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金屬3D打印正在從實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的應(yīng)用走向工廠級(jí)別的生產(chǎn)應(yīng)用。而金屬3D打印的各種技術(shù)之間也存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來(lái)領(lǐng)略作為風(fēng)頭正勁的粉末床金屬熔化技術(shù)與受投資人熱捧的binder jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)的特點(diǎn)與局限。
圖片：雷尼紹隨形冷卻模具
正面競(jìng)爭(zhēng)還是錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)
相比與其他的直接金屬3D打印技術(shù)，金屬粉末床熔化(PBF)是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術(shù)。包括去年通用電氣投資14億美元收購(gòu)Concept Laser和Arcam，進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬粉末床熔化的市場(chǎng)關(guān)注度。 PBF被認(rèn)為是一種直接的金屬3D打印技術(shù)，包括激光熔化和電子束熔化兩種加工方式，目前激光熔化方式被更廣泛的使用。在這個(gè)領(lǐng)域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購(gòu)的Concept Laser和Arcam，包括原有的金屬3D打印解決方案商德國(guó)EOS,德國(guó)SLM Solutions, 英國(guó)Renishaw,國(guó)內(nèi)的鉑力特、北京隆源、易加三維、鑫精合以及進(jìn)入到PBF領(lǐng)域的傳統(tǒng)機(jī)床廠商德國(guó)通快，以及德馬吉森精機(jī)等。
不過(guò)，從投資市場(chǎng)方面，大量的投資資金因看好高速度、大批量和低成本的因素涌入了另外一種金屬3D打印方式，通常被認(rèn)為是間接金屬3D打印。間接金屬3D打印技術(shù)，故名思意是指通過(guò)金屬3D打印過(guò)程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過(guò)高溫爐的熱處理過(guò)程將金屬零件中的化學(xué)物質(zhì)去除，從而獲得致密的金屬零件。當(dāng)然，當(dāng)前間接金屬3D打印技術(shù)包括多種不同的技術(shù)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究一大類(lèi)是以Exone,Desktop metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術(shù)，另一類(lèi)是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術(shù)，第三類(lèi)是Prodways與CEA Tech LITEN 開(kāi)發(fā)的以樹(shù)脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類(lèi)則可能要?dú)w為惠普將要推出的金屬3D打印技術(shù)。
PBF技術(shù)
激光熔化過(guò)程開(kāi)始的時(shí)候先將一層金屬粉末鋪設(shè)到構(gòu)建托盤(pán)上，然后通過(guò)能量源(激光或電子束)層層熔化金屬粉末。由于可實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的產(chǎn)品制造，PBF技術(shù)不僅使得復(fù)雜產(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng)造了更大的綜合性的經(jīng)濟(jì)效益。
例如，通過(guò)PBF技術(shù)制造具有成本效益的復(fù)雜模具的時(shí)候，如隨形冷卻模具。如何在最小周期時(shí)間內(nèi)，高效冷卻塑料產(chǎn)品成為隨形冷卻模具的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中關(guān)鍵的考量因素，而增材制造的隨形冷卻極大地優(yōu)化了冷卻效果，提高了模具壽命，提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。在這方面，上海悅?cè)鹑S已經(jīng)積累了豐富的3D打印隨形冷卻模具的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)。
再例如，GE通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過(guò)不斷的優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少一個(gè)。綜合效益方面通過(guò)增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過(guò)熱和積碳的問(wèn)題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且將提高LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
而空客的仿生學(xué)結(jié)構(gòu)機(jī)艙也顛覆了傳統(tǒng)機(jī)艙的生產(chǎn)方法和力學(xué)性能。這種名為Scalmalloy的零件的串行生產(chǎn)不僅對(duì)減少鈦金屬的浪費(fèi)起到重要的作用，還通過(guò)減重，為飛機(jī)節(jié)約了大量的燃油消耗。
不過(guò)從實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的應(yīng)用走向生產(chǎn)，PBF的局限性也顯現(xiàn)出來(lái)了。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近2500華氏度，想像一下當(dāng)每個(gè)單獨(dú)的3D打印設(shè)備都需要不斷的消耗能源的時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)零件的加工，整體來(lái)說(shuō)對(duì)能源的消耗是不容低估的。除非，通過(guò)PBF技術(shù)所創(chuàng)造的綜合效益如上所述的幾個(gè)經(jīng)典案例這么明顯。
