導讀：2021年，中國金屬3D列印市場應用取得迅猛發展，已經出現一批企業，其金屬3D列印機年出貨量超50台，甚至達100台。從産品和技術的角度來說，這過去的一年，國内出現了哪些具有突破性的金屬3D列印技術呢？南極熊3D列印網根據技術難度、創新性、行業影響力等因素，評出2021年國内重量級金屬3D列印機。
1、清研智束突破大幅面金屬3D列印電子槍陣列掃描技術
2021年11月30日，南極熊獲悉，天津清研智束科技有限公司利用我國自主研發的2×2電子槍陣列，完成了直徑400mm钛合金零件的列印，标志着我國在全球率先實作了大幅面電子槍陣列掃描，為進一步實作大尺寸電子束選區熔化（EBSM）技術奠定了堅實的基礎。
△電子槍陣列掃描制備的钛合金零件（直徑400mm）
電子束選區熔化(Electron Beam Selective Melting，EBSM) 是一種基于高能電子束的粉末床熔融增材制造技術，可以用于空心、多孔、網格等複雜整體結構的加工制造，實作産品結構輕量化和高性能化。
EBSM技術具有能量效率高、功率大、粉末床溫度高、制件内應力低等特點，可實作钛合金、钛鋁合金、高溫合金、難熔金屬等高性能、難加工材料複雜構件的增材制造，且成形效率高、成本低，可以滿足規模化量産、應急狀态的快速響應制造需求，已經被歐美國家應用于航空航天、醫療器械等行業金屬零部件的規模化制造。但EBSM裝置和工藝的難度較高，目前隻有少數國家掌握，而且都為單電子槍技術，成形幅面小，成形零件尺寸受限，難以滿足航空航天大型構件制造的需求。
十三五期間，天津清研智束科技有限公司與清華大學、中科院電工所等機關合作，承擔了科技部增材制造與雷射制造重點研發計劃“大功率、長壽命、多模式電子槍及陣列研發與增材制造中的應用”項目。在項目支援下，突破了國産長壽命、高穩定性電子槍設計制造技術，研發成功配備2×2電子槍陣列的大幅面EBSM研究驗證樣機，解決了槍間幹擾、掃描拼接、多槍內建等技術難題。經過項目團隊的刻苦攻關，在全球首次實作了基于電子槍陣列的大尺寸钛合金零件EBSM成形，使我國在此領域走到了世界前列。
△配備2×2電子槍陣列的大幅面EBSM研究驗證樣機（掃描幅面430mm×430mm）
電子槍陣列技術的突破，不僅意味着我國在大尺寸EBSM增材制造技術上取得了關鍵性的技術進步，而且表明我國已全面掌握了EBSM技術，特别是EBSM工業化應用依賴的高精度、高可靠性電子槍系統實作了自主可控，為EBSM這一高效、高性能的增材制造技術在我國的工業化應用提供了保障。
此次項目的牽頭機關——天津清研智束科技有限公司自主研發的3kW單晶陰極電子槍的陰極壽命已達到800小時以上，達到了國際同類産品的水準。同時，為保障電子槍陣列掃描，該公司還研發了電子槍狀态監控、電子槍自診斷自恢複以及加工參數實時修正等功能，確定了多槍複雜系統的穩定運作。
2、鉑力特推出10雷射金屬3D列印機S800，邁進大·生産時代
南極熊獲悉，2021亞洲3D列印、增材制造展覽會 (TCT Asia)上，金屬3D列印上市公司鉑力特推出了10雷射器金屬3D列印機BLT-S800。
△BLT-S80
BLT-S800是本次展會鉑力特重磅釋出的新産品，現場展示的是十個雷射器裝置，其應用領域包括航空、航天、發動機、醫療、汽車、電子、模具、科研院所，材料支援钛合金、鋁合金、高溫合金、不鏽鋼、高強鋼、模具鋼，成形尺寸為800mmX800mX600mm。BLT-S800最大的特點是大尺寸高效成形能力，可以選配6/8/10個三種多雷射方案，是自動化、智能化的集大成之作。
應零件應用需求而生
