南极熊盘点：这20项3D打印技术，中国几乎空白（下）

导读：有这么一批3D打印技术，在国外已经逐渐发展壮大，甚至成为潮流，但中国几乎空白，南极熊颇为担忧。所以对这些中国缺少的3D打印技术进行盘点，希望引发大家的关注和重视。

光固化篇

十一、凝胶点胶光固化3D打印系统

以色列大尺寸凝胶点胶光固化3D打印机制造商Massivit 3D的GDP技术无需支撑可以减少材料用量，并且大幅缩短打印时间。该公司独特的Gel Dispensing Printing（GDP）技术将高速的增材制造技术与Dimengel打印材料以及先进的软件相结合。Dimengel是一种感光聚合物丙烯酸凝胶，它有几个独特的特点，能够快速生产巨大、中空、耐用的模型。打印材料的高粘性还允许以最小的支持结构生产非垂直部件。

Massivit 3D首先开始颠覆传统的增材制造工作流程模式，向市场推出大规模、超快速的3D打印，使服务提供商和制造者能够满足紧迫的周转，获得竞争优势，增加利润率，并扩大业务。这些先进的增材制造系统是为满足不同行业的要求而设计的。汽车、海运、铁路、教育和研究、景区制造等等。

GDP是他们自己发明的新技术，有点类似DLP光固化3D打印与FDM 3D打印的混合技术。基本原理是选择性地将凝胶喷射到平台上，然后用UV光进行照射，固化凝胶，逐层构建出一个实体3D对象。

△Massivit 3D独特的凝胶点胶打印（GDP）技术

最新的Massivit 10000 使用了Massivit3D公司最新的 Cast-In-Motion (CIM) 技术，CIM技术将专有的凝胶点胶打印技术（GDP）与工业级环氧基热固性聚合物材料的直接浇注相结合。Massivit 10000可以用于复合材料工具的数字化制造，根据官方的测算，可以将模具生产时间缩短多达 80%，并将手工劳动减少多达 90%，导致最终模具的生产成本降低了50%。

传统上用于生产纤维增强复合材料部件的大型工具和模具价格昂贵、制造速度慢、浪费大，并且需要大量熟练的手工劳动。Massivit 10000 为大型工具的制造带来了巨大的时间和成本节约优势：

• 模具生产时间缩短80%
• 节省高达 90% 的体力劳动
• 显著降低刀具成本
• 简化生产，实现更高的产量
• 简化供应链并减少所需库存
• 减少昂贵材料的浪费
  

十二、xolo体积3D打印技术

发布者：德国xolo公司

代表产品：无需支撑的光固化3D打印——X线照相体积3D打印技术

发布时间：2020年12月

△X交叉光片照相体积光固化3D打印机

2020年12月23日，德国科学家在顶级期刊《nature》上重磅发布了一篇名为“xolography for linear volumetric 3D printing”的论文，并就这项技术创立了一家名为xolo的公司。这篇论文中公布了一种被称为X线照相体积的3D打印技术，该技术允许以高达25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物体。

xolography的方法并不像其他3D打印过程那样依靠堆叠来3D打印对象，它是通过很多不同的角度将“射线光片”投射到透明树脂桶中，然后选择光的波长来激活被称为双色光引发剂(DCPIs)的分子，进而引发树脂聚合，使单层薄片固化。Xolo还表示无论模型有多么复杂，X线照相光固化3D打印技术都不需要支撑结构。这是因为打印作业的松散部分暂时被周围的粘性树脂支撑。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-144391-1-1.html

Xolo解析说，光敏树脂材料单体的交联，会导致密度变化，从而导致零件在重力作用下的下沉速率不同。树脂的高打印速度和粘度使这种影响最小化，因此零件的下沉仅在制造完成后才变得明显。

更为重要的是，论文表明该项技术的打印速度是双光子3D打印技术的10,000-100,000倍。而且双光子技术只能打印一些很小的物体，并且打印速度非常慢。但X线体积3D打印意味着大约每小时可以3D打印固化一升材料；如果使用更强大的激光光源和更精细的树脂，打印速度将大大提高。

△X交叉光片照相体积3D打印技术原理

十三、磁性数字复合材料光固化3D打印技术
美国Fortify的3D打印技术与与市场上其他基于树脂的工艺有着重大区别。数字复合材料制造 (DCM) 是一种3D打印工艺，它将数字光处理 (DLP) 与磁性相结合，以创建具有优化材料性能的复合材料零件。更具体地说，该技术使用磁性材料来排列树脂基质中的增强纤维（功能性添加剂），以增强原始光聚合物的材料性能。

