金属3D打印未来发展:你不可不知的那些事儿

点击量:256 发布时间:2016-10-31 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司

过去一年,聚合物高分子3D打印,尤其是在桌面级打印方面,涌现出了一大批新兴的企业。市场发展逐渐走向成熟,这样一种“供大于求”的情况,很可能的后果就是优胜劣汰,兼并频生。如果说在这样的发展的乱象之后有一片广阔的“蓝海”,我觉得金属3D打印是不可忽视的,这一领域开发尚浅,通过突破相应的瓶颈,进驻的企业完全有可能迎来大好前景。

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瓶颈和挑战

首先,进入金属3D打印的门槛本身比较高。随着SLS专利2014年过期,一些专家预测,将会有一大波企业加入这个领域,正如2009年FDM专利过期后出现的“桌面3D打印热”。但是,“金属3D打印热”并没有像聚合物3D打印那样迅速形成气候,一来是因为这个工艺相对复杂,二来它也需要更高级更成熟的机器。为了达到这一技术水平,生产监控过程需要与耗材配合;另一方面,虽然Carl Deckard在1980年申请专利的SLS技术部件如今已经进入大众领域,但其未来的发展及流程工艺仍然要受到知识产权法律的制约。相关的技术壁垒以及相对成熟的市场参与者都会对新的参与者施加压力,对那些较为成熟的市场参与者来说,他们会极力维护自己的知识产权,因此相对聚合物3D打印来说,金属3D打印的选择方案仍然很少。

另外还要考虑的一个重要因素是由金属3D打印使用群体所构成的规模经济(随着产量的增加,平均成本不断降低)。要推动原料(金属粉末)的价格/数量比值曲线呈下降趋势,企业就要严格控制材料成本。需要注意的是,融化烧结金属使用的激光等能量也会产生高昂的边缘成本。在常用的金属中,钛的熔点为1668℃,铝的熔点为660℃,铬镍铁合金熔点为1390-1425℃,不锈钢熔点为1510℃,要使这些金属材料变为为液体状态,往往需要高能量进行融化。而如果要购买具有足够能量的激光设备,价格也必然不菲。虽然市面上已经有几款桌面级的金属3D打印机和解决方案,比如利用FDM同理方法来生产浇铸件,其质量还是参差不齐,难以与专业的金属打印设备比肩。

雷尼绍增材制造事业部的Rob Weston认为,要突破这些应用壁垒,企业可以自己开设解决方案中心,或者将业务设在可以直接短期租用高级3D打印机的设备中心。

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《沃勒斯报告》中提到,尽管专业级金属3D打印部门近几年的发展速度远远超过了聚合物3D打印,设立在业务周边区域的打印设备定点却还少之又少。英国伯明翰大学是个很好的例子,该大学如今成为了世界首个配备多激光金属3D打印设备的大学。

目前,较为常见的金属3D打印材料则包括了铝氧化物、不锈钢、钛以及铜、银、合金。钛合金几乎占据了金属3D打印材料市场的三分之一,分析师们预测,未来10年这一市场将会以32%的速度实现增长。这种预测并非毫无根据。航空巨头GE已经宣布投资35亿美元用以生产10万个金属3D打印燃油喷嘴,Aram也表示计划制造5万个3D打印骨科植入物。金属3D打印频频见诸于航天航空和汽车行业应用,并且已经从最初的原型产品,迈入如今可以直接制作出最终成品的阶段。

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金属3D打印需解决速度难题

3D打印具有明显优势,如减少浪费、以更低成本实现复杂设计、新材料运用、新型结构成型等,但要实现应用普及,还有诸多技术壁垒需要突破:在制造速度和大批量生产这两个关键点上,3D打印还难以与传统制造打成平手。正因如此,一些设备生产商已经着手攻克打印速度的问题。

松下宣布2017年将会推出专有3D打印机设备,打印速度达到110m³/小时,比起5-70m³/小时的传统构建速度要快得多。

德国SLM Solutions则通过添加额外激光提高了其3D打印机的打印速度,其工业级设备目前需求量很大。

以色列金属3D打印创始公司XJet获得了总额达2500万美元巨额投资,投资方除了知名3D软件巨头Autodesk之外,中国光大控股与以色列Catalyst股权管理公司成立的合资私募股权基金——Catalyst CEL也位列其中。该公司宣布今年将推出一款金属3D打印机,能够直接利用液态金属打印出不锈钢对象,随后他们还将纳入液体钛及液体铝材料。据了解,XJet公司专有的纳米颗粒喷射技术(Nano Particle Jetting Technology)可以直接通过其标准打印头进行材料喷射,省去了一般金属打印使用激光的过程。在极端高温环境下(550F/300C),材料中的液体成分会自动蒸发,从而形成高度复杂精确、高强度的金属部件,层厚小于2微米。

金属3D打印未来发展将极大得益于各领域专家之间的合作。与聚合物3D打印一样,多学科合作可以极大推动金属3D打印的发展,过去封闭孤立式的知识储存模式已经过时,在要求个体专业化的同时,实践者们还必须与其他专家达成良好的合作关系。

针对消费者的教育和推广普及,则是金属3D打印未来发展的另一大关键——什么样的对象适合用于增材制造?哪些又是不合适的?这就需要一个标准,包括对打印对象的评估,其大小形状、生产规模、现有材料等。金属3D打印和其它些材料,也许需要其它替代的商业模式和生产资源组织方式。南加州大学教授Behrokh Koshnevis提出,远程操控可能会成为制造商未来的组织模式。生产者与传统的工厂和设备分离,甚至可能离这些设备定点十万八千里。对设备实现了远程操控之后,工人们不再束足于工厂,可以远程完成自己的工作。这样一种组织模式好处甚多:一方面保护工人健康、安全,增加参与劳动的积极性;另一方面可以通过将工厂设在地产、能源成本相对较低的地区,降低业务开支。

远程办公也可以看作是未来工业4.0发展的一个大趋势,尤其在谈到分散化企业的发展机会时。多种新兴技术,如物联网、大数据及自动化将带动金属3D打印进一步应用推广。2016下半年,我们期待金属3D打印进一步迎势而发!

3D打印目前在金属零件制造领域的应用空间相比,它给人留下了巨大的想象空间。最为根本的原因还是实用特性和开发出相对的高性能材料这两方面相对来说还不够成熟。任何一项技术如果没有实用性和基本材料的支撑,都很难长远立足。尽管3D打印有其一系列的优点,但目前为止3D打印产品仍然未表现出突出的优势。我们状迈上海增材制造技术有限公司希望通过我们的叶工程师和技术团队的努力为3D打印技术解决现有的技术缺陷,给金属零件快速成型贡献一个光明的未来。相信蓝铸!质量为魂,产品为魄,精益求精,创造卓越!

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