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。
2022年4月，南极熊整理发布了一则报告《2017-2021年中国3D打印机出口数据：飙升了5年，能否继续？》，2021年中国的3D打印机出口数量已超过280万台；同时国内的市场也正在高速增长。但是其中一个网友的留言，非常值得业内人士反思：“看金额说明是消费级机器，说明我们目前在该领域还只能向国外输出整体偏低端的产品，附加值比例太低。”
从全球3D打印产品库https://product.nanjixiong.com/中，南极熊发现，近几年中国很少出现大幅革新的3D打印技术产品，通常都是老技术的完善和升级；但是，国外却不断涌现出一个又一个新的3D打印技术和产品，非常值得我们思考。下面，我们对这些国内缺少的20项3D打印技术产品进行盘点，希望引起关注。
（特别说明：以下部分技术国内可能有人在研究，但距离商业化应用还有相当的距离。）
金属篇
一、粘结剂喷射金属3D打印系统及后处理工艺
粘结剂喷射金属3D打印技术在规模批量生产金属零件上有着巨大的成本优势、效率优势，因而近几年得到汽车等工业领域的重视。在国外，美国Desktop Metal、美国Exone、美国HP、美国GE、瑞典Digital Metal等，已经开始陆续实现商业化运营；但国内商业化的速度较慢，例如武汉易制、北京三帝、长沙墨科瑞等，因为涉及到多学科交叉的诸多问题，例如金属材料、粘结剂、软件控制、脱脂烧结工艺等，商业化应用难度非常大。
全球厂商的粘结剂喷射金属3D打印系统中，其中最为引人注目的是美国Desktop Metal的大规模金属3D打印机Production System™ P-50
使用粘合剂喷射binder jetting和单程喷墨技术single-pass inkjet technology的的3D打印机Production System™，可能是进行大规模3D打印金属零件的最快方法。具有最先进的打印喷头，上面有16384个喷嘴，每秒能够喷出15亿滴墨滴，具有1200x1200 DPI的原始分辨率，出色的可靠性和双向单程打印，可以快速3D打印复杂的金属零件，堆积效率可达12,000cm3/小时，每天多达10,000个零件。
单程粘合剂喷射金属3D打印技术原理
在Single Pass Jetting™（SPJ）的支持下，Production System™具有双向3D打印功能，移动一次，即可打印一次，不浪费一遍路程。具体工作流程如下
△视频：单程粘合剂喷射金属3D打印技术工艺原理
①3D打印。对于双向单程3D打印，每次打印遍及整个构建区域，都将应用打印过程的所有步骤（粉末沉积、铺展、压实、弹道抑制ballistic suppression、和粘合剂喷射）。一层一层地沉积金属粉末和粘合剂，直到整个构建体被零件部分和周围的散装粉末填满为止。
②脱粉。构建完成后，将移除构建箱，并用新箱子替换下一个构建。完整的成型箱被移至清粉工位，在那里去除粉末，并准备烧结零件。
③烧结。脱粉的零件装入工业炉中，在那里将加热到接近熔化的温度。除去剩余的粘合剂，使金属颗粒融合在一起，并使零件致密。
详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-153243-1-1.html
二、无支撑金属3D打印系统VELO3D
美国加州VELO3D是直接金属激光烧结（DMLS）增材制造系统和打印准备软件的开发商，发明了SupportFree Geometries无支撑金属3D打印技术。成立于2014年，最初4年默默研发，2015年获得A轮融资2210万美元；于2018年在国际制造技术展（IMTS）上首次披露了其蓝宝石DMLS系统。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，消除支撑结构。智能融合工艺通过调整零件设计来平衡变形，并配合前馈闭环熔池控制和原位计量数据来实现，生产出的零件几乎没有支撑结构。
VELO3D与现有的粉末床熔接解决方案不同，具有独特的能力，可以打印低角度和低至0°（水平）的悬垂，以及大直径和高达100mm的内管，而无需支撑。这不仅省去了后处理的麻烦，而且克服了 45°法则——角度小于45°的就需要支撑。VELO3D让设计师可以自由地构建，释放出大量可以3D打印生产的设计。
△VELO3D是太空行业最大的3D打印机供应商之一。图片来源：VELO3D公司
自2021年上市以来，这家位于加州的金属3D打印机制造商见证了市面上对打印系统持续增长的需求，特别是对大建造量金属机的需求。2021年，它总共出货23套系统实现2740万美元的营收；而2020年仅有13套，增加了77%，包括向10个新客户出货。最后，随着2021年34套系统的预订，VELO3D对2022年创收8900万美元的业绩目标越来越有信心。
根据公司目前的预测，2022年他们将有24个新客户，发货47至49套系统。首席财务官BillMcCombe说，他预测2022年上半年将占VELO3D年度收入目标的37%到43%。