DCM工艺使用两项关键技术：Continuous Kinetic Mixing TM (CKM) 和 Fluxprint TM。前者由Fortify 3D打印系统中的硬件持续加热树脂并将其与功能性添加剂混合，确保打印容器中的材料具有均匀分布和纤维悬浮。换言之，CKM可防止任何沉淀并确保整个零件的填料均匀性。CKM允许打印粘度比传统光敏聚合物高100倍的材料。后者使用Fluxprint技术将磁场应用于打印的每一层，以将纤维对齐在特定方向。然后使用紫外线选择性地固化该层，从而将暴露的纤维锁定在适当的位置。用户甚至可以控制每个纤维层的纤维取向。

连续动力混合(CKM)

在数字复合材料制造中，功能性添加剂必须均匀分布，才能实现稳定、一致的材料性能。连续动力混合通过混合树脂和添加剂解决了这个问题。在整个打印过程中，材料被再循环（并根据需要进行加热）。根据所使用的不同添加剂，Fortify可以提高3D打印的强度、刚度、韧性、磨损和热变形温度。Fortify最近还使用CKM技术将陶瓷纤维掺入光敏树脂中，制造能够承受极端温度和压力的工具。

△Fortify的CKM技术

Fluxprint纤维排序

Fluxprint 是一种增材制造工艺，可以制造出量身定制的复合材料，例如碳纤维。这种方法结合了3D打印和复合材料的优点。Fluxprint通过精确定制逐个体素的复合材料以创建理想材料。

△Fluxprint工艺过程，控制每层中的纤维排列，图片来自Fortify。

Fluxprint工艺在打印的过程中会在构建区域上施加磁场，通过磁场对齐当前打印层中的纤维，然后用紫外光固化打印层。因此，每层纤维的排布方向都被锁定了。根据需要，在每一层中进行定向和锁定纤维，并且逐层重复，这种控制整个零件纤维取向的能力将为打印零件带来更多独特的性能。

△Fluxprint磁对准步骤

Fluxprint的大致流程可分为：

（a）电磁体向复合SLA树脂施加精确的磁场。

（b）数字光处理（DLP）投影选择性地聚合复合树脂。

（c）在每一层中重复步骤（a）和（b）多次以达到不同的对准方向。

（d）盖板向上移动，以在新层中重复步骤（a）-（c）。

（e）重复步骤（a）-（d），直到生产出具有针对其应用进行了优化的复合微结构的精密零件。

△Fluxprint过程采用DLP三维打印和磁体以创建一个完全优化的，高分辨率的对象。比例尺：（c）从左到右分别为2、500和50毫米。

Fluxprint可以产生细致的微体系增强结构，例如黄金比例，具有90μm或更低的离散增强区域，是汽车工业、航空航天和产品设计中的一种革命性制造方法。在汽车设计中，使汽车更坚固、更轻、更安全，同时节省了制造时间和金钱。航空航天也是如此，对于安全、轻便的飞机来说，优化材料性能至关重要。Fluxprint还为注塑带来了复合材料的优势。在众多行业中，Fluxprint 都可以通过手动数字制造和优化材料性能来替换传统加工、铸造或模制的零件。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-145835-1-1.html

十四、紫外光固化丙烯酸聚合物3D打印建筑

Mighty Buildings 是一家美国3D建筑公司，成立于2017年，总部位于加利福尼亚州奥克兰，通过使用3D打印技术建造“小房子”的绿色功能性配件住宅（ADU），塑造住房市场的未来。

Mighty Buildings的专有3D打印材料是核心技术，将其仿石材矿物材料描述为 "类似于杜邦公司的Corian"，这是一种用于生产柜台和工作台的丙烯酸聚合物。独特的是，这种材料在紫外线固化后几乎可以立即固化，同时仍能保持与底层的粘结力。


这种轻质材料的 "固化 "能力，能够在不需要任何底层支撑结构的情况下创造出天花板和悬空结构。后期处理也可以使用机械臂来完成，从而实现加速、自动化的3D打印方法。可以使多达80％的建造过程实现自动化。利用3D打印来生产各种外壳部件，从而可以减少95％的工时（比传统建筑快两倍来生产结构），并将材料浪费减少10倍。

