在许多工业领域，如汽车工业、航空航天或能源领域，对重量轻、强度高的特殊金属部件的需求正在增加。例如，现代燃气轮机需要极其稳定且同时重量轻的隔热罩。一个重要的3D打印制造工艺是LPBF，使用激光束进行加工的金属粉末床熔融工艺。
根据应用的不同，与传统生产相比，LPBF金属3D打印工艺在单位成本方面并不总是具有竞争力。由欧盟出资 680 万欧元资助的研究和创新项目 InShaPe 旨在为该技术的进一步发展做出决定性贡献。在慕尼黑工业大学 (TUM) 的领导下，来自七个国家的十个合作伙伴正在共同开展该项目。
基于粉末床的选区激光熔融金属3D打印
© 慕尼黑工业大学
技术发展面临瓶颈挑战
拿汽车生产来举例，汽车零件的生产需要高度的自动化、高效率、低成本、质量一致性，这似乎与3D打印当前的发展水平存在不少“鸿沟”。长久以来，增材制造受制于高成本、高材料价格、高手动工作量、低生产效率、设备之间沟通不畅、端到端的质量保证缺乏一致性等等问题，这些制约因素导致增材制造很难进入到汽车的产业化全自动生产线的形态。
3D打印技术的技术挑战
© 3D科学谷白皮书
根据Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所领导的futureAM面向未来的下一代增材制造项目，当前的增材制造技术已经走过了4个阶段：包括从公众还不清楚3D打印技术能带来什么的第一阶段，到3D打印技术被应用于工业制造的第二阶段，再到3D打印在某些应用领域发挥越来越重要作用的第三阶段，以及到了第四阶段3D打印技术在某些应用层面上因技术本身的发展潜力出现天花板，难以在目前的技术基础上再深度探索新的市场潜力的状态。
3D打印技术的下一个飞跃
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一方面是市场上呼唤更快、更精确、更经济、质量更稳定的3D打印技术，一方面是积累的科研成果在不断的实现迭代突破自身限制。
那么毫无疑问，3D打印技术发展本身正面临一次新的飞跃！类似于电视的发展从黑白电视往彩色电视发展，手机从大哥大朝向小巧型的手机发展，电脑从占据几个房间的大型设备朝向桌面电脑发展，技术的进化将推动产品本身的普及化，使得这项技术更能为人类创造价值，更能为更广泛的群体所接受和应用。
使用激光束的金属粉末床熔融3D打印工艺
在金属的粉末床熔融3D打印过程中，极薄的金属粉末层被施加到打印平台上。该粉末层被聚焦的激光束熔化，并在固化过程中与下面的材料层结合。逐层重复此过程，直到创建完成的组件。由于分层结构，可以实现复杂且重量轻的几何形状。去除多余的粉末后，通常根据应用对成品部件进行后处理。
l 激光光斑的灵活调整可实现高效且具有成本效益的生产
最近启动的欧盟项目 InShaPe 的目的是进一步发展基于金属的增材制造的生产效益，使得制造更加可持续。项目合作伙伴包括西班牙的Aenium Engineering，瑞典的AMEXCI，德国的巴伐利亚研究联盟，意大利的BEAMIT，荷兰的埃因霍芬理工大学TU/e，德国EOS易欧斯光电技术，德国Oerlikon欧瑞康，法国SILIOS，以色列Technion。
3D科学谷了解到，改进的选区激光熔化金属3D打印制造工艺基于具有可编程激光强度分布和人工智能技术的高性能光学模块，以确定打印目标的最佳光束形状，例如由材料类型和几何形状确定。
InShaPe还开发了一种用于质量分析的创新过程监控系统，该系统集成了多光谱成像，即将不同波长的光同时观察到增材制造加工过程。
根据慕尼黑工业大学，这两种新技术的结合实现了高效和先进的曝光策略，因此即使是最苛刻的复杂特殊组件生产也能获得高效、稳定的加工。
l InShaPe使基于金属的3D打印-增材制造更快、更便宜、更可持续
InShaPe项目成员已为自己设定了目标，即进一步将这种增材制造形式发展为一种广泛的制造技术，在未来的精度和可持续性方面将优于压铸等传统制造工艺。
