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透視金屬3D打印的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與下一步市場格局

魔猴君  行業(yè)資訊   1545天前

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根據(jù)MarketsandMarkets的最新研究報告,2019年全球3D打印金屬市場估計為7.74億美元。這家研究公司預(yù)測,到2024年,市場規(guī)模將超過31億美元,從2019年到2024年,年均復(fù)合增長率為32.5%。推動這一增長的原因是航空航天、國防和汽車終端對3D打印金屬的需求不斷增長。

雖然目前增材制造系統(tǒng)供應(yīng)商仍然在市場上面臨技術(shù)局限以及進(jìn)入到量產(chǎn)方面的各種挑戰(zhàn),不過值得欣慰的是2020年金屬3D打印各方面將取得重大市場進(jìn)展。本期3D科學(xué)谷與谷友結(jié)合國際與國內(nèi)的發(fā)展來共同領(lǐng)略金屬3D打印的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與下一步市場格局。

保時捷3D打印發(fā)動機(jī)活塞,來源:保時捷

 金屬3D打印的破與立

理解金屬3D打印的現(xiàn)狀與下一步發(fā)展,就需要先理解金屬增材制造在生產(chǎn)中可行性的要求是什么?

SAE走向產(chǎn)業(yè)化的金屬3D打印,來源:SAE

- 必須是可預(yù)測的:您無法花費數(shù)小時或數(shù)天的時間來通過反復(fù)試驗為了制作第一個合格的零部件。

- 必須更快:優(yōu)先考慮減少構(gòu)建時間,這就是多激光3D打印設(shè)備越來越多地用于生產(chǎn)的原因。

- 必須準(zhǔn)確:在更高的速度和更復(fù)雜的零件上,需要更好的過程控制來始終如一地生產(chǎn)高質(zhì)量的零件,同時減少后處理或返工。

- 必須穩(wěn)定:在生產(chǎn)環(huán)境中,激光器幾乎一直處于開啟狀態(tài),以提供必要的通量,這些激光器需要可靠且易于維修。

質(zhì)量監(jiān)控與保證

金屬3D打印加工過程中質(zhì)量監(jiān)控和保證必須成為解決方案提供商的重點。檢測表面缺陷和孔隙度對于零件質(zhì)量至關(guān)重要,影響金屬3D打印增長的一個關(guān)鍵因素是質(zhì)量保證:金屬增材制造(AM)3D打印設(shè)備必須能夠始終如一地生產(chǎn)出高質(zhì)量的可重復(fù)零件。在這方面,Velo3D認(rèn)為誰能為關(guān)鍵任務(wù)組件做到這一點,誰就會贏。

質(zhì)量控制方面,行業(yè)呼喚強(qiáng)大的軟件,Sigma Labs一直希望通過從金屬性能的變化角度來標(biāo)準(zhǔn)化金屬3D打印的質(zhì)量控制,最終受益的不只是小企業(yè),更是整個3D打印行業(yè)。

3D的熱能量密度算法。來源:Sigma Labs

金屬3D打印在逐層鋪粉的過程中由于在熔融過程中有超過50種不同的因素在發(fā)揮著作用,像材料尺寸和形狀誤差、熔融層中的空隙、最終部件的高殘余應(yīng)力,以及對材料性能——包括硬度和強(qiáng)度等各種變量相互關(guān)系的研究不足導(dǎo)致了3D打印工藝難以量化控制,這極大的制約了金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍?!?/span>

質(zhì)量挑戰(zhàn)是基于粉末床的金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的“主要障礙”,Sigma Labs的PrintRite3D 5.1這樣的軟件與硬件結(jié)合的技術(shù)將幫助金屬3D打印最終改變制造格局。Sigma Labs目前有六家用戶-三家3D打印設(shè)備制造商和三家最終用戶在使用其解決方案,預(yù)計將在2020年初完成測試和評估階段。Sigma Labs的技術(shù)提供實時、逐層分析,以確保符合生產(chǎn)規(guī)格的要求。

