創(chuàng)新潮涌：11種新型金屬3D打印技術，改寫制造業(yè)未來

南極熊導讀：隨著3D打印等先進制造技術的不斷進步，制造業(yè)正迎來一場新的變革。在這場變革的浪潮中，新型金屬3D打印技術正以其卓越的創(chuàng)新性和高效率引領著未來的制造業(yè)發(fā)展。與傳統(tǒng)金屬3D打印技術相比，這些新技術在速度、精度和材料選擇等方面帶來了顯著的改進，重新定義了我們對于金屬制造的認知。

當下，粉末床熔融（PBF）、定向能量沉積（DED）等傳統(tǒng)金屬3D打印技術在制造業(yè)中已經(jīng)有了一定的應用，但其受限于打印速度慢、精度不高等問題，難以完全適配大規(guī)模生產(chǎn)、高精度制造等應用場景需求。新型金屬3D打印技術憑借其在成形速度、精度和材料選擇方面的突破，相較于傳統(tǒng)打印方法建立起了獨特的技術優(yōu)勢，為制造行業(yè)帶來新的可能性。在本期文章中，南極熊匯總了近年來11種有代表性的新興金屬3D打印技術，并針對其原理、優(yōu)勢展開了系統(tǒng)分析。

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1、Seurat區(qū)域3D打印技術

美國硅谷金屬3D打印創(chuàng)業(yè)公司Seurat Technologies所開發(fā)的區(qū)域3D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。區(qū)域3D打印工藝的成形速度比傳統(tǒng)激光3D打印技術快1000倍，可讓單個零件的制造成本大大降低。同時，該技術打印的部件具有更高的精度，光斑直徑可小至10微米，區(qū)域處理速度突破了擴展性的限制。

技術原理：Seurat新技術基于一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量，其激光器系統(tǒng)一次可將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，一次即可成形一個區(qū)域。

Seurat通過區(qū)域打印進行操作，從而實現(xiàn)激光強度的完全控制。調(diào)整熱作用可以最大限度地減少飛濺、控制微觀結構和降低殘余應力。Seurat區(qū)域3D打印技術，使用高速視頻，材料分析和多物理場建模，來表征激光和粉末之間相互作用的影響解決基礎物理問題，可以很好應用在能源領域，例如輕型車輛、熱交換器、新型高性能部件。

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2、XJet納米顆粒噴射技術（NPJ）

NPJ 3D打印技術是由以色列公司XJet研發(fā)的一種新型陶瓷和金屬3D打印工藝，并配備了專有的NPJ打印裝置，可對多種陶瓷及金屬材料進行精密打印。這種增材制造工藝并不使用金屬粉末原料，使用填充了納米金屬顆粒的“墨水”來制造3D打印零件。

技術原理：將大分子金屬顆粒粉碎成納米級金屬顆粒，與特殊粘合墨水混合成金屬墨水。金屬墨水通過NPJ打印機的特制陣列噴嘴精密沉積到構建平臺上，液體蒸發(fā)，留下了固化的金屬熔融層。金屬墨水逐層噴射堆積完成構建，層厚可小于2微米，所成形的零件具有很高的精度和優(yōu)異的表面光潔度。

NPJ技術的優(yōu)勢在于能使用普通的噴墨打印頭作為工具，無需借助任何外力即可通過專門的技術融化去除支撐結。不同于傳統(tǒng)選擇性激光燒結（SLS）等金屬3D打印工藝，NPJ能夠顯著減少原料浪費、降低成本，而且能給予設計師更大的設計自由。因為它是通過融化去除的，理論上可以無限添加。

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3、電化學沉積金屬3D打印技術

電化學沉積金屬3D打印技術是由位于圣地亞哥的初創(chuàng)公司——Fabric8Labs開發(fā)，該工藝不使用粉末或熱處理工藝，而是基于電化學沉積原理，在室溫下運行，功率需求大大降低。打印原料為低成本金屬鹽制成的水性（水基）溶液，結合普通工業(yè)的原材料和節(jié)能工藝，可以大大降低3D打印機的設備成本和打印成本，實現(xiàn)重大變革。

技術原理：電化學金屬3D打印系統(tǒng)基于擠出原理，打印頭是一個裝滿電鍍液的注射器，在很小的區(qū)域上電鍍。打印速度相對較慢，如果太快，性能效果將大打折扣。通過使用帶有不同電解質(zhì)的打印頭，可以使用不同的金屬進行打印。例如，下圖顯示了由銅和鎳制成的電化學金屬3D打印結構，通過反轉(zhuǎn)電流可以實現(xiàn)去除金屬而不是沉積金屬。