△打印过程中使用紫外光进行固化

强大的工厂生产流程可实现高达80％的自动化，其中包括：

• 3D打印建筑面板和体积模块。
• 一边打印一边3D扫描，对建筑进行溯源控制，保证质量。
• 自动PU发泡，用聚氨酯泡沫对蜂窝状结构进行填充，绝热可提高能源效率。
• 内外表面处理，根据产品要求，任何表面均可以实现光滑或粗糙的纹理。
  

不到24小时，他们便可以3D打印一个350平方英尺（约合32平米）的房屋单元，目前已经完成了两栋完全安装好的住宅：一栋在圣拉蒙，另一栋在圣迭戈。Mighty Buildings强调，建筑3D打印与项目设计无关，各种建筑都可以实现，从小型复杂的房屋组件到“全尺寸房屋模块”。他们还能够按照平面图进行生产定制，核心在于软件驱动的从设计到生产的工艺过程，以及低成本的轻质石材（LSM）。这种材料是一种特别定制的轻质、防火和节能的类石头复合材料。
南极熊注意到，这种轻质石材比同类混凝土结构轻4倍，防水、耐用、防火，高效节能（高热阻，6英寸壁厚 R值> 20）。

△3D打印好的部分模块结构，镂空的中间可以填充隔热材料

我们来看一下他们打印房子的过程：

①在打印平台上先打印房子的底座

②然后继续在底座上打印房子的墙体，墙体内部都是中空的结构，打印墙面时为倾斜打印

③打印完底座和两面半墙体后，安装上金属框架梁，在顶部铺上一层板材

④然后在板材上面打印房顶

⑤最后安装好玻璃门窗、家具，就得到一座漂亮的房子

⑥把这个房子运输到适合的地方，直接吊装，即可得到一个家。

迄今为止，Mighty Buildings的自动3D打印房屋方法已通过加利福尼亚工厂建造房屋认证（California Building Code, including Title 24 Energy requirements and other regulatory standards）。它也是第一家获得UL 3401认证和评估的3D打印建筑结构和组件公司。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-144479-1-1.html

聚合物篇

十五、百万二极管阵列激光烧结3D打印聚合物
2018年，德国工业3D打印系统制造商EOS宣布引入“革命性的聚合物增材制造技术”。该公司称，这项名为LaserProFusion的新技术是唯一能够取代注塑成型的增材制造技术：近百万个二极管激光器，排成阵列激光，瞬间一次性烧结粉末材料，从而实现类似光固化中的DLP 3D打印技术。

我们都知道，与注塑成型相比，3D打印技术仍然存在制造速度比较慢，表面精度差等缺点。那么EOS是如何通过新技术克服这些缺点的 ？

EOS的新型LaserProFusion技术采用近百万个二极管激光器来熔化材料并逐层制造零件，而不是使用单个CO2激光来回覆盖整个构建平台传统的SLS技术），如标准激光烧结工艺。该公司声称，这种构建过程非常高效，可以作为许多应用的注塑替代品。

其实，SLS和LaserProFusion技术的区别，在南极熊看来，就是光固化技术中的SLA和DLP技术的区别。

• SLA的打印过程是，使用单束激光来回扫描照射固化树脂材料；而DLP是一次性照射整个截面。
• SLS技术是使用单个CO2激光来回烧结材料；而LaserProFusion技术是一次性烧结整个截面。
  

△多个激光器同时照射

△打印作业的整个截面被同时烧结

激光器阵列可以实现高达5千瓦的最大总输出。对于每一层，只激活与该部件的CAD数据匹配的二极管激光器，打印出精确的像素。无论零件数量及其几何形状如何，新技术都可显著缩短曝光时间。

此外，EOS将引入一种名为技术准备水平（TRL）的材料分类系统。 TRL由NASA开发，根据技术成熟度对材料和工艺进行分类。 EOS将其材料产品分为两类：TRL 3至6类核心产品，而优质产品则属于TRL 7至9类，适用于连续制造。 TRL分类系统的目标是为制造商提供经过验证的附加系列应用数据基础。


△视频：LaserProFusion 面烧结3D打印技术

借助LaserProFusion技术，我们在使用聚合物的工业3D打印中实现批量生产，将生产率提高到一个新的水平。它是一种可以在许多应用中替代注塑成型或可以实现免工具注塑成型的技术。这将使工业3D打印对于未来全新市场具有强大的吸引力。