这是因为激光束形状的调整和新的曝光选项可以实现能源节约和材料高效利用的生产过程。同时，InShaPe 创新旨在展示3D打印-增材制造与传统制造工艺相比在单位成本、灵活性和产量方面的竞争力。人工智能支持的控制和操作也使得非高素质工人就能够使用新流程。
InShaPe 的总体目标与现有技术相比，将实现以下几点飞跃：
- 生产率提高七倍
- 成本降低 50% 以上
- 能源消耗减少 60%
- 减少 30% 的浪费
从长远来看，InShaPe 技术的成功开发旨在加强欧洲基于LPBF金属3D打印工艺作为高度复杂零件的领先供应商，并加强数字化、资源节约型和基于激光的敏捷生产方法的领导者地位。
欧盟项目 InShaPe于 2022 年 6 月 1 日开始，将持续到 2025 年 5 月底。该项目由慕尼黑工业大学与来自法国、德国、以色列、意大利、荷兰、瑞典和西班牙的其他九个合作伙伴共同实施。欧盟在欧洲研究与创新框架“Horizon Europe”欧洲地平线计划下以 680 万欧元支持该项目。
基础研究改变世界
见证基础研究改变世界，LPBF金属3D打印工艺源于德国。就在2021年，弗劳恩霍夫激光技术研究所庆祝其推出的L-PBF金属3D打印技术专利25周年。25年来这项基础专利从诞生到商业化进程中体现出一项基础研究技术将如何极大程度上改变世界的神奇力量。
除了InShaPe项目将使得欧盟受益，根据3D科学谷的市场观察，德国早在2017年11月就推出了futureAM项目，旨在将金属部件的增材制造加速至少10倍。除了Fraunhofer ILT，另外五家Fraunhofer研究所（IWS，IWU，IAPT，IGD和IFAM）参与了该项目。
这六家研究所于2020年11月完成了futureAM项目，并共同实现了系统技术、材料和过程管理以及连续数字化方面的技术飞跃，从而提高了整个过程链中金属增材制造的效率和成本效益，该项目使德国的增材制造技术实力获得了一次新的提升。
针对下一代技术飞跃，德国隐形冠军库尔特埃莎-Kurtz Ersa还推出超大型、可模块化扩展的Flying Ray多激光多轴3D打印设备。构建速度高达 500 cm³/h！
可以清晰的看到，第一代金属3D打印技术即将成为过去时，3D打印技术发展本身正面临一次新的飞跃！在这方面，对于计划投产金属3D打印的项目，需要做足市场研究，对技术的发展理解深入透彻后，对系统化进行金属3D打印需要攻克哪些难关深入的调研后，建立适合自己的投资策略为宜。这类似于电脑发展过程中，电脑的制造技术日新月异，运算速度越来越快，内存越来越大，功能越来越多，当时购买电脑的投资策略需要考虑如何取得收益和电脑更新换代之间的平衡。
如果建立适当的投资策略，需要密切关注国内外技术发展前沿的趋势，国际上值得参考的重要3D打印技术发展信息包括3D科学谷此前在《数倍提高3D打印质量和产量，洞悉光斑直径无级可调所重新定义的增材制造时代！》一文中提到的通过对七种不同光束质量的高度动态访问和精确的光束控制，质量和生产率可以提高很多倍。
在《世界范围内首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中，亚琛工业大学为宝马IDAM项目提供流程链支持》一文中提到的通过宝马汽车无缝衔接产线环节，将3D打印金属零件成本降低一半以上。
在《技术飞跃，构建速度高达 500 cm³/h！德国库尔特埃莎推出超大型、可模块化扩展的Flying Ray多激光多轴3D打印设备》一文中提到的德国家族企业库尔特埃莎先进的运动控制和激光技术为增材制造所打开的新时代。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。
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