透視金屬3D打印的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與下一步市場格局
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展。本文3D科學(xué)谷與谷友結(jié)合國際與國內(nèi)的發(fā)展，帶我們共同領(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？
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)呼喚強大的軟件，Sigma Labs一直希望通過從金屬性能的變化角度來標準化金屬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)。
PrintRite3D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?！?
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。
PrintRite3D，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。基于激光的超聲測量的研究將在未來走得更遠：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)方面取得了重大進步，但仍需要更多的改進。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步；電子束熔化（EBM）技術(shù)的加工精度還需要得到進一步提高；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。
當前3D打印要進入到產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的一大瓶頸是效率與成本，當前3D打印的產(chǎn)品價格中高達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3D打印成為一種更穩(wěn)定、更經(jīng)濟可行的加工技術(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。
拿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。所有的努力都在進行細微的調(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。
6K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)上進行了驗證，其伸長率達到13％（原樣），達到22％（經(jīng)熱處理），拉伸強度達到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。基于粉末床熔融工藝的金屬3D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，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。
NK10和NK50 兩款微型渦噴發(fā)動機在多處關(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)動機零件數(shù)量，降低了發(fā)動機的整體重量，增加了部分結(jié)構(gòu)件的強度，實現(xiàn)更低成本、更優(yōu)性能、更長壽命的目標，是滿足先進低成本微小型空中武器系統(tǒng)推進動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進動力裝置。NK10和NK50 微型渦噴發(fā)動機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)動機開發(fā)了空心風扇葉片。空心風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，能夠進一步提高葉片空心率，保證抗沖擊性能?？招娘L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)正在走向更多細分領(lǐng)域的應(yīng)用，2019年8月17日，由航天五院總體部機械系統(tǒng)事業(yè)部負責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)進行航空發(fā)動機燃燒室零部件研發(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、電機殼體等部件的研發(fā)工作。在金屬3D打印進入到量產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化前景方面，成立航空正在推進發(fā)動機電機殼體的量產(chǎn)。
其他方面，國內(nèi)零壹空間、深藍航天、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)動機的總裝結(jié)構(gòu)的一體打印成型，機體內(nèi)部保護若干條流道，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。
安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設(shè)計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進設(shè)計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。