來源:Sigma Labs

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察,除了Sigma Labs,來自德國亞琛的科學(xué)家們正在研究監(jiān)視金屬3D打印的新方法,以提高過程的魯棒性。在構(gòu)建平臺中使用結(jié)構(gòu)傳感器時,將來會檢測到關(guān)鍵錯誤,例如支撐結(jié)構(gòu)撕裂的時間。此外,通過超聲波傳感器可以用于分析空氣傳播中的聲音,以確定組件的質(zhì)量?;诩す獾某暅y量的研究將在未來走得更遠(yuǎn):脈沖激光將在部件中感應(yīng)出結(jié)構(gòu)傳播的噪聲,然后由激光測振儀檢測到。這使得在構(gòu)建過程中發(fā)現(xiàn)微小的毛孔,以便能夠立即進(jìn)行干預(yù)。而原位測量過程可以通過另一個曝光順序?qū)栴}區(qū)域進(jìn)行返工。

 技術(shù)突破與重新確立

根據(jù)MarketsandMarkets的預(yù)測,預(yù)計PBF粉末床選區(qū)金屬熔化3D打印將成為3D打印金屬市場中最大的部分。MarketsandMarkets還預(yù)測,在未來四年中,鈦合金的3D打印占3D打印金屬的最大份額。

當(dāng)然,技術(shù)層面還有很多急需提升的空間,盡管近年來在材料和加工技術(shù)方面取得了重大進(jìn)步,但仍需要更多的改進(jìn)。市場期待增加更多的非焊接材料,例如Stellite 6和Inconel738;LPBF(粉末床選區(qū)激光熔化)工藝需要在表面光潔度、變形控制和后期加工成本方面取得更多進(jìn)步;電子束熔化(EBM)技術(shù)的加工精度還需要得到進(jìn)一步提高;定向能量沉積(DED)3D打印技術(shù)還需要可以應(yīng)用到更大的零件制造而不會發(fā)生彎曲;Binder Jet粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)還需要更好地控制收縮。

LPBF(粉末床選區(qū)激光熔化)工藝方面,根據(jù)Velo3D的說法,隨著軟件與硬件的結(jié)合,市場上需要考慮的是意識到原來的不可能正在被突破,將需要取消某些3D打印限制。這些設(shè)計軟件與打印準(zhǔn)備等軟件之間實現(xiàn)緊密集成, .stl文件格式的使用范圍將繼續(xù)下降。

LPBF(粉末床選區(qū)激光熔化)工藝的另一個發(fā)展方向是必須要提高諸如產(chǎn)量與效率。LPBF系統(tǒng)將需要具有更高的3D打印速度和更大的制造范圍,以開辟更多的金屬增材制造可能性。另外,嵌套零件的能力(即將零件相互堆疊以提高構(gòu)建密度)對于提高制造速度和提高制造效率至關(guān)重要,但這需要合理設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)并在設(shè)計時考慮這些因素。

當(dāng)前3D打印要進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的一大瓶頸是效率與成本,當(dāng)前3D打印的產(chǎn)品價格中高達(dá)70%的成本來自設(shè)備成本,而材料也占據(jù)了30%的成本。而在傳統(tǒng)制造工藝中,材料成本不超過產(chǎn)品成本的3%。而在效率提升方面,市場的需求在呼喚帶來加工效率飛躍性質(zhì)的突破。

金屬3D打印正在突破原來的自身邊界,國際上,根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察,德國Fraunhofer的增材制造未來-futureAM項目正在以全面開花的方式推進(jìn)3D打印成為一種更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)可行的加工技術(shù),在科技巨擎Fraunhofer的推動下,目前亞琛Fraunhofer ILT已經(jīng)開發(fā)出用于LPBF(基于粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù))的新型加工解決方案,該解決方案還可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)LPBF系統(tǒng)快十倍加工速度的大型金屬部件。LPBF系統(tǒng)提供了非常大的,有效可用的構(gòu)建體積(1000毫米x 800毫米x 500毫米)。