回轉體零部件是航空航天發動機應用中較為常見且重要的零件結構類型，一般尺寸在 Φ800mm内，成品零件不僅需要達到較高的精度、性能和品質标準，受研制和制造節奏的影響，這類型零部件的生産需要較高的生産效率保障。
BLT-S800的成形尺寸突破至800mm×800mm×600mm，可更大程度上滿足大尺寸零件的成形要求，解決高端應用領域大尺度異形空間曲面特征、多特征跨尺度結構、镂空網狀及空間連續拓撲包絡等複雜結構的一體化成形難題。
十雷射先進技術，多光拼接品質穩定
多個高品質光纖雷射器關聯協同列印，10光裝置效率相較6光裝置可提升30%以上，大幅提升列印效率。同時裝置采用雙向鋪粉技術，減少單向鋪粉的無效時間，提升零件列印效率。在保證零件品質的前提下，裝置最高列印效率可達250cm3/h（與零件的形狀、尺寸、材料和參數有關，與裝置雷射數量有關）。
鉑力特擁有先進的多光拼接技術，可保證材料在不同批次、不同成形區域内能量輸入和力學性能的一緻性和穩定性。
鉑力特采用自研的功率校正系統，使雷射功率輸出穩定一緻精度可達±5W。具備成熟的流場設計，有效保證粉層厚度，并将燒結産生的大顆粒大量帶走，提高零件表面品質，減少缺陷，使滿幅面成形效果更好更穩定。
鉑力特将多光拼接等關鍵技術進行了內建優化，使列印幅面上搭接區與非搭接區的各項力學性能（抗拉強度、屈服強度、伸長率和斷面收縮率）偏差均控制在5%以内。
“超長待機”過濾器，穩定生産
BLT-S800裝置标配永久型燒結闆過濾器，實作過濾系統“超長待機”，大幅度降低裝置耗材成本及人力成本，提高裝置使用率。此外，對裝置内部風速進行實時監測并采用閉環控制，使吹風更穩定。
自動供粉不停機，保品質
自動供粉系統應用于不鏽鋼、模具鋼、钛合金、高溫合金及鋁合金等粉末供粉。整個供粉系統在惰性氣體保護下進行運作，且集氧含量、壓力、濾芯差壓、物位檢測等多種實時檢測，可實作裝置粉末自動添加，生産過程不間斷，用過程管控保證零件成形品質。該粉末供給系統采用高度相容化設計，使得一套供粉系統可服務于一台或多台同型号或不同型号的BLT金屬增材裝置。
沉澱多年生産經驗，智能軟體為零件品質保駕護航
出光掃描前，BLT-MCS根據工作平台光栅尺回報的實際位置計算得到零件列印的實際高度，并與剖分檔案理論高度比較，如果誤差超過品質要求，則提示需要軟體自動補償或者停機檢查。避免不可控因素導緻的零件高度丢失，提高列印一次成功率。
鉑力特擁有多年的列印經驗，積攢了大量的鋪粉缺陷資料。在監測過程中，監測系統會把發現的典型鋪粉缺陷：例如鋪粉缺粉、刮刀卡停、鋪粉剮蹭、鋪粉抖粉、粉末雜質較多，平台小區域塌陷等圖像特征進行分類，然後通過網絡提取資料庫資料進行對比并引入神經網絡的算法經過多輪疊代，形成修複方案。
3、西帝摩2米大尺寸金屬3D列印機XDM 2000
△XDM 2000
蘇州西帝摩在2021 TCT展會上釋出超大型雷射選區熔化裝置 XDM 2000，它使用了6套振鏡系統，金屬3D列印台面成型尺寸達2000mm×2000mm，在同類産品中已屬最大機型之一。
移動式掃描系統
裝置采用了單列6套振鏡6個工位并行移動掃描方案，具體的實作方式是：将2000mm×2000mm的加工台面分成大小相等的6×6個區域，單列6個區域分布6套振鏡系統，在開始加工時6套振鏡同時工作，目前工位掃描完成後移動振鏡平台到下一工位，然後6套振鏡同步掃描，依次掃描完成6個工位的加工後結束本層掃描，等待鋪粉完成後接着進入下一循環，直至整個零件加工結束。這樣，6套并行的同步掃描方法即能實作加工的高效性，也大幅減低了成本。
移動式煙塵處理裝置，将“大”化小