電化學金屬3D打印可實現(xiàn)超高精度成形，通過使原材料在原子水平上快速沉積，實現(xiàn)具有受控微觀結構、表面光潔度和密度的高分辨率、精密零件；打印零件零收縮、高懸垂、無熱后處理，并且能夠打印獨立部件或直接構建到現(xiàn)有基材上，大幅擴展設計空間；無需昂貴的金屬粉末或能源密集型熱處理，僅需在室溫下使用普通的金屬鹽來打印，解鎖以前受成本限制的新應用；憑借完全可回收的金屬原料和低能耗，該工藝在不影響設計能力的情況下實現(xiàn)了可持續(xù)性。

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此外，來自瑞士超微細微納級金屬3D打印公司Exaddon開發(fā)了另一種電化學沉積微納級金屬3D打印技術——CERES，可用于在微米級別上進行金屬的3D打印微制造（μAM）。技術原理為：將一個名為iontip的小3D打印噴嘴，浸入懸浮電解液中。精確調(diào)節(jié)氣壓將包含金屬離子的液體推進離子頭內(nèi)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。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。

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4、高速冷噴涂金屬3D打印技術

冷噴涂金屬3D打印是一種近年來新興的固態(tài)增材制造工藝，它可以在工件上形成金屬涂層，也可以用來形成整個零件。該技術在1980年代由俄羅斯科學院西伯利亞分院理論與應用力學研究所的研究人員開發(fā)出來，他們意識到可以在室溫下用氣流沉積固體顆粒。這項技術近年來在軍事、國防和海洋等領域得到了廣泛應用。

技術原理：利用加壓氣體（如空氣、氮氣或氦氣）在高溫下作為推進氣體，通過一個特殊設計的收斂-擴張噴嘴將金屬甚至陶瓷粉末原料加速到速度從300到1200 m/s。當這些高速粉末顆粒撞擊基底（這里的基材通常是金屬）表面時，它們經(jīng)歷嚴重的塑性變形，然后沉積形成薄涂層或塊體沉積物。冷噴涂沉積物的形成主要依靠撞擊前的顆粒動能而非熱能，因此在整個沉積過程中，冷噴涂顆粒始終保持固態(tài)。顆粒的固化主要通過機械咬合和顆粒間界面的局部冶金結合實現(xiàn)。噴涂過程是結合噴嘴和機械臂完成的，機械臂和噴嘴兩者都可進行移動。

澳大利亞Titomic和SPEE3D公司、中國超卓航科和德國林德等都是冷噴涂金屬3D打印技術的典型應用廠商和技術開發(fā)者。其中，SPEE3D公司的專利 “超音速顆粒沉積”技術已經(jīng)被應用到澳大利亞、美國、英國和日本的國防領域，該技術比傳統(tǒng)金屬3D 打印（例如粘合劑噴射和 DMLS）技術要快上 1000 倍，由 WarpSPEE3D 3D 金屬打印機提供。

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5、無支撐金屬3D打印工藝

在金屬增材制造過程中，支撐物的添加和去除一直以來都是一大難題。以直接金屬激光燒結(DMLS) 為例，打印前需要為模型預設支撐結構以避免熱應力引起的變形并將熱量從熔池中傳導出去。倘若沒有支撐物，就難以打印出低于一定傾斜角度（通常45°左右）的懸撐結構，這往往限制了金屬3D打印系統(tǒng)用戶的選擇，也為許多設備OEM和增材制造軟件公司帶來了極大的挑戰(zhàn)。這些支撐結構在構件建造完成后需要被拆除并丟棄，也帶來了材料浪費、增加后處理成本等問題。所以，開發(fā)少支撐甚至無支撐的金屬3D打印工藝是最多金屬3D打印公司一直致力于攻克的難題。

△EOS 打印的 316L無支撐葉輪

近年來，已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)有多家金屬增材制造廠商發(fā)布了無支撐/少支撐金屬3D打印技術，有的廠商發(fā)布工藝軟件，有的甚至已經(jīng)發(fā)布了設備。例如：

