本帖最后由 warrior熊 于 2024-3-27 11:41 编辑
南极熊导读：随着3D打印等先进制造技术的不断进步，制造业正迎来一场新的变革。在这场变革的浪潮中，新型金属3D打印技术正以其卓越的创新性和高效率引领着未来的制造业发展。与传统金属3D打印技术相比，这些新技术在速度、精度和材料选择等方面带来了显著的改进，重新定义了我们对于金属制造的认知。
当下，粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）等传统金属3D打印技术在制造业中已经有了一定的应用，但其受限于打印速度慢、精度不高等问题，难以完全适配大规模生产、高精度制造等应用场景需求。新型金属3D打印技术凭借其在成形速度、精度和材料选择方面的突破，相较于传统打印方法建立起了独特的技术优势，为制造行业带来新的可能性。在本期文章中，南极熊汇总了近年来11种有代表性的新兴金属3D打印技术，并针对其原理、优势展开了系统分析。
1、Seurat区域3D打印技术
美国硅谷金属3D打印创业公司Seurat Technologies所开发的区域3D打印工艺使用200万个激光点来实现部件的大规模3D打印。区域3D打印工艺的成形速度比传统激光3D打印技术快1000倍，可让单个零件的制造成本大大降低。同时，该技术打印的部件具有更高的精度，光斑直径可小至10微米，区域处理速度突破了扩展性的限制。
技术原理：Seurat新技术基于一种全新的光束处理方法来增加每次的熔化量，其激光器系统一次可将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，一次即可成形一个区域。
Seurat通过区域打印进行操作，从而实现激光强度的完全控制。调整热作用可以最大限度地减少飞溅、控制微观结构和降低残余应力。Seurat区域3D打印技术，使用高速视频，材料分析和多物理场建模，来表征激光和粉末之间相互作用的影响解决基础物理问题，可以很好应用在能源领域，例如轻型车辆、热交换器、新型高性能部件。
2、XJet纳米颗粒喷射技术（NPJ）
NPJ 3D打印技术是由以色列公司XJet研发的一种新型陶瓷和金属3D打印工艺，并配备了专有的NPJ打印装置，可对多种陶瓷及金属材料进行精密打印。这种增材制造工艺并不使用金属粉末原料，使用填充了纳米金属颗粒的“墨水”来制造3D打印零件。
技术原理：将大分子金属颗粒粉碎成纳米级金属颗粒，与特殊粘合墨水混合成金属墨水。金属墨水通过NPJ打印机的特制阵列喷嘴精密沉积到构建平台上，液体蒸发，留下了固化的金属熔融层。金属墨水逐层喷射堆积完成构建，层厚可小于2微米，所成形的零件具有很高的精度和优异的表面光洁度。
NPJ技术的优势在于能使用普通的喷墨打印头作为工具，无需借助任何外力即可通过专门的技术融化去除支撑结。不同于传统选择性激光烧结（SLS）等金属3D打印工艺，NPJ能够显著减少原料浪费、降低成本，而且能给予设计师更大的设计自由。因为它是通过融化去除的，理论上可以无限添加。
3、电化学沉积金属3D打印技术
电化学沉积金属3D打印技术是由位于圣地亚哥的初创公司——Fabric8Labs开发，该工艺不使用粉末或热处理工艺，而是基于电化学沉积原理，在室温下运行，功率需求大大降低。打印原料为低成本金属盐制成的水性（水基）溶液，结合普通工业的原材料和节能工艺，可以大大降低3D打印机的设备成本和打印成本，实现重大变革。
技术原理：电化学金属3D打印系统基于挤出原理，打印头是一个装满电镀液的注射器，在很小的区域上电镀。打印速度相对较慢，如果太快，性能效果将大打折扣。通过使用带有不同电解质的打印头，可以使用不同的金属进行打印。例如，下图显示了由铜和镍制成的电化学金属3D打印结构，通过反转电流可以实现去除金属而不是沉积金属。
电化学金属3D打印可实现超高精度成形，通过使原材料在原子水平上快速沉积，实现具有受控微观结构、表面光洁度和密度的高分辨率、精密零件；打印零件零收缩、高悬垂、无热后处理，并且能够打印独立部件或直接构建到现有基材上，大幅扩展设计空间；无需昂贵的金属粉末或能源密集型热处理，仅需在室温下使用普通的金属盐来打印，解锁以前受成本限制的新应用；凭借完全可回收的金属原料和低能耗，该工艺在不影响设计能力的情况下实现了可持续性。