産品設計了一種可移動式的吹吸煙裝置，該裝置随着振鏡的位置同步移動，如下圖所示，吹吸煙裝置與雷射振鏡一樣，在移動過程中具有六個工位，是以在成型倉兩側分别設計了6個管道接口，用于各個工位吹吸煙的氣體對流，當吹吸煙裝置移動至該位置時，管道接口處的電磁鐵啟動将吹吸煙管道結合，形成循環的氣體對流環境，然後雷射振鏡開始掃描，加工中産生的煙塵便能在這樣的氣體對流環境下得到有效處理。将2000mm跨距煙塵處理問題轉化為350mm跨距。
4、華曙高科8雷射金屬列印機FS721M，列印效率創新高
随着3D列印技術向産業化應用的縱深發展，增材制造朝着多雷射、大尺寸、高效率、低成本方向發展，由此帶來了列印品質、穩定性、一緻性等方面的衆多新挑戰。基于汽車行業産業化使用者的個性化需求定制，工業級3D列印領航企業華曙高科于2021年5月率先釋出了8雷射金屬增材制造技術及配置8雷射的FS721M裝置，并在2021 TCT亞洲展上連續3天現場展示其燒結過程。
目前，國際一線品牌大型裝置的成型效率大約在200-250ml/h，華曙高科8雷射FS721M配置了8個1000W的雷射器，結合大層厚工藝，8雷射FS721M成形速率最高可達250-300ml/h，創下了金屬3D列印效率的新高度。FS721M擁有720×420×420mm大尺寸成型缸，能滿足大尺寸、複雜結構、産業化增材制造需求，成型材料包括钛合金、鎳基高溫合金、鋁合金、不鏽鋼等。同時，FS721M配備惰性氣體保護下的高效粉末處理系統和循環過濾系統，通過智能切片算法及獨特的風場設計和多雷射協同掃描，確定成型品質。
△8雷射FS721M成形速率最高可達250-300ml/h
該裝置雖然雷射器成本增加了，但是因為列印效率的提升，使得使用者的總體列印成本降低了，由此獲得了使用者的認可。截至2021年12月，華曙高科3D列印裝置在全球用戶端裝機量超600台，其中400mm以上尺寸中大型金屬裝置超過80台，憑借持續的創新和過硬的産品力，華曙高科持續引領工業3D列印市場。
自主研發軟體支援深度開發和功能定制
華曙高科自主研發的增材制造一體化開源軟體作業系統，集合制造與故障診斷溫場控制、遠端監測、資料回報與內建控制等功能于一體，是将增材制造多個子產品功能內建一體的系統控制軟體，也是具有開源性特征的3D列印軟體系統，突破了歐美增材制造企業原有封閉式軟體的技術局限，成為本領域開放式軟體平台。
目前，華曙高科全系列增材制造系統，開放多類核心關鍵技術參數，支援使用者深度開發和功能定制：
● 雷射類參數（例如雷射功率、雷射光斑等）
● 路徑規劃類參數（例如條帶分區、上下表面分區政策等）
● 運動控制類參數（例如鋪粉速度、鋪粉層厚等）
● 尺寸校準類參數
● 支撐設計類參數
通過裝置和材料的最佳比對獲得最好的工件品質和性能，同時相容第三方軟體如西門子NX軟體、Netfabb等。
全面實時監測系統保駕護航
在列印過程中，金屬粉末熔化過程相當複雜，充滿挑戰性，金屬的相變、冷卻速度以及其他工藝參數都将影響金屬粉末的熔凝過程及組織結構。FS721M配備全面實時監測系統，能進行鋪粉檢測、報警處理、品質追溯，能實時掌握每層雷射掃描完後成型情況，并進行每層鋪粉檢測及智能處理，品質可追溯，有效保證裝置高産值高成品率，為裝置穩定運作保駕護航。
△輕量化翼舵
産品尺 ：665*55*252mm
列印裝置：FS721M
列印材料：FS IN718
應 業：航空航天
采用點陣、蜂窩、栅格骨架蒙皮 體化，内部點陣填充，産品減重60%。同時，縮短加 周期，降低成本，綜合性能提 20%。
5、易加三維EP-M650系列型産品 · 四雷射大尺寸金屬增材制造系統