• 2018年，美國加州Velo3D在國際制造技術展（IMTS）上首次披露了其藍寶石DMLS系統(tǒng)，是探索無支撐3D打印的先行者。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，消除了支撐結構。
• 2021年5月，德國金屬3D打印廠商SLM Solutions，作為全球多激光金屬打印的領導者，在亞洲TCT上展出了一批高質(zhì)量的應用樣品，還有最新的FreeFloat無支撐技術。
• 2022年11月，德國EOS專家提出無支撐金屬3D打印優(yōu)化方案，可實現(xiàn)封閉葉輪的無支撐打印；2023年4月，EOS正式宣布推出可進行激光調(diào)整的 Smart Fusion 軟件，消除了對大量支撐結構的需求，最大限度地減少了材料使用，減少了后處理要求。
• 2023年5月，南極熊拜訪易加三維，公司已經(jīng)開始把無支撐金屬3D打印工藝應用到部分設備上；在9月份的亞洲TCT上展示了相關的零件，完善調(diào)試的較成熟的工藝參數(shù)，部分客戶已經(jīng)在使用當中。
• 2023年6月，鉑力特宣布已經(jīng)研究出無支撐金屬3D打印的技術方案，并且展示了采用無支撐技術打印出的多種類型零件。
• 2023年9月，華曙高科攜重磅新品、超大尺寸解決方案、少支撐工藝等亮相2023TCT Asia。
• 2023年9月，漢邦科技在TCT上展示了能夠?qū)崿F(xiàn)15-25°傾斜特征的無支撐成形，很大程度的減少了零件對支撐結構的依賴。
• 2023年9月，倍豐科技在TCT上展示了已經(jīng)實現(xiàn)15°及以上角度的無支撐打印，功能植入到倍豐自研軟件中。
• 2023年9月，德國通快集團（TRUMPF）對其 3D 打印軟件 TruTops Print 進行了改進，以幾乎無需支撐結構即可打印出懸角低至 15 度的金屬零件。
• 2024年2月，金石三維核心科研團隊——華南理工大學楊永強教授和王迪教授等在《中國激光》期刊聯(lián)合發(fā)表了題為《激光選區(qū)熔化成形低角度無支撐結構的方法與工藝研究》的特邀論文，對無支撐金屬打印的成形機理、樣件表面質(zhì)量以及成形方法的適用性進行了探究，同時使用實際工業(yè)零件進行了打印驗證。
• 2024年3月，鐳明激光憑借豐富的行業(yè)經(jīng)驗，對激光選區(qū)熔化技術的多個關鍵環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)性探索，進一步優(yōu)化打印策略，研發(fā)出新的工藝技術方案，實現(xiàn)了小角度（5°～35°）零件的無支撐成形。
  

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6、智能分層金屬3D打印

美國3DEO是智能分層（IntelligentLayering）金屬3D打印技術的開創(chuàng)者。該公司宣稱，利用其智能分層技術，能夠大批量生產(chǎn)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(chǎn)出表面質(zhì)量優(yōu)異、成本結構低廉、功能精細的金屬部件。

技術原理：依靠專用噴嘴在金屬粉末床上噴射粘合溶液，然后使用數(shù)控銑床按照零件的輪廓和內(nèi)部特征進行加工。打印后的生坯在高溫爐中燒結以達到最終的固體密度。

△在智能分層過程中經(jīng)過CNC加工的金屬零件

3DEO智能分層技術能夠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。該技術同時解決了金屬增材制造的高成本和低產(chǎn)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。

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7、增材攪拌摩擦沉積技術(AFSD)

美國MELD制造公司是增材攪拌摩擦沉積（AFSD）工藝的開發(fā)者，該工藝因其固態(tài)性質(zhì)而被認為是 3D 打印領域的游戲規(guī)則改變者，這一獨特功能使其有別于傳統(tǒng)的高能束融合工藝。與涉及熔化金屬的增材制造方法不同，MELD 的固態(tài)打印可以使用 7075 和 2219 鋁等合金進行打印，這對于航空航天等優(yōu)先考慮輕質(zhì)部件的行業(yè)至關重要。此外，MELD可以生產(chǎn)廣泛使用的鋁合金 6061 零件，無需特殊粉末或合金。MELD工藝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。

技術原理：采用空心旋轉(zhuǎn)軸，內(nèi)部嵌套進料桿，將固體材料向外軸向擠壓送料。當送料桿接觸到下面的基材時，它開始涂抹并通過摩擦粘在基材上，發(fā)生塑性變形，但絕不會熔化。快速旋轉(zhuǎn)的工具具有加熱材料的作用，使其具有足夠的可塑性，從而發(fā)生如此嚴重的塑性變形。一旦第一層被涂上，送料桿就會被簡單地抬起并推回，以打印更多的層，直到最后的三維部件完成。

△增材攪拌摩擦沉積技術。照片來自MELD制造公司。

作為一種固態(tài)工藝，MELD可以生產(chǎn)出具有較低殘余應力和全密度的高質(zhì)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(chǎn)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(zhì)量。此外，MELD 打印機通過使用標準的金屬棒，消除了與金屬粉末相關的危險性，可進行露天打印。這使得 MELD 機器能夠經(jīng)濟地生產(chǎn)非常大的零件，在軍事維修領域展現(xiàn)出巨大的應用前景。美國陸軍已經(jīng)充分利用 MELD 大規(guī)模打印能力的潛力，聯(lián)合多家研究機構開展了大型無縫船體項目，并打印出直徑可達3.05m的超大鋁材圓柱體。

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8、電磁液態(tài)金屬3D打印技術

電磁液態(tài)金屬3D打印技術源于Vader Systems公司，該公司目前已被施樂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。

技術原理：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(chǎn)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