軟件助力刷新競爭格局

行業(yè)整合是不可避免的,只有清楚地向市場表達(dá)價值主張和與之對應(yīng)的清晰的市場定位,這些企業(yè)才能成功。在金屬3D打印這個市場上,一個引人注目的價值主張將是克服圍繞成本、材料靈活性和制造限制的挑戰(zhàn)。最終,將看到金屬3D打印行業(yè)的更多整合,但是現(xiàn)在這是一場靜觀其變的游戲。

Velo 3D舉例,不難看到,國際的企業(yè)大多在成立初期就確立了鮮明的市場定位,包括立足于設(shè)備穩(wěn)定性的,包括開辟提升加工效率的,再到VELO3D這樣的后起之秀,在3D科學(xué)谷看來,無支撐僅僅是VELO3D與用戶溝通的話術(shù),VELO3D的市場定位相當(dāng)清晰:設(shè)計自由,敏捷生產(chǎn)和質(zhì)量保證,這些是VELO3D通過技術(shù)打造的獨特的市場定位。

差異化將是公司生存的關(guān)鍵,根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察,目前LPBF(粉末床選區(qū)激光熔化)市場上擠滿了太多沒有特色的公司。幾乎所有的公司都在證明他們可以降低成本并提高質(zhì)量,并獲得一致的結(jié)果。所有的努力都在進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整,差異并不大,這些公司中的一部分將在2020年開始耗盡資金。

更多的材料、更可持續(xù)的發(fā)展

l 回收金屬

金屬粉末的發(fā)展方面,諸如6K(以前稱為Amastan Technologies)之類的公司正在開發(fā)用于增材制造的新型先進(jìn)材料。6K公司的UniMelt微波等離子體制造技術(shù)以回收的金屬廢料來制造AM增材制造用金屬粉末。6K的工藝主要將經(jīng)過認(rèn)證的通過銑削、車削和其他再生原料來源的金屬廢品轉(zhuǎn)換為可用于AM增材制造用的優(yōu)質(zhì)金屬粉末。

 

6K6K針對增材制造工藝提供粉末粒徑尺寸。來源:6K

6K的合金回收技術(shù)可以從減材制造和其他加工技術(shù)中回收金屬和合金。6K已經(jīng)在為航空航天、醫(yī)療和汽車行業(yè)回收鋁合金和鈦合金。6K聲稱可以針對所需的AM增材制造工藝來提供不同的粉末尺寸:MIM(金屬注射成型),LPBF,EBM,DED或粘結(jié)劑噴射等。

l 不銹鋼

不銹鋼方面,國際上最顯著的進(jìn)步之一是GKN對金屬粉末材料的鑒定,在IDAM聯(lián)合項目成員亞琛工業(yè)大學(xué)數(shù)字制造DAP學(xué)院、Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、慕尼黑工業(yè)大學(xué)金屬成型和鑄造學(xué)院、GKN粉末冶金,寶馬集團(tuán)等共同努力下,證明了DP 600雙相鋼在汽車市場上工業(yè)化的巨大潛力。這是一種雙相鋼,可以使用熱處理方法調(diào)節(jié)其機(jī)械性能。

DP 600雙相鋼氣體霧化材料目前已在EOS M300-4系統(tǒng)上進(jìn)行了驗證,其伸長率達(dá)到13%(原樣),達(dá)到22%(經(jīng)熱處理),拉伸強(qiáng)度達(dá)到700 MPA(經(jīng)過熱處理)。這些特性使得雙相鋼材料成為汽車及其他工業(yè)市場結(jié)構(gòu)性件應(yīng)用的理想選擇。而通過將水霧化粉末用于未來應(yīng)用,可以進(jìn)一步降低零件成本。

l 銅

粉末床熔融(PBF)增材制造技術(shù)為制造使得緊湊、高效的新一代熱交換器成為可能,如果將金屬3D打印技術(shù)與具有出色導(dǎo)熱性能的銅相結(jié)合,為電動汽車熱交換器技術(shù)的提升帶來巨大的想象空間。