南極熊獲悉，EP-M650系列産品采用MPBF金屬粉末床熔化技術，配置四雷射四振鏡、多雷射精準定位+拼接區精度控制技術，保證裝置的高品質、高效率及高穩定性列印，其中基礎型裝置配置的成型室尺寸可達655*655*800mm3。可實作钛合金、鋁合金、鎳基高溫合金、模具鋼、不鏽鋼、钴鉻钼等材料的列印，适用于航空、航天、軍工等領域大尺寸、高精度和高性能零部件的直接制造。
EP-M650孵化于國家重點研發計劃“增材制造與雷射制造專項”——“大尺寸粉末床選區雷射熔化增材制造技術與裝備研發”項目（北京易加三維科技有限公司為該項目的牽頭承擔機關）。目前，該裝置已批量生産，正式投放并服務市場。
裝置研發過程中，易加三維攻克了多個大型增材制造裝置的共性技術難點，包括光束品質控制、多雷射拼接精度控制、循環風場均勻化、循環過濾系統穩定性優化、多雷射路徑規劃、線上品質檢測等關鍵技術，并通過技術延伸開發出系列化共有平台裝置。根據客戶需要，該系列裝置成型高度方向的尺寸可定制，最高可達2000mm。
高效率，高産能
基礎型EP-M650成型室尺寸655*655*800mm3 , 體積 >340L; 配備四雷射，成型速度最大可達120cm3/h, 相比單雷射列印效率提升3.5 倍；可實作大層厚列印（≥60μm），進一步提高産能。
品質穩定，一緻性好
卓越的高光束品質 (M2≤1.1) 及細節分辨率，保證了列印零件的成型精度及力學性能；列印拼接區精度偏差≤±0.1mm, 力學性能一緻性較單雷射無明顯差異；風場結構優化設計，保證煙塵、飛濺的有效去除，全幅面零件列印均勻一緻。
人性化設計，自動化程度高
使用者界面友好，具有一鍵列印功能；列印完成後，可通過控制軟體 “一件取件”，成型缸自動移出，側滑至清粉子產品；列印過程中裝置資訊實時顯示，列印完成後自動生成電子版列印報告。
實時監測，安全性高
安全設計，防誤操作、防觸電、防火、防污染；裝置整體密封性好，粉末使用與回收均處于封閉狀态；工作環境和氣源狀态實時監測，安全可靠。
易加三維秉承“以技術驅動發展”的理念，在增材制造領域深耕細作，務實創新，為工業化生産提供更專業、更可靠、更适用的生産制造級3D列印裝置，以實際行動助力制造業産業更新。
6、天津鐳明1.5米高尺寸金屬3D列印機LiM-X650H
天津鐳明LiM-X650H在2021年6月份研制成功，可列印零件尺寸為650mmx650mmx1500mm，屬國際領先水準，特别是列印縱深，為可商業化銷售的金屬增材制造裝置中的最高水準之一；該裝置搭載完整閉環的粉末自動輸送系統，零件列印全程無需人工幹預粉末上下料及篩分過程，配備零件粉末清理回收子產品，高效、實用、安全。
鐳明雷射的LiM-X650H裝置配置4台1000W雷射器，最高可增至8台，配合優化後的工藝參數，成型效率大幅度提升；光學系統采用高品質數字掃描振鏡和f-theta鏡，掃描精度高且運作穩定；采用燒結闆過濾系統，濾芯壽命長，列印過程不中斷，避免了更換濾芯或濾芯清潔所造成的停機，同時提升了安全性；此外，獨特的落粉鋪粉系統為列印工藝提供高品質粉層，可切換的粉末輸送系統為便捷生産提供基礎功能，有趣的篩分機構為超長列印過程提供可靠保障，10L/min的輸送效率為高速列印提供充足原料。
LiM-X650H系列裝置可廣泛應用到航空、航天、汽車制造等各領域，已有钛合金、高溫合金、鋁合金等材料成熟的列印參數包，該裝置在成形效率、列印品質、使用成本等方面均有優異表現，已成功為某航天客戶列印高度為1400mm的零件，得到客戶認可。
7、武漢天昱全新一代智能鑄鍛銑短流程綠色複合制造機床建成投運