此外，来自瑞士超微细微纳级金属3D打印公司Exaddon开发了另一种电化学沉积微纳级金属3D打印技术——CERES，可用于在微米级别上进行金属的3D打印微制造（μAM）。技术原理为：将一个名为iontip的小3D打印喷嘴，浸入悬浮电解液中。精确调节气压将包含金属离子的液体推进离子头内部的微通道。液体流量非常小-低至每秒飞升。在微通道的末端，含离子的液体被释放到3D打印表面上。然后将溶解的金属离子电沉积为固体金属原子。这些金属原子一起生长为小零件中的体素。光学力反馈记录每个体素的3D打印完成情况，直到所有体素都被打印出来并构造出完整的对象物体为止。
4、高速冷喷涂金属3D打印技术
冷喷涂金属3D打印是一种近年来新兴的固态增材制造工艺，它可以在工件上形成金属涂层，也可以用来形成整个零件。该技术在1980年代由俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学研究所的研究人员开发出来，他们意识到可以在室温下用气流沉积固体颗粒。这项技术近年来在军事、国防和海洋等领域得到了广泛应用。
技术原理：利用加压气体（如空气、氮气或氦气）在高温下作为推进气体，通过一个特殊设计的收敛-扩张喷嘴将金属甚至陶瓷粉末原料加速到速度从300到1200 m/s。当这些高速粉末颗粒撞击基底（这里的基材通常是金属）表面时，它们经历严重的塑性变形，然后沉积形成薄涂层或块体沉积物。冷喷涂沉积物的形成主要依靠撞击前的颗粒动能而非热能，因此在整个沉积过程中，冷喷涂颗粒始终保持固态。颗粒的固化主要通过机械咬合和颗粒间界面的局部冶金结合实现。喷涂过程是结合喷嘴和机械臂完成的，机械臂和喷嘴两者都可进行移动。
澳大利亚Titomic和SPEE3D公司、中国超卓航科和德国林德等都是冷喷涂金属3D打印技术的典型应用厂商和技术开发者。其中，SPEE3D公司的专利 “超音速颗粒沉积”技术已经被应用到澳大利亚、美国、英国和日本的国防领域，该技术比传统金属3D 打印（例如粘合剂喷射和 DMLS）技术要快上 1000 倍，由 WarpSPEE3D 3D 金属打印机提供。
5、无支撑金属3D打印工艺
在金属增材制造过程中，支撑物的添加和去除一直以来都是一大难题。以直接金属激光烧结(DMLS) 为例，打印前需要为模型预设支撑结构以避免热应力引起的变形并将热量从熔池中传导出去。倘若没有支撑物，就难以打印出低于一定倾斜角度（通常45°左右）的悬撑结构，这往往限制了金属3D打印系统用户的选择，也为许多设备OEM和增材制造软件公司带来了极大的挑战。这些支撑结构在构件建造完成后需要被拆除并丢弃，也带来了材料浪费、增加后处理成本等问题。所以，开发少支撑甚至无支撑的金属3D打印工艺是最多金属3D打印公司一直致力于攻克的难题。
△EOS 打印的 316L无支撑叶轮
近年来，已经陆陆续续有多家金属增材制造厂商发布了无支撑/少支撑金属3D打印技术，有的厂商发布工艺软件，有的甚至已经发布了设备。例如： - 2018年，美国加州Velo3D在国际制造技术展（IMTS）上首次披露了其蓝宝石DMLS系统，是探索无支撑3D打印的先行者。蓝宝石系统的关键是Velo3D的智能融合技术，它可以模拟和预测零件变形，消除了支撑结构。
- 2021年5月，德国金属3D打印厂商SLM Solutions，作为全球多激光金属打印的领导者，在亚洲TCT上展出了一批高质量的应用样品，还有最新的FreeFloat无支撑技术。
- 2022年11月，德国EOS专家提出无支撑金属3D打印优化方案，可实现封闭叶轮的无支撑打印；2023年4月，EOS正式宣布推出可进行激光调整的 Smart Fusion 软件，消除了对大量支撑结构的需求，最大限度地减少了材料使用，减少了后处理要求。
- 2023年5月，南极熊拜访易加三维，公司已经开始把无支撑金属3D打印工艺应用到部分设备上；在9月份的亚洲TCT上展示了相关的零件，完善调试的较成熟的工艺参数，部分客户已经在使用当中。
- 2023年6月，铂力特宣布已经研究出无支撑金属3D打印的技术方案，并且展示了采用无支撑技术打印出的多种类型零件。
- 2023年9月，华曙高科携重磅新品、超大尺寸解决方案、少支撑工艺等亮相2023TCT Asia。
- 2023年9月，汉邦科技在TCT上展示了能够实现15-25°倾斜特征的无支撑成形，很大程度的减少了零件对支撑结构的依赖。
- 2023年9月，倍丰科技在TCT上展示了已经实现15°及以上角度的无支撑打印，功能植入到倍丰自研软件中。