3D打印電動機(jī)定子繞組。來源:Additive Drives

純銅具有出色的導(dǎo)熱性,是極佳的散熱組件制造材料,銅合金3D打印技術(shù)的應(yīng)用已在火箭發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域得到了發(fā)展。此外,其應(yīng)用涵蓋從電動汽車定子繞組、銅線圈、微電子產(chǎn)品再到注塑模具鑲件的廣泛領(lǐng)域?;诜勰┐踩廴诠に嚨慕饘?D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜設(shè)計,釋放設(shè)計的自由度,這一技術(shù)在熱交換器制造中的應(yīng)用,使得設(shè)計師能夠使用高級設(shè)計策略,例如使用漸變、可變密度的點陣結(jié)構(gòu),在有限空間內(nèi)增加熱交換器的表面積,提升熱交換性能。簡而言之,面向增材制造的設(shè)計,能夠?qū)崿F(xiàn)在熱負(fù)荷高的位置用密度較高的結(jié)構(gòu)材料,從而實現(xiàn)輕量化與冷卻性能的平衡。

l 鋁合金

航空航天領(lǐng)域,鋁合金的應(yīng)用一直存在著一些弊端。鋁合金雖然很輕,但在暴露于高于160°C的溫度的應(yīng)用中往往表現(xiàn)不佳。它們會隨著時間的流逝而軟化和老化,因此航空航天領(lǐng)域會選擇相對較重的金屬,例如鋼或鈦。如何在提升鋁合金的性能,這是一個值得研究和突破的地方。

半個多世紀(jì)以來,科研人員已經(jīng)完成了大量工作,以改善鋁合金的耐熱性,使鋁合金能夠承受更高的工作溫度而不會降低機(jī)械性能。今天,在世界范圍內(nèi),通過3D打印技術(shù),新型的鋁合金材料在呈現(xiàn)出快速上升的開發(fā)態(tài)勢,更高的強(qiáng)度,替代中溫鈦合金的可能性,在這方面國內(nèi)上海交通大學(xué)與安徽相邦復(fù)合材料共同研發(fā)生產(chǎn)的陶鋁粉末,能夠改善粉末流動性,提高激光吸收率,細(xì)化晶粒組織,尤其適用于3D打印。

安徽相邦復(fù)合材料的陶鋁復(fù)合材料。

來源:3D科學(xué)谷將要發(fā)布的《鋁金屬3D打印白皮書

高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料方面,澳大利亞Amaero開發(fā)了HOT Al、蘇州倍豐開發(fā)了Al250C, 英國Aeromet開發(fā)了A20X,美國HRL開發(fā)了7A77.60L,開發(fā)和商業(yè)化新型高強(qiáng)度鋁合金以及適合各種鋁合金3D打印的設(shè)備,已經(jīng)成為一條明顯的國際與國內(nèi)發(fā)展趨勢。

 小荷才露尖尖角的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化趨勢

國內(nèi)在金屬3D打印進(jìn)入到量產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化前景方面,安世亞太增材制造聯(lián)合深圳意動航空科技有限公司成功開發(fā)了國內(nèi)首創(chuàng)的兩款全部通過3D打印制造的微型渦噴發(fā)動機(jī),10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗,各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求,試驗中最高轉(zhuǎn)速高于14萬rpm,為全3D打印旋轉(zhuǎn)渦輪高溫點火實驗。

國內(nèi)首款全部3D打印的微型渦噴發(fā)動機(jī)

