南极熊盘点：这20项3D打印技术很烧钱，中国几乎空白

导读：有这么一批3D打印技术，前期研发非常烧钱，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。
  

Seurat的这种新技术不是增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束处理方法来增加每次的熔化量。常规的金属增材制造系统的光斑直径为100微米，对于单激光系统，就是使用直径100微米的激光进行扫描打印。而Seurat系统将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，也就是说一次打印一个区域。详细技术介绍https://www.nanjixiong.com/thread-147596-1-1.html

 

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

Seurat公司首席执行官兼联合创始人James DeMuth说："Seurat正在将一项革命性的技术推向市场，引入新的金融和战略投资者将极大地帮助公司在商业化方面迈出下一步。

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。

五、纳米颗粒喷射3D打印技术

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。

完整技术介绍https://www.nanjixiong.com/thread-138457-1-1.html

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

六、智能分层金属3D打印

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。

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、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。

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。


△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。
 

厉害的是，这种金属3D打印技术，可以使用多种材料作为原料，包括金属粉末和棒材！MELD是一项专利的增材制造工艺，基于类似摩擦焊接的工艺，可用于使用现成的固态材料或粉末来构建和修复金属部件。该过程不涉及熔化，并且能够以增材制造完全致密的零件。
 
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。

九、电磁液态金属3D打印技术

Vader Systems公司的创办者Zack Vader来自美国纽约，另一个创始人是Zack的父亲Scott。后来，这个公司被施乐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。它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
 
△打印出特定形状的金属零件

△复杂的喷头部位

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。

十、节能型金属3D打印技术

自比利时的增材制造初创公司ValCUN，开发了一种新型的节能金属3D打印机：

• 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；

• 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；

• 可以用于批量生产。
  

ValCUN认为他们的技术非常适合生产近网状物体和热交换器，这些都是高密度电池或IT数据处理中心的基本要素。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。"

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。

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。

△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。

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。

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。

总结

南极熊认为，以上的每一种3D打印技术，都可能发展成为一个产业，希望中国加以重视。