- 2023年9月，德国通快集团（TRUMPF）对其 3D 打印软件 TruTops Print 进行了改进，以几乎无需支撑结构即可打印出悬角低至 15 度的金属零件。
- 2024年2月，金石三维核心科研团队——华南理工大学杨永强教授和王迪教授等在《中国激光》期刊联合发表了题为《激光选区熔化成形低角度无支撑结构的方法与工艺研究》的特邀论文，对无支撑金属打印的成形机理、样件表面质量以及成形方法的适用性进行了探究，同时使用实际工业零件进行了打印验证。
- 2024年3月，镭明激光凭借丰富的行业经验，对激光选区熔化技术的多个关键环节进行系统性探索，进一步优化打印策略，研发出新的工艺技术方案，实现了小角度（5°～35°）零件的无支撑成形。
6、智能分层金属3D打印
美国3DEO是智能分层（IntelligentLayering）金属3D打印技术的开创者。该公司宣称，利用其智能分层技术，能够大批量生产零件，同时降低成本，并达到金属注射成型的行业标准。此外，它能够为医疗、国防和航空航天市场的客户生产出表面质量优异、成本结构低廉、功能精细的金属部件。
技术原理：依靠专用喷嘴在金属粉末床上喷射粘合溶液，然后使用数控铣床按照零件的轮廓和内部特征进行加工。打印后的生坯在高温炉中烧结以达到最终的固体密度。
△在智能分层过程中经过CNC加工的金属零件
3DEO智能分层技术能够支持市面上大量的金属粉末，成本比PBF铺粉烧结工艺中使用的球形粉末低五到十倍。该技术同时解决了金属增材制造的高成本和低产量挑战。同时，一致性非常高。由于采用了密实的细粉，在约100 Ra的情况下，3DEO烧结后得到零件，表面光洁度也非常高。
7、增材搅拌摩擦沉积技术(AFSD)
美国MELD制造公司是增材搅拌摩擦沉积（AFSD）工艺的开发者，该工艺因其固态性质而被认为是 3D 打印领域的游戏规则改变者，这一独特功能使其有别于传统的高能束融合工艺。与涉及熔化金属的增材制造方法不同，MELD 的固态打印可以使用 7075 和 2219 铝等合金进行打印，这对于航空航天等优先考虑轻质部件的行业至关重要。此外，MELD可以生产广泛使用的铝合金 6061 零件，无需特殊粉末或合金。MELD工艺有着广泛的应用前景，包括增材制造、涂层应用、组件维修、金属连接、定制金属合金和金属基复合材料坯料和零件制造。
技术原理：采用空心旋转轴，内部嵌套进料杆，将固体材料向外轴向挤压送料。当送料杆接触到下面的基材时，它开始涂抹并通过摩擦粘在基材上，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，使其具有足够的可塑性，从而发生如此严重的塑性变形。一旦第一层被涂上，送料杆就会被简单地抬起并推回，以打印更多的层，直到最后的三维部件完成。
△增材搅拌摩擦沉积技术。照片来自MELD制造公司。
作为一种固态工艺，MELD可以生产出具有较低残余应力和全密度的高质量材料和零件，能耗却比传统的工艺要低得多。由于MELDing的打印过程一直是固态，因此它还会生产出不易受气孔、热裂或其他基于熔融技术常见困扰问题影响的材料；单步过程，不需要耗时的后处理，例如热等静压（HIP）或烧结，即可提高沉积材料的质量。此外，MELD 打印机通过使用标准的金属棒，消除了与金属粉末相关的危险性，可进行露天打印。这使得 MELD 机器能够经济地生产非常大的零件，在军事维修领域展现出巨大的应用前景。美国陆军已经充分利用 MELD 大规模打印能力的潜力，联合多家研究机构开展了大型无缝船体项目，并打印出直径可达3.05m的超大铝材圆柱体。
8、电磁液态金属3D打印技术
电磁液态金属3D打印技术源于Vader Systems公司，该公司目前已被施乐Xerox收购。他们使用磁流体动力学（Magneto Hydro Dynamics，MHD）和液态金属喷墨打印（Liquid Metal Jet Printing，LMJP）合并成一种独特的技术——Magnet-o-Jet。这是一种利用电磁力分散熔融金属液态的技术，非常独特，具有原创性。
技术原理：使用金属线材作为原料而不是粉末，并通过磁性控制液态金属滴进行打印。在陶瓷坩埚中加热熔化金属丝成为液态→利用电磁脉冲将液态金属分散成为一个个液滴→通过陶瓷喷嘴喷射出来。磁场使金属滴精确移动到特定位置，然后堆叠成型。生产的零件精度很高，并具有各向同性的材料特性。
△金属液滴堆积过程
