉末來構建和修復金屬部件。該過程不涉及熔化，并且能夠以增材制造完全致密的零件。

作為一種固態(tài)工藝，MELD可以生產出具有較低殘余應力和全密度的高質量材料和零件，能耗卻比傳統(tǒng)的工藝要低得多。由于MELDing的打印過程一直是固態(tài)，因此它還會生產出不易受氣孔、熱裂或其他基于熔融技術常見困擾問題影響的材料；單步過程，不需要耗時的后處理，例如熱等靜壓（HIP）或燒結，即可提高沉積材料的質量。詳細介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-143385-1-1.html

九、電磁液態(tài)金屬3D打印技術

Vader Systems公司的創(chuàng)辦者Zack Vader來自美國紐約，另一個創(chuàng)始人是Zack的父親Scott。后來，這個公司被施樂Xerox收購。他們使用磁流體動力學（Magneto Hydro Dynamics，MHD）和液態(tài)金屬噴墨打�。↙iquid Metal Jet Printing，LMJP）合并成一種獨特的技術：Magnet-o-Jet。這是一種利用電磁力分散熔融金屬液態(tài)的技術，非常獨特，具有原創(chuàng)性。它使用金屬線材作為原料而不是粉末，并通過磁性控制液態(tài)金屬滴進行打印。在陶瓷坩堝中加熱熔化金屬絲成為液態(tài)→利用電磁脈沖將液態(tài)金屬分散成為一個個液滴→通過陶瓷噴嘴噴射出來。磁場使金屬滴精確移動到特定位置，然后堆疊成型。生產的零件精度很高，并具有各向同性的材料特性。


△金屬液滴堆積過程

△打印出特定形狀的金屬零件

△復雜的噴頭部位

現(xiàn)有市場上的金屬焊接一類的線材，成本比較低，并且應用廣泛；通過獨特的技術去打印這些材料，可以成為一種通用的基礎技術。如果把多個液體滴金屬打印噴頭排列成為陣列，或者一個噴頭都可以噴射不同的材料種類，應用前景就會更為廣闊。目前，他們支持的材料有幾種鋼（316、718）以及鋁等金屬。

Vader液滴金屬3D打印技術，避開了脫脂、燒結這種復雜的工藝過程，而且還大大降低了成本，所以Xerox決定了將會持續(xù)加大投入。由于Xerox是全球噴射技術的領導者之一，擅長把材料噴射打印到精確的位置，所以是這個技術非常合適的推動者。詳細介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-139093-1-1.html

十、節(jié)能型金屬3D打印技術
自比利時的增材制造初創(chuàng)公司ValCUN，開發(fā)了一種新型的節(jié)能金屬3D打印機：

• 使用一種新的能量源代替激光器，能夠實現(xiàn)更低的成本更高效地打��；
• 對于打印材料的形態(tài)沒有特別的要求，可以與線材、顆粒甚至回收原料兼容；
• 可以用于批量生產。
  

ValCUN認為他們的技術非常適合生產近網狀物體和熱交換器，這些都是高密度電池或IT數(shù)據(jù)處理中心的基本要素。詳細介紹http://m.lhkhtyz.com/thread-145355-1-1.html

中體新材有幸與文中提到的大部分金屬3Ｄ打印公司都有合作，期待國內各類技術也蓬勃發(fā)展。

某網友的評論很扎心：
說白了，國內資本都喜歡短平快，這20項新技術，都是長頂慢，沒資本根本做不了，就算做出來了，對標的技術估計，都轉行了。

這篇整理的真好！學習了！希望能看到更多國外打印技術講解。選擇性熱燒結成型技術SHS是不是已經被淘汰了？國內是不是也沒有這項技術？

是佐羅啊 發(fā)表于 2022-5-1 09:01
這篇整理的真好！學習了！希望能看到更多國外打印技術講解。選擇性熱燒結成型技術SHS是不是已經被淘汰了？ ...

沒有淘汰的，SLS應用已經挺多了

南極熊 發(fā)表于 2022-5-3 22:04
沒有淘汰的，SLS應用已經挺多了

不是說SLS，是SHS選擇性熱燒結

是佐羅啊 發(fā)表于 2022-5-4 09:11
不是說SLS，是SHS選擇性熱燒結

這個技術，具體你描述下？

它類似于激光燒結，但不是使用激光，SHS使用的熱打印頭。被保持在升高的溫度下，這樣的機械掃描頭只需要提升的溫度稍高于粉末的熔融溫度，以選擇性地結合，粉末床。

你們之前有發(fā)過一篇文章是介紹SHS技術