全球8種高速金屬3D打印工藝盤點
時間：2022-07-25 11:21 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：“天下武功，唯快不破”，同樣的道理放到增材制造領域依然適用。放眼全球，在制造業如今萬物互聯、智能化制造迅猛發展的浪潮和趨勢下，唯有高效率、高質量的制造模式才能搭上“工業4.0”的快車道，從而真正引領一個新時代的技術革命。
近30年來，金屬3D打印作為最具前景的先進成形技術之一，已經得到了廣泛的發展，市場上出現了許多技術理念超前或者生產效率極高的新型金屬增材制造系統，這也打破了人們對兩大類傳統金屬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了現有8種的高速金屬3D打印技術或設備，從這些案例中可以預見，大尺寸、高產量將會成為未來金屬3D打印的主流方向之一。
①VulcanForms公司的150激光束金屬3D打印機
VulcanForms公司是國外一家依托于麻省理工學院建立的初創公司，由哈特博士和他的一個研究生馬丁-費爾德曼在2015年創立，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，即使用比現有系統多很多的激光束陣列，以解決現有金屬3D打印的速度慢、成本過高和制造缺陷多的三大問題點。
VulcanForms開發的3D打印機高20英尺，重6萬磅，代表著3D打印的技術前沿。現在德文斯的工廠已經裝配了六臺巨型打印機，預計到明年將會增加到20臺。此外，該公司現在已經籌集了3.55億美元的風險資金。員工數量在過去一年里增加了六倍，達到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。
技術原理
- 每臺3D打印機都具有150道激光束，通過龍門架結構投射并快速來回移動；
- 每個打印系統最多可提供100千瓦粉末床的激光功率，是一般打印系統的100倍（最高可提升250倍）；
-
機器采用密封腔結構，在內部充滿氬氣氣氛保護（反應性最低的氣體之一），減少了雜質導致零件缺陷的機會。
△VulcanForms的三維打印使用了比其他系統更多的激光束陣列
△制造流程
②Seurat 200萬激光點的金屬“區域3D打印”技術
自2015年成立以來，Seurat公司一直致力于開發“區域打印工藝”，并打算推廣給汽車、消費技術和工業客戶。該公司的專利"金屬區域打印技術"緣起于勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)，是通過將200多萬個激光點聚焦到金屬粉末床上，實現快速打印最終用途的部件。這項技術的生產力遠遠超過任何現有金屬3D打印技術。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，并有可能進一步提高表面質量和零件的靈活性。
在汽車領域，Seurat公司認為他們的技術可用于生產汽車備件和下一代電動汽車的原型部件。同時，這項技術因為具有可擴展性和無飛濺性，可以成為生產工業應用大尺寸部件的理想選擇。Seurat的區域打印技術突破了每個零件成本的現有障礙，他們的第一代系統與今天的增材制造技術相比，已經可以降低50%的成本。而且將進一步提高效率，未來幾代機器的目標是在2030年擊敗傳統壓鑄工藝的制造成本，這將標志著增材制造作為一種主流技術的突破。憑借著這項高生產效率的技術，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基金領投。然而，這個工藝盡管已經開發了至少六年，在2017年獲得了專利，但目前還未實現商業化。
技術原理：
- Seurat的這種新技術不是增加激光源的數量，而是使用一種全新的光束處理方法來增加每次的熔化量。常規的金屬增材制造系統的光斑直徑為100微米，對于單激光系統，就是使用直徑100微米的激光進行掃描打印。而Seurat系統將200萬個激光點射向15平方毫米的方形區域，每個光點的直徑大約為10微米，也就是說一次打印一個區域；
- 在激光打印照射效率上，Seurat的光斑面積相當于15平方毫米，而常規單激光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現單激光系統1000倍以上的熔融效率；
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在激光打印精度分辨率上，Seurat的精度卻能達到傳統單激光的10倍。
△Seurat200萬個激光的“區域打印工藝”，可以打印金屬件
③SPEE3D高速低成本的冷噴涂金屬3D打印技術
SPEE3D是一家來自澳大利亞的冷噴3D打印機制造商，其獨有的冷噴專利增材制造技術打印金屬零件的速度要以比傳統金屬3D打印方法快100至1000倍。據稱，這項技術也是唯一能夠按需打印金屬零件的工藝之一，其成本比傳統制造更具競爭力，在國防、火箭、海洋等領域都有著廣闊的應用前景。
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打印技術在國防上的應用潛力。該公司的WarpSPEE3D能夠在惡劣的環境條件下運輸和卸載，并在30分鐘內投入使用。據了解，它能夠以每分鐘100克的速度打印重量達40公斤的大型金屬零件，即使在37℃的溫度和80%的濕度下也能打印。除了國防應用，SPEE3D的冷噴技術在火箭發動機部件制造方面同樣有著優秀表現：在短短三個小時內就生產了一個17.9公斤的銅制火箭噴嘴襯墊，成本不到1000美元。
技術原理：
- 冷噴技術不依靠激光或其他熱能來源，而是利用動能，通過高速壓縮的氣流將金屬粉末噴到基體上；
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壓縮的高壓氣體給予粉末材料足夠的能量，使其完成塑性變形以產生一種粘附力與下面的固體零件結合，形成外層包覆層實現基體強化或修復；
△澳大利亞陸軍正在準備WarpSPEE3D打印機的操作。照片來自澳大利亞陸軍
△SPEE3D的金屬3D打印機。圖片來自SPEE3D
④Sciaky每小時18公斤沉積速度的EBAM技術
Sciaky是一家隸屬于飛利浦服務公司的子企業，是工業金屬3D打印解決方案的領先供應商。它們獨有的電子束定向能量沉積增材制造(EBAM®)工藝，是世界上可實現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，受到美國總統拜登的關注
在2022年1月份宣布將向土耳其航空航天工業(TAI)交付世界上最大的電子束定向能沉積(DED) 3D打印機——定制的300系列電子束增材制造(EBAM®)系統后，Sciaky公司在5個月后宣布他們的EBAM工藝已率先實現每小時超過40磅（18.14公斤）的沉積速率，這一記錄是在位于法國的圣埃克蘇佩里技術研究所(IRT)，為航空金屬先進材料
(MAMA)項目打印金屬零件的時候完成的。該公司的EBAM技術可擴展性非常廣，3D打印金屬零件的尺寸可以長達19英尺（6米）。通過層間實時成像和傳感系統，實現很好的質量控制和反饋。這是金屬3D打印市場上，少有的能夠以精確和可重復性的方式，實現實時反饋、自適應的金屬沉積控制系統。同時，該公司還為航空航天、國防、汽車、醫療保健，和其他制造行業提供行業領先的電子束(EB)和先進的弧焊系統，以及世界上最強大的EB車間焊接服務。焊接設備符合歐洲軍標，可制造機身、起落架、噴氣發動機、導彈和車輛零件等物品。
技術原理：
- EBAM屬于定向能量沉積（DED）技術，是一種通過高功率激光或電子束聚焦在金屬材料上，將該區域的金屬熔化以沉積材料的3D打印方法。由于其精細的微觀結構和快速凝固的特性，DED工藝所制備的部件具有優異的機械性能；
- EBAM允許調整混合比，同時通過兩個以上的料斗同時供應多種材料。因此，該工藝可以制造具有各種混合比的多種材料；
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電子束 (EB) 焊接技術能在高深寬比下提供優異的焊接質量，具有最大的穿透和最小的形變。
△采用Sciaky特有的EBAM工藝，為MAMA項目進行3D打印
(責任編輯：admin)
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