十六、选择性热塑照相聚合物3D打印技术

△Evolve选择性热塑性电子照相3D打印机

美国Evolve是一家在Stratasys研发实验室起步的设备制造商，开发了选择性热塑性电子照相3D打印STEP技术，于2017年正式独立出来。目前他们已经拥有100多项已获授权或正在申请的专利。

△视频：比传统S L S的 3D打印技术要快50倍，美国Evolve选择性热塑照相工艺，使用柯达彩色照片印刷引擎，可以高速地打印出多材料、全彩色的零件

Selective Thermoplastic Electrophotographic Process这个名字，本身由4个单词组成。①“Selective ”选择性。具有以非常精确的方式放置粒子的能力。将每个特定材料体素（每个3D像素堆叠）精确地打印放置在层中；而且，能够将两种不同材料的两个单独的体素并排放置在同一层中；甚至，能够在单层中并排放置不同颜色的体素。 这种选择性能力在全球领先，为材料选择、材料属性和颜色选择开辟了一个全新的世界。
②“ Thermoplastic”热塑性。能够3D打印标准工程热塑性塑料制成的零件，例如ABS、尼龙、TPU甚至性能更高的热塑性塑料，例如PEAK、PEK等。
③“Electrophotographic”电子照相，它是激光打印机的专业词汇。 利用世界上最强大的2D打印引擎柯达NexPress™，对每个图层进行打印成像。
在3D打印中使用电子照相技术非常罕见，它是允实现多种材料和多种颜色3D打印零件的关键要素之一。
④“Process”过程。 结合专有的硬件和软件，实现可控的、可重复的制造能力。 在质量、速度、成本和生产率之间取得很好的结果。
详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-142088-1-1.html

其实，其3D打印的工艺原理，可以概括为三大过程

△三大过程

第一步：选择性放置零件材料和支撑材料粉末，并转印到硒鼓。这是传统的非常成熟的电子照相成像技术。
第二步：对转印进行严格控制，层与层之间进行对准，保证质量；
第三步：使用高温，并施加压力，对材料进行融合堆叠，3D打印成型。

Evolve的STEP技术使用了工程级热塑性塑料，声称比SLS 3D打印快50倍，从而以 "无工具 "的生产方式，加快了产品推出时间。它有能力生产多材料、彩色的最终使用部件。打印过程包括通过移动皮带将原料逐层沉积到构建区域，直到形成所需的3D形状。材料融合背后的核心技术，与大多数复印机和2D激光打印机中的技术并无太大差别。Evolve此前曾表示，STEP是在质量上最能与注塑成型相媲美的增材制造技术，并在2020年底开始商业销售。

△Evolve的STEP 3D打印机

△STEP工艺的打印过程

十七、Multi-Jet Fusion多射流熔融聚合物3D打印技术

美国惠普HP推出的Multi Jet Fusion多射流熔融聚合物3D打印技术，已经成为聚合物粉末材料的一大主流技术路线。2021年9月14日，惠普宣布，全球的惠普3D打印机已经累计经生产了1亿个零件，这可是一个不小的数目，汽车行业的规模化应用贡献了一定的力量。

△视频：惠普的Multi-Jet Fusion多射流熔融3D打印技术，属于粘结剂喷射。工作原理是：
1 .铺粉模块在平台上铺放塑料粉末材料，
2.热喷头模块，在零件打印区域喷射出可以让粉末熔融的助熔剂，
3.在打印区外边缘喷射细化剂起到隔热作用，
4.在成型区域辐射红外线能量让粉末熔融，
层层往复堆叠，即可实现聚合物零件的3D打印。其系统可喷射每秒每英寸3000万滴试剂，打印的对象精度高达20微米。
打印速度可以达到传统SLS的10倍以上。同时，借助传统喷墨的色彩技术，MJF技术能够在“体素”级彻底改变色彩、质感和机械特性，实现全彩、功能性的塑料3D打印。

其他

十八、连续碳纤维复合材料激光3D打印技术

美国硅谷初创公司AREVO已经开设高速连续碳纤维增强聚合物（continuous carbon fiber reinforced polymer ，即"CFRP"）复合材料增材制造工厂，以 制造即服务(manufacturing-as-a-service，MaaS)的模式来运营，规模化快速生产定制产品。连续碳纤维增强聚合物复合材料的强度重量比是钢的60倍以上，可用于专业级自行车、一级方程式赛车和最新一代战斗机等产品。