2021年7月1日，南極熊獲悉，立志于“高端領域重點突破和傳統産業轉型更新”的武漢天昱智能制造有限公司，建成投運“全新一代智能鑄鍛銑短流程綠色複合制造機床”（TY4000L）。該機床面向國家高端裝備高品質短流程制造之急需，将金屬增材-等材-減材合三為一，融合了武漢天昱在設計、材料、工藝、軟體、核心器件及産品複合制造方面的經驗耦合，內建國産數控機床主機、數控系統、功能部件及萬向微鑄鍛系統，具有完全自主知識産權，是武漢天昱核心技術—“金屬3D'微鑄鍛'技術”産業化應用的第四代大型全剛性惰性氣氛保護快速制造裝備。
全密閉氣氛環境成形尺寸更大
TY4000L有效成形尺寸達3m×2m×2m，相比前期版本，全密閉環境成形體積擴大6倍以上。
功能內建智能化程度更高
TY4000L将微鑄鍛銑系統、線上監測系統、回報修複系統、氣氛保護系統全面子產品化進行中控，相比前期版本，回報調節響應效率更高，裝備運作更穩定。
産品覆寫範圍更廣
TY4000L首次配備複雜成形鑄鍛頭，可實作密閉環境下電弧/等離子弧雙熱源雙送絲自由切換，多工序無縫銜接，在保證成形品質的同時，效率大幅度提升，覆寫更多特殊材料及複雜特征高端鍛件制造需求。
天昱智造首席科學家、華中科技大學張海鷗教授團隊潛心20餘年發明的多場調控雷射/電弧微鑄鍛銑一體化智能制造高性能大型金屬構件技術(簡稱“智能微鑄鍛”技術)，突破了“鑄鍛同步、控形控性、缺陷監測、自主修複”等難題，融合3D列印、半固态快鍛、柔性機器人三項重大技術，将金屬增材-等材-減材制造合三為一，可用一台裝置制造鍛件級零件，無需重型裝備與巨型模具及二十多次反複加熱與成形加工。
該技術全面提高制件強度、韌性、疲勞壽命及可靠性，變革了國内外鑄鍛分離的傳統制造模式，屬于颠覆性創新與領跑國際的先進制造技術，在低成本、高效率成形高性能大型複雜零件關鍵技術與工藝上獲得重大突破，兼具增材制造的複雜結構、無模、輕量化優點和傳統鍛造零件的高品質。産品性能獲權威機構測試認證和使用者充分肯定：國際3D列印權威白皮書Wohlers Report評價“發明了新穎的鑄鍛銑複合增材制造技術”；國際電弧成形先驅Cranfield大學評價“原位軋制改善微觀組織性能、形貌、應力、變形”；應用機關認為“制造周期僅為傳統方式的1/3，性能超過鍛件”；成果鑒定“整體技術居國際領先水準”。
8、升華三維突破大尺寸難熔金屬的3D列印技術
△鎢合金屏蔽件
粉末擠出列印技術（Powder Extrusion Printing，PEP）是由升華三維提出的，結合“3D 列印”和“粉末冶金”的一種新型 3D 列印方法。第一步控制材料成型，在低溫下（300℃）成型複雜的難熔金屬結構件的生坯，然後經過高溫燒結，最終實作大尺寸（500mm*500mm*600mm）、成分均勻、複雜結構的高性能産品制備。
基于粉末擠出列印技術，升華三維自主研發了大尺寸獨立雙噴嘴間接3D列印機UPS-556，具有大幅面列印尺寸，有效列印尺寸高達500mm×500mm×600mm，通過獨立雙噴嘴設計，可以同時列印雙材料，具有自動進料功能，可以實作連續不間斷列印72h以上。UPS-556具有操作簡單、高精度、高品質和高成本效益等優點。
△UPS-556
對于高比重鎢合金，由于成分多樣，性能差異大，熔點最高相差2400℃，且各元素飽和蒸氣壓不同，采用SLM技術無法保證各合金成分的可控性和精确性。而PEP技術，通過低溫段成形，高溫段成性的方式，進而有效地解決這個問題。
升華三維聯合中南大學和天津大學采用UPS-556開發了合适的列印工藝，成功制備了高密度99.1±0.2%，拉伸強度為801MPa，延伸率為22.1%的高比重鎢合金（96W-2.7Ni-1.3Fe）。熱處理後，性能進一步提高,拉伸強度為838MPa，延伸率達到了26.1%。對于難熔金屬材料而言，PEP技術是一種新的3D列印方法。
南極熊獲悉，升華三維還正在開發列印尺寸1m*1m*1m以上的超大尺寸金屬/陶瓷間接3D列印機。