NK10和NK50 兩款微型渦噴發(fā)動機(jī)在多處關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面融入了增材設(shè)計的概念,減少了發(fā)動機(jī)零件數(shù)量,降低了發(fā)動機(jī)的整體重量,增加了部分結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度,實現(xiàn)更低成本、更優(yōu)性能、更長壽命的目標(biāo),是滿足先進(jìn)低成本微小型空中武器系統(tǒng)推進(jìn)動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進(jìn)動力裝置。NK10和NK50 微型渦噴發(fā)動機(jī)的所有零件均由安世亞太增材制造旗下德迪新一代選區(qū)激光熔化3D打印設(shè)備DLM-280 制造,安世亞太增材制造已圍繞著基于正向設(shè)計的研制的市場定位,推出了一系列單構(gòu)、混構(gòu)金屬3D打印設(shè)備,并通過不斷的更新迭代,從精度、效率、成型尺寸、控制系統(tǒng)、軟件等多個維度進(jìn)行優(yōu)化,使其能夠更好地滿足用戶需求。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究,中航商用航空發(fā)動機(jī)開發(fā)了空心風(fēng)扇葉片??招娘L(fēng)扇葉片包括空心的葉片本體,空心區(qū)域內(nèi)沿徑向設(shè)置有至少一根樹形筋條,樹形筋條中靠近葉尖區(qū)域的筋條數(shù)量大于靠近葉片根部區(qū)域的筋條數(shù)量。中航商用航空發(fā)動機(jī)有限公司通過在葉片本的空心區(qū)域內(nèi)設(shè)置樹形筋條,能夠適用于葉片的中下部弦長較小,工作時應(yīng)力大,葉片中上部弦長較長,葉片薄,工作時變形大的特征,因此,通過設(shè)置樹形筋條,能夠進(jìn)一步提高葉片空心率,保證抗沖擊性能。空心風(fēng)扇葉片采用金屬材料,且通過3D打印-增材制造工藝加工制成 。

國內(nèi)在航空航天領(lǐng)域的3D打印技術(shù)正在走向更多細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用,2019年8月17日,由航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部負(fù)責(zé)研制的千乘一號小衛(wèi)星隨捷龍一號遙一火箭送入預(yù)定軌道,千乘一號整星結(jié)構(gòu)采用面向增材制造的輕量化三維點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計,整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右,整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi),整星頻率提高至110Hz,整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件,設(shè)計及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸,也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。整星增材制造工作委托西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司完成,該衛(wèi)星所有結(jié)構(gòu)由鉑力特四光束3D打印設(shè)備BLT-S600一爐內(nèi)完成打印制造。

國內(nèi)通過3D打印制造微納衛(wèi)星方面也取得了商業(yè)化進(jìn)展,星眾空間科技有限公司在3D打印立方星部署器的設(shè)計方面獲得了相對于傳統(tǒng)加工部署器在設(shè)計上所實現(xiàn)的優(yōu)化,2020年5月5日,星眾空間自主研發(fā)的世界首個基于金屬3D打印的部署器COSPOD-3D搭載我國新一代飛船試驗船成功發(fā)射。在軌飛行3天后,于5月8日隨載人飛船試驗船順利返回地面,任務(wù)取得圓滿成功,驗證了星眾立方星部署器的功能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與實用性。

國內(nèi)成立航空2015年開始用增材制造技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)燃燒室零部件研發(fā)制造。成立航空的增材制造研究內(nèi)容包括:使用3D打印的產(chǎn)品設(shè)計,材料、設(shè)備及工藝參數(shù)對產(chǎn)品、組織、性能、精度影響,后處理對內(nèi)應(yīng)力、缺陷、精度、性能影響,SLM+CNC工藝零件一體化的影響。在增材制造應(yīng)用方面開展了燃燒室噴嘴、燃燒室旋流器、燃燒室火焰筒、電機(jī)殼體等部件的研發(fā)工作。在金屬3D打印進(jìn)入到量產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化前景方面,成立航空正在推進(jìn)發(fā)動機(jī)電機(jī)殼體的量產(chǎn)。

其他方面,國內(nèi)零壹空間、深藍(lán)航天、星際榮耀等新一代航天企業(yè)在應(yīng)用3D打印方面獲得了不斷的突破。拿星際榮耀來說,通過3D打印,實現(xiàn)了用于火箭發(fā)動機(jī)的總裝結(jié)構(gòu)的一體打印成型,機(jī)體內(nèi)部保護(hù)若干條流道,總裝結(jié)構(gòu)以內(nèi)部成型流道的方式替代傳統(tǒng)的管路件,減少了總裝結(jié)構(gòu)上的零件數(shù)量,同時節(jié)省了管路組裝的步驟以及節(jié)省了管路購買的成本,實現(xiàn)了對總裝結(jié)構(gòu)組裝難度的降低以及成本的減少。


來源:3D科學(xué)谷

   

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