现有市场上的金属焊接一类的线材，成本比较低，并且应用广泛。通过独特的技术去打印这些材料，可以成为一种通用的基础技术。如果把多个液体滴金属打印喷头排列成为阵列，或者一个喷头都可以喷射不同的材料种类，应用前景就会更为广阔。目前，他们支持的材料有几种钢（316、718）以及铝等金属。Vader液滴金属3D打印技术，避开了脱脂、烧结这种复杂的工艺过程，而且还大大降低了成本，所以Xerox决定了将会持续加大投入。由于Xerox是全球喷射技术的领导者之一，擅长把材料喷射打印到精确的位置，所以是这个技术非常合适的推动者。
9、线材熔融金属沉积(MMD) 技术
熔融金属沉积技术（MMD）是由比利时金属3D打印初创公司ValCUN自主研发的全新金属3D打印技术。该技术使用一种新的能量源代替激光器，能够实现更低的成本更高效地打印。MMD技术对于打印材料的形态没有特别的要求，可以与线材、颗粒甚至回收原料兼容，可用于批量生产。
技术原理：金属丝原料被熔化并直接挤压成最终部件，在熔融金属沉积中，长丝线由进料器送入加热室。金属在这个加热室中熔化。腔室底部有一个喷嘴，液态金属通过该喷嘴挤出。挤出的金属与前一层（或基材）融合，形成零件。在该过程结束时，该部件可以很容易地从基板上分离。
与其他金属3D打印技术相比，MMD可快速升级且易于使用，所使用的原料是市售的焊丝，无需昂贵的金属粉末和相关成本或专有配方，可以降低成本；MMD过程仅需金属直接熔化和沉积，不涉及粘合剂，因此不需要脱脂或烧结后处理；MMD技术由于凝固受控，可打印高达 75 °悬垂和 25 毫米桥的无支撑部件；以低热梯度打印，可确保部件的残余应力、变形和开裂问题可忽略不计。MMD技术目前主要针对铝材料开发，因为大多数增材制造技术并不是最适合生产铝的技术。
10、3D纳米金属打印技术
来自上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组和韩国釜山国立大学研究人员提出了一种新型3D纳米打印机，可用于打印从单一金属到多种材料组成的结构，包括各种周期阵列和复杂的纳米结构。
技术原理：打印在环境条件下进行，通过气相方法来合成气溶胶纳米颗粒，其中一些颗粒带电，并在图案化光致抗蚀剂 (PR) 的帮助下，将电场映射到 3D 几何形状。通过控制施加的电场和调整流场，精确选择纳米颗粒 (NP) 的尺寸作为原位打印的构建块。纳米粒子的几何平均直径为3-5 nm，几何标准偏差为1.2-1.4。
△通过3D打印纳米结构绘制局域场。
3D纳米金属打印技术可打印窄至14nm的金属线，以及多种材料复杂的3D纳米结构的周期性阵列，具有高均匀性、效率和纯度。电场和流场是耦合的，以使NPs的大小可以根据其电迁移率的差异来选择，消除了材料性质的影响。
11、新型定向能量沉积技术
定向能量沉积（DED）技术常被用于制造大型金属构件，因为其具有很高的沉积速率。然而，传统电弧增材技术的能量输入高，通常会导致在相对较高的沉积速率下，出现高度重熔、再加热和晶粒粗化的问题，从而降低制件的机械性能。
来自英国克兰菲尔德大学的研究人员提出了一种新型电弧增材DED工艺，将气体金属弧（GMA）工艺和外部冷丝相结合，即冷丝气体金属弧（CW-GMA），实现高沉积速率和低材料重熔。通过添加冷丝，显著减少重熔现象，增强了制件强度并降低了各向异性。
△线弧增材制造(WAAM)技术示意
国内南京工业大学等机构提出了一种新的集成增材制造技术——振荡激光熔化沉积。技术原理为通过对激光熔池施加外部作用力，使得熔池内的搅动、流动变化更剧烈，从而诱导晶粒细化和柱向等轴转变。所施加的激光振荡路径包括线性、圆形、8形和无限形。 相关阅读：
END
南极熊认为，新型金属3D打印技术的不断涌现和创新为制造业带来了前所未有的机遇和挑战。这些技术不仅改变了传统制造方法，也重新定义了产品设计和生产流程。通过提高生产效率、精度和材料选择范围，新型金属3D打印技术为制造业的未来发展注入了新的活力和动力，亦是名副其实的新质生产力。
随着技术的不断演进和应用的不断拓展，我们有信心看到金属3D打印技术在航空航天、医疗、汽车等领域发挥着越来越重要的作用，助力制造业朝着智能化、高效化和可持续发展的方向迈进。但同时也应看到我国在新型金属3D打印领域的探索研究匮乏，与国际前沿技术有着不小差距，甚至完全空白。未来，我们仍需正视差距、补齐短板，不断创新和持续发展新型金属3D打印技术，进一步推动我国制造业向着更加智能、高效的方向迈进。
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