9、Raise3D上海複志推出FFF桌面級金屬3D列印裝置
2021年TCT亞洲展上Raise3D上海複志宣布将推出包括桌面級金屬3D列印解決方案MetalFuse。這一端到端解決方案為金屬3D列印提供了完全內建的生态系統，包括用于金屬FDM/FFF的桌面3D列印機、催化脫脂爐、燒結爐、金屬熔絲制造優化軟體以及由BASF Forward AM提供的金屬線材組合。
△巴斯夫3D列印解決方案亞太區業務管理和營運總監陳立博士（右）與Raise3D 技術總監麥味先生（左）聯合釋出MetalFuse金屬3D列印系統
Raise3D MetalFuse主要面向金屬原型制作，相較SLM/PBF技術，其準入門檻和使用難度都大幅降低，使用頻率不高的客戶可采購列印機，并采用外協方式進行脫脂和燒結加工處理。同時相較其他金屬列印工藝而言，所見即所得，能有效解決目前金屬加工、模具、粉末冶金行業的開發周期緩慢，開發成本過高的問題。
△使用Forge1列印的金屬零件
Raise3D的創新還在于另辟蹊徑，沒有采用另兩家桌面級金屬3D列印公司Desktop Metal 和Markforged所使用的溶劑脫脂工序，而是将3D列印和傳統MIM行業的氣體催化脫脂工藝相結合，大幅提高最終零件良品率，相較上一代的溶劑脫脂，MetalFuse縮短了60%成型時間，金屬緻密度提升至97%。
10、雲耀深維（江蘇）自主創新技術的微米級金屬3D列印機Precision-100
△Precision-100
雲耀深維專家團隊自主研發的微米級金屬增材制造技術實作了複雜精密結構金屬材料的3D一次列印成型，控制雷射光斑至20微米，平整鋪粉層厚至5微米（相當于20分之1根頭發絲厚度)，實作了金屬列印精度至2-5微米，列印部件表面粗糙度Ra值0.8-1微米，緻力于填補小型、高精度增材制造部件的市場空白，其主要優勢如下：
- 超高精度：微米級列印實作了金屬列印精度至2-5微米，可以讓産品的設計更加自由，突破設計局限，實作微米級多孔、中空、鉸鍊、多元随行流道等精密結構；
- 光潔表面：微米級列印将輪廓最大高度Rz降低至5到10微米之間，Ra值0.8-1微米，可減少大量後期加工環節；
- 免支撐列印：微米級3D列印可以實作大部分結構10度角度以上無需支撐、自由列印；
微米級金屬列印技術适用于目前傳統精密制造在制造周期、制造難度、多工序部件制造成本、成型複雜度、設計自由度等方面存在難點的部件制造。
主要應用領域包括：
- 航空航天
在雲耀深維極微100系列上已成功一次成型具有高表面光潔度和内部複雜結構的鎳基高溫合金航空發動機部件，大幅度提高其性能及效果；
- 醫療領域
可直接成型微創手術器械/手術耗材/手術機器人關節，快速制造個性化植入體/介入體；
-微電子領域
在散熱部件内列印封閉式的複雜微結構流道系統，實作傳統工藝無法加工的複雜部件，大大提高産品散熱性能；
- 精密模具領域
快速制造微米級電子接插件模具，并可以實作精密模具裡打入多元随形冷卻流道，提高冷卻效率，延長裝置使用壽命并提升裝置産能。
總結
以上為2021年國内金屬3D列印廠商釋出的其中一些重磅産品，從電子束EBM、SLM選擇性雷射燒結、FFF熔融擠出、微納級金屬列印等不同技術工藝，極具行業代表性的突破性技術裝置。部分廠商已經做出了更先進的機器（例如20雷射器的SLM 金屬3D列印機），但是由于還不夠成熟、客戶保密要求等原因，希望南極熊先不要公布曝光，将在2022年隆重推出。敬請關注。
如果有其他獨具特色的金屬3D列印機，歡迎在留言區補充。
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