Arevo主要是开发了一种基于激光DED（即直接能量沉积）的专利3D打印工艺。

△Arevo的核心技术：DED工艺。激光束熔化刚加上去的聚合物细丝和上一层沉积打印的材料，形成液-液界面。同时，使用一个滚轴施加压力，将层与层之间的空隙率降低到小于1％，达到消除分层横截面的目的。其实这思路和中国武汉华中科技大学张海鸥教授的“微铸锻”金属3D打印技术类似，但后者使用的金属材料，而不是高分子聚合物



△在打印过程中，多轴自动机械臂和平台可自由移动，实现三个以上的自由度沉积材料。通常的增材制造技术，包括堆叠2D平面材质层，来构建3D对象。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-141842-1-1.html

DED工艺使用激光源来熔化聚合物长丝，同时也熔化之前沉积的材料，以创建一个液体到液体的界面，实现原位巩固（ in-situ consolidation）；同时，它还施加了一个压力，将空隙率降低到1%以下，消除了层，使截面看起来更均匀。"

△视频：碳连续纤维3D打印自行车车架的技术

连续碳纤维3D打印商业化做得比较好的厂商还有俄罗斯Anisoprint、美国Markforged、美国Arris Composites等国外厂商。

十九、光固化树脂浸渍连续纤维3D打印技术

美国Continuous Composites的CF3D®是一项专利技术，将高性能连续纤维与快速固化的热固性树脂相结合，可以经济地制造复杂的复合结构。CF3D®由可配置的硬件、专有软件和可定制的材料组成，用于强大、轻便的应用。这项技术从连续的干纤维开始，同时用末端执行器原位浸渍热固性树脂。挤出后立即固化纤维+树脂的混合材料。末端执行器由专用软件驱动的运动平台移动。零件经过精确打印，并使用连续纤维进行了优化，以实现最高性能。整个技术包括必要的硬件、材料、软件和运动平台。

△CF3D技术详细视频

利用先进的复合材料提高增材制造的性能和功能。结构纤维（例如，碳、玻璃、芳族聚酰胺）和功能性纤维（例如，光学、金属）在单步过程中进行打印。CF3D使用的聚合物基质材料可调节机械性能、热传递和环境耐久性，满足各种客户的规格。材料的灵活性为用户提供无限的材料组合。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-145664-1-1.html

△可无支撑打印材料

二十、电子电路3D打印技术

以色列Nano  Dimension公司，它的AME电子电路3D打印技术——The Lights-Out Digital Manufacturing（LDM）使用户可以3D打印原型，以及小批量制造3D打印电子产品，同时进行多种材料的革命性增材制造方法。

△世界首块10层3D打印PCB电路板


高精密喷墨沉积3D打印系统能同时制作出高导电银纳米粒子墨水（金属）和绝缘墨水（绝缘聚合物）。其精确性、复杂性和速度为3D印刷电子和专业电子产品开发领域设定了新的标杆。完成3D打印作业后， 不需再进行后处理。多材质3D打印可以改变游戏规则，使设计师和工程师能够将聚合物和金属打印在一起以创建功能性零件。对电子产品而言，这是一个革命性的创新，使其具有更小型化、更密集和最终跳脱平面框架的潜力。

△视频：电路板3D打印技术原理

公司的3D打印机DragonFly LDM装有两个打印头，一个用于装载纳米银导电性墨水，另一个用于介电聚合物墨水，可以在一次打印作业中同时打印两种高级墨水。利用超精密的喷墨沉积打印机与专用的纳米墨水和优化的3D软件，Nano Dimension能够制造例如印刷电路板（PCB）、天线、电容器和传感器等产品。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-146154-1-1.html
此外，还有美国nScrypt微点胶电路电子3D打印、美国Optomec Aerosol Jet气雾喷射电子电路3D打印等技术，也已经实现商业化运营。


二十一、工业级3D打印软件严重缺乏
在工业级3D打印软件方面，中国缺得更严重。除了上海漫格、南京衍构、南京Amenba等极少数工业级3D打印软件厂商，和设备厂商自家软件之外，几乎空白。特别是3D打印拓扑优化、模拟仿真等，商业化的国产软件几乎为0。