（备注：南极熊粗略算了一下，2021年出货23套金属3D打印机，营收2740万美元，平均单套设备价格约为120万美元，约800万人民币；2022年预计交货48套，预计收入达8900万美元，平均单套设备价格约为185万美元，约1200万人民币。从这里可以看出，大尺寸金属3D打印机的订单量大幅增加，导致平均单价从800万元飙升到1200万元。而且，考虑到高价格的设备型号被平均了，实际上单台金属打印机的价格肯定会超过200万美元）
△Sapphire XC。 2021年12月23日宣布已交付了首个Sapphire® XC，这款机器具有8个1kW激光器，是Velo3D目前最新、最大的金属3D打印机，能够实现更快的生产，制造更大的金属零件。与前一代Sapphire打印机相同，Sapphire XC也使用Flow™打印准备 软件、Assure™质量控制软件和IntelligentFusion制造工艺。
三、200万激光点的金属“区域3D打印”技术，理论速度提升1千倍
美国硅谷金属3D打印创业公司Seurat Technologies “区域打印工艺”使用200万个激光点来实现部件的大规模3D打印。这与EOS此前发布的近百万个二极管激光器来融化材料看起来很相似。
△Seurat200万个激光的“区域打印工艺”，可以打印金属件
这个技术的颠覆性在于：
- 200万个激光点，速度比传统激光3D打印技术快1000倍，让单个零件的制造成本大大降低；
- 更高分辨率和精度，光斑直径可小至10微米；
- 区域处理速度突破扩展性的限制。
南极熊剖析一下，可能你会更容易理解这个技术的厉害之处： - 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面积相当于15平方毫米，而常规单激光100微米直径的光斑面积仅仅为0.0078平方毫米，两者相差近1000倍，也就是说最多可以实现单激光系统1000倍以上的熔融效率；
- 在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度却能达到传统单激光的10倍。
现有的金属增材制造中效率比较高的两种工艺是：电弧熔丝和粘结剂喷射。电弧熔丝使用基于金属丝的焊接工艺来沉积材料。然而，电弧熔丝的打印精度很低，能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之间。粘合剂喷射法是基于喷墨打印技术，以高生产速率打印毛坯部件，然而打印之后还需要进行烧结，两步法也使这项技术难以掌握。目前，使用这两种技术方法可以实现400-1,500立方厘米/小时的打印速度。
Seurat的区域打印技术的生产力远远超过任何现有金属3D打印技术。它的打印速度甚至高于电弧熔丝，但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率，并有可能进一步提高表面质量和零件的灵活性。 △激光粉末床熔融、电弧熔丝、粘结剂喷射、区域打印技术四种工艺在最小特征尺寸和打印效率方面的对比
自2015年成立以来，Seurat公司一直致力于开发“区域打印工艺”，并打算推广给汽车、消费技术和工业客户。与现有技术相比，"区域打印 "将200多万个激光点聚焦到金属粉末床上，实现快速打印最终用途的部件。
在汽车领域，Seurat公司认为他们的技术可用于生产汽车备件和下一代电动汽车的原型部件。同时，这项技术因为具有可扩展性和无飞溅性，可以成为生产工业应用大尺寸部件的理想选择。
由于Seurat技术的生产效率高，可以帮助用户有效的降低成本。Seurat的区域打印技术突破了每个零件成本的现有障碍，他们的第一代系统与今天的增材制造技术相比，已经可以降低50%的成本。而且将进一步提高效率，未来几代机器的目标是在2030年击败传统压铸工艺的制造成本。这将标志着增材制造作为一种主流技术的突破。
四、高速冷喷涂金属3D打印技术
澳大利亚有两大高速冷喷涂金属3D打印厂商Titomic和SPEE3D。
△在SPEE3D的WarpSPEE3D机器上制造的17.9公斤铜火箭喷嘴内衬（由SPEE3D提供）
SPEE3D开发了“ Supersonic 3D沉积”技术，不用加热熔化金属粉末。在这项工艺中，喷嘴将空气加速到声速的三倍，将金属粉末注入，然后将沉积到由六轴机械臂操纵的基板上。在过程中，粒子相互撞击的动能使粉末结合在一起，形成了具有优于铸造的冶金性能高密度零件。
澳大利亚的低成本金属3D打印厂商SPEE3D展出了工业级金属3D打印机LightSPEE3D。这款机器采用超音速3D沉积（SP3D）技术，打印速度极快，能在6分钟内打印出一只金属锤子。它可以“快速、低成本地”制造出铸件级零件，如支架、歧管和发动机组件。在单次作业中，它既可以打印单个零件，可以进行大批量生产。据SPEE3D说，无论什么产品和多少数量，他们的机器都能经济地按需打印，速度比传统金属3D打印技术快100至1000倍。可以混合不同的粉末金属以形成合金。
以色列NanoParticle（NPJ）纳米颗粒喷射3D打印厂商XJet △XJet Carmel 1400 C喷射陶瓷3D打印机打印仓