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。

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9、線材熔融金屬沉積(MMD) 技術

熔融金屬沉積技術（MMD）是由比利時金屬3D打印初創(chuàng)公司ValCUN自主研發(fā)的全新金屬3D打印技術。該技術使用一種新的能量源代替激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)更低的成本更高效地打印。MMD技術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，可用于批量生產(chǎn)。

技術原理：金屬絲原料被熔化并直接擠壓成最終部件，在熔融金屬沉積中，長絲線由進料器送入加熱室。金屬在這個加熱室中熔化。腔室底部有一個噴嘴，液態(tài)金屬通過該噴嘴擠出。擠出的金屬與前一層（或基材）融合，形成零件。在該過程結束時，該部件可以很容易地從基板上分離。

與其他金屬3D打印技術相比，MMD可快速升級且易于使用，所使用的原料是市售的焊絲，無需昂貴的金屬粉末和相關成本或?qū)Ｓ信浞�，可以降低成本；MMD過程僅需金屬直接熔化和沉積，不涉及粘合劑，因此不需要脫脂或燒結后處理；MMD技術由于凝固受控，可打印高達 75 °懸垂和 25 毫米橋的無支撐部件；以低熱梯度打印，可確保部件的殘余應力、變形和開裂問題可忽略不計。MMD技術目前主要針對鋁材料開發(fā)，因為大多數(shù)增材制造技術并不是最適合生產(chǎn)鋁的技術。

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10、3D納米金屬打印技術

來自上海科技大學物質(zhì)科學與技術學院馮繼成課題組和韓國釜山國立大學研究人員提出了一種新型3D納米打印機，可用于打印從單一金屬到多種材料組成的結構，包括各種周期陣列和復雜的納米結構。

技術原理：打印在環(huán)境條件下進行，通過氣相方法來合成氣溶膠納米顆粒，其中一些顆粒帶電，并在圖案化光致抗蝕劑 (PR) 的幫助下，將電場映射到 3D 幾何形狀。通過控制施加的電場和調(diào)整流場，精確選擇納米顆粒 (NP) 的尺寸作為原位打印的構建塊。納米粒子的幾何平均直徑為3-5 nm，幾何標準偏差為1.2-1.4。

△通過3D打印納米結構繪制局域場。

3D納米金屬打印技術可打印窄至14nm的金屬線，以及多種材料復雜的3D納米結構的周期性陣列，具有高均勻性、效率和純度。電場和流場是耦合的，以使NPs的大小可以根據(jù)其電遷移率的差異來選擇，消除了材料性質(zhì)的影響。

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11、新型定向能量沉積技術

定向能量沉積（DED）技術常被用于制造大型金屬構件，因為其具有很高的沉積速率。然而，傳統(tǒng)電弧增材技術的能量輸入高，通常會導致在相對較高的沉積速率下，出現(xiàn)高度重熔、再加熱和晶粒粗化的問題，從而降低制件的機械性能。

來自英國克蘭菲爾德大學的研究人員提出了一種新型電弧增材DED工藝，將氣體金屬�。℅MA）工藝和外部冷絲相結合，即冷絲氣體金屬�。–W-GMA），實現(xiàn)高沉積速率和低材料重熔。通過添加冷絲，顯著減少重熔現(xiàn)象，增強了制件強度并降低了各向異性。

△線弧增材制造(WAAM)技術示意

國內(nèi)南京工業(yè)大學等機構提出了一種新的集成增材制造技術——振蕩激光熔化沉積。技術原理為通過對激光熔池施加外部作用力，使得熔池內(nèi)的攪動、流動變化更劇烈，從而誘導晶粒細化和柱向等軸轉(zhuǎn)變。所施加的激光振蕩路徑包括線性、圓形、8形和無限形。

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END

南極熊認為，新型金屬3D打印技術的不斷涌現(xiàn)和創(chuàng)新為制造業(yè)帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。這些技術不僅改變了傳統(tǒng)制造方法，也重新定義了產(chǎn)品設計和生產(chǎn)流程。通過提高生產(chǎn)效率、精度和材料選擇范圍，新型金屬3D打印技術為制造業(yè)的未來發(fā)展注入了新的活力和動力，亦是名副其實的新質(zhì)生產(chǎn)力。

隨著技術的不斷演進和應用的不斷拓展，我們有信心看到金屬3D打印技術在航空航天、醫(yī)療、汽車等領域發(fā)揮著越來越重要的作用，助力制造業(yè)朝著智能化、高效化和可持續(xù)發(fā)展的方向邁進。但同時也應看到我國在新型金屬3D打印領域的探索研究匱乏，與國際前沿技術有著不小差距，甚至完全空白。未來，我們?nèi)孕枵�視差距、補齊短板，不斷創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展新型金屬3D打印技術，進一步推動我國制造業(yè)向著更加智能、高效的方向邁進。

厲害啊