南極熊：全球8種高速金屬3D打印顛覆性工藝盤點(diǎn)（轉(zhuǎn)）
閱讀次數(shù)：3375 發(fā)布時(shí)間：2022-07-25
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)如今萬物互聯(lián)、智能化制造迅猛發(fā)展的浪潮和趨勢下，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，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，大尺寸、高產(chǎn)量將會(huì)成為未來金屬3D打印的主流方向之一。
①VulcanForms公司的150激光束金屬3D打印機(jī)
VulcanForms公司是國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、成本過高和制造缺陷多的三大問題點(diǎn)。
南極熊獲悉，VulcanForms開發(fā)的3D打印機(jī)高20英尺，重6萬磅，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)量在過去一年里增加了六倍，達(dá)到360人，他們來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 200萬激光點(diǎn)的金屬“區(qū)域3D打印”技術(shù)
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(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·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)，是通過將200多萬個(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(jìn)行掃描打印。而Seurat系統(tǒng)將200萬個(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)制造更具競爭力，在國防、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源，而是利用動(dòng)能，通過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，測試金屬3D打印技術(shù)在國防上的應(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。照片來自澳大利亞陸軍
△SPEE3D的金屬3D打印機(jī)。圖片來自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40磅（18.14公斤）的沉積速率，這一記錄是在位于法國的圣?？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達(dá)19英尺（6米）。通過層間實(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)最初開發(fā)于2017年，是ILT對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，這兩家合作伙伴一直致力于開發(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)開發(fā)商，一直以來，該公司都在持續(xù)推進(jìn)金屬摩擦沉積工藝的開發(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。它是通過固體進(jìn)料桿（打印材料）旋轉(zhuǎn)接觸基材，涂抹并通過摩擦粘在基材上完成逐層打印，該過程發(fā)生塑性變形，但絕不會(huì)熔化。快速旋轉(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5.75億美元收購其主要競爭對手粘合劑噴射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公司多年來致力于開發(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：單程粘合劑噴射金屬3D打印技術(shù)工藝原理
①3D打印。對于雙向單程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開發(fā)，F(xiàn)raunhofer IWS用相干光束來做金屬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"。照片來自Fraunhofer IWS
在Civan Lasers公司的案例中，它們已經(jīng)開發(fā)出一種利用部分光束的小相位偏移來調(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打印中開啟動(dòng)態(tài)光束成型。照片來自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)先我國不少，但我們也并不只是落于“眼見他人起高樓”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外市場認(rèn)可的佼佼者。中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型需要信心，中國智能制造業(yè)的發(fā)展更需要耐心，我國增材制造產(chǎn)業(yè)當(dāng)下的規(guī)模還遠(yuǎn)未發(fā)展到像國外那般“火并群雄”的激烈地步。相反，我國在增材制造材料、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，盡管我國并非3D打印技術(shù)理念的“起源地”，但我們有著龐大的市場體量和完備的制造產(chǎn)業(yè)鏈，加之近年來國家在先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)方面的大力政策扶持，相信未來國內(nèi)也會(huì)涌現(xiàn)出更多優(yōu)秀的增材制造企業(yè)能夠?yàn)橹袊鴦?chuàng)新“披堅(jiān)執(zhí)銳”，亦能走出國門大殺四方。畢竟在彎道超車、后來居上這方面的事，“種花家”沒少干。
（注：該文章轉(zhuǎn)自公眾號(hào)“南極熊3D打印”）