NPJ这种增材制造工艺使用液体分散来制造3D打印零件，这与许多金属3D打印工艺中所使用的粉末熔融工艺不同。在NPJ技术中，陶瓷和金属颗粒在液体中被喷射出来，当它沉积到构建平台上时，液体蒸发，留下了陶瓷或金属的熔融层。所得零件具有很高的细节，表面光洁度和准确性。 NPJ 3D打印技术具体流程如下：
1. 彻底粉碎。3D打印机会首先将大分子金属颗粒粉碎成纳米级技术颗粒；
2. 注入墨水。液态金属材料由两部分组成：纳米级金属颗粒和特殊粘合墨水。粉碎后的金属颗粒会注入XJet研发的粘合墨水中，金属不会在墨水中融化，而是形成悬浮物充满整个腔体；
3. 挤出液态混合物，固化成型，打印产品。 XJet的专利NanoParticle Jetting™技术使用固体金属纳米颗粒在液体悬浮液中。这些材料以及支撑材料都作为密封的墨盒交付，可以轻松地手动加载到XJet系统中，无需处理金属粉末。这种适用于液态金属的专有喷射打印技术能大规模、低成本、高效率地定制化生产金属零件
美国 3DEO成立于2016年，是一家按需生产金属部件的制造商。3DEO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。
使用智能分层技术制作的3D打印金属零件
Intelligent Layering是一个在成本、质量和交货速度方面优于传统制造业的金属3D打印技术。由于高昂的前期成本、较长的交货时间和不容易改变的设计，买家很难采购到小型、复杂的金属部件。3DEO的专利技术解决了这一问题，它在价格和质量上都有竞争优势。
△基于Intelligent Layering技术的3D打印机结构图
这是3DEO开发的一种全新的金属3D打印工艺，可以实现中高产量的金属零件生产：
①将薄薄的一层金属粉末铺在成型托盘上，然后使用喷射系统将粘结剂喷在整个金属层上。然后使用微端铣刀在所有层特征的周边切成粘结粉末。如此逐层往复，直到创建一个精密的生坯部件。
②生坯部件在熔炉中烧结，达到99%或更高的终端部件密度。
它以高度可重复的工艺生产低成本的金属部件，释放了大批量金属3D打印的潜力。
△视频：3DEO智能分层金属3D打印技术
支持低成本的材料。南极熊看到这项技术更大的竞争优势！它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；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。
- 超低的成本工艺
- 非常好的表面质量
- 符合MPIF 35的高行业标准
- 无退火过程
与其他粘结和烧结技术（如粘结剂喷射）类似，智能分层在烧结循环中产生收缩。当金属粉末在熔炉中烧结时，随着金属颗粒之间空隙的消失，颗粒之间融合，会发生一定的收缩。这种收缩是可以预测的，可以针对遇到的每个零件几何形状进行调控补偿，但这无疑是工艺的一个缺点。详细介绍https://www.nanjixiong.com/thread-141840-1-1.html
Intelligent Layering的诞生是为了将金属增材制造带入批量生产的世界，是对PBF的补充，而不是竞争者，因为它最适合用于大批量生产。其应用范围很广，包括目前金属注射成型所服务的许多市场，包括医疗和牙科应用、枪械部件、精密齿轮和许多其他复杂的有限尺寸的金属部件。
七、电化学沉积微纳级金属3D打印技术
瑞士超微细微纳级金属3D打印公司exaddon。他们的CERES 3D打印系统是专为研究人员和科学家而设计，用于在微米级上进行金属的3D打印微制造（μAM）。 
CERES可以在室温下以纳米级分辨率打印复杂的微型金属物体，尺寸从1 μm到最大1000 μm（人类的头发一般为80～90微米），并且无需进行后处理。
△视频：Exaddon电化学沉积微纳级金属3D打印技术
金属3D打印微制造技术（μAM）基于电化学沉积，原理是：
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。
△电化学沉积微纳级金属3D打印工艺过程
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。 电化学3D打印过程在室温下进行，可产生非常高质量的金属结构，而且无需任何后处理即可直接应用。在南极熊看来，这个技术创新性极强，并且在微观精细加工制造领域有着很好的应用潜力。
通过光学方法测量作用在离子尖端喷嘴上的力，并实时反馈回系统，再进行过程控制。 这样就可以检测模型对象的哪些体素已被3D打印出来。详细技术介绍https://www.nanjixiong.com/thread-139200-1-1.html
△CERES是一个独立的系统，可以以微米级和亚微米级的分辨率3D打印复杂的纯金属物体。此外，它支持不同材料制成的液体和纳米粒子。
八、无需熔化的固态金属3D打印沉积技术
源自美国海军的金属3D打印技术MELD，属于固态过程的金属3D打印，打印过程中材料未达到熔化温度即可进行打印。它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。
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