所以說(shuō)，用于批量生產(chǎn)領(lǐng)域，這樣的高成本通常在加工通過(guò)傳統(tǒng)方式難以加工出來(lái)的特殊零件的時(shí)候才有意義，包括那些具有極其復(fù)雜的內(nèi)部通道的零件，以及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴和衛(wèi)星組件等高端部件。
除了能源的消耗，PBF技術(shù)還受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料價(jià)格、過(guò)程中控制以及需要添加支撐結(jié)構(gòu)等各種限制，這些因素成為制約PBF技術(shù)走向普及化的原因。當(dāng)然，隨著工藝的提升和通過(guò)軟件對(duì)質(zhì)量控制能力的提高，PBF技術(shù)也在不斷地突破自身的局限性。
材料噴射+燒結(jié)
Exone,3DEO，Markforged和Desktop metal所采用的間接金屬3D打印技術(shù)，技術(shù)原理是通過(guò)材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來(lái)生產(chǎn)完全密度的金屬零部件。 成本較低的設(shè)備也意味著零件成本大大降低，大批量成本較低的零部件是走向生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。
目前通過(guò)binder jetting粘結(jié)劑噴射技術(shù)來(lái)進(jìn)行金屬零件的3D打印的局限性在于零件的大小。早期的粘結(jié)劑噴射技術(shù)使用青銅滲透來(lái)減少相關(guān)的收縮和燒結(jié)問(wèn)題，但是這改變了金屬的材料特性，并且不被證明是生產(chǎn)零件可行的解決方案。不過(guò)較新的粘接劑噴射技術(shù)設(shè)備即將上市，希望解決構(gòu)造尺寸問(wèn)題，同時(shí)獲得低成本零件和高產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)。
3DEO的智能分層技術(shù)是將傳統(tǒng)制造技術(shù)與新型增材制造工藝相結(jié)合的成型方法。加工過(guò)程中通過(guò)精確的CNC加工來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的幾何輪廓。
未來(lái)直接金屬3D打印技術(shù)與間接金屬3D打印技術(shù)將形成怎樣的競(jìng)爭(zhēng)？這是個(gè)值得思考和持續(xù)關(guān)注的話題，在3D科學(xué)谷看來(lái)，有一種可能是就PBF激光熔化技術(shù)來(lái)說(shuō)，將專(zhuān)注于高附加值零件的制造，并創(chuàng)造更精細(xì)的材料晶體結(jié)構(gòu)；而像binder jetting這樣的批量間接金屬制造技術(shù)則以起大批量、低成本的優(yōu)勢(shì)而來(lái)滿足PBF激光熔化技術(shù)所沒(méi)有覆蓋的市場(chǎng)需求。當(dāng)然這也是一種最相安無(wú)事的局面，而經(jīng)驗(yàn)告訴我們，競(jìng)爭(zhēng)往往不會(huì)如此的井水不犯河水。
圖片：雷尼紹隨形冷卻模具
正面競(jìng)爭(zhēng)還是錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)
相比與其他的直接金屬3D打印技術(shù)，金屬粉末床熔化(PBF)是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術(shù)。包括去年通用電氣投資14億美元收購(gòu)Concept Laser和Arcam，進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬粉末床熔化的市場(chǎng)關(guān)注度。 PBF被認(rèn)為是一種直接的金屬3D打印技術(shù)，包括激光熔化和電子束熔化兩種加工方式，目前激光熔化方式被更廣泛的使用。在這個(gè)領(lǐng)域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購(gòu)的Concept Laser和Arcam，包括原有的金屬3D打印解決方案商德國(guó)EOS,德國(guó)SLM Solutions, 英國(guó)Renishaw,國(guó)內(nèi)的鉑力特、北京隆源、易加三維、鑫精合以及進(jìn)入到PBF領(lǐng)域的傳統(tǒng)機(jī)床廠商德國(guó)通快，以及德馬吉森精機(jī)等。
不過(guò)，從投資市場(chǎng)方面，大量的投資資金因看好高速度、大批量和低成本的因素涌入了另外一種金屬3D打印方式，通常被認(rèn)為是間接金屬3D打印。間接金屬3D打印技術(shù)，故名思意是指通過(guò)金屬3D打印過(guò)程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過(guò)高溫爐的熱處理過(guò)程將金屬零件中的化學(xué)物質(zhì)去除，從而獲得致密的金屬零件。當(dāng)然，當(dāng)前間接金屬3D打印技術(shù)包括多種不同的技術(shù)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究一大類(lèi)是以Exone,Desktop metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術(shù)，另一類(lèi)是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術(shù)，第三類(lèi)是Prodways與CEA Tech LITEN 開(kāi)發(fā)的以樹(shù)脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類(lèi)則可能要?dú)w為惠普將要推出的金屬3D打印技術(shù)。
PBF技術(shù)
激光熔化過(guò)程開(kāi)始的時(shí)候先將一層金屬粉末鋪設(shè)到構(gòu)建托盤(pán)上，然后通過(guò)能量源(激光或電子束)層層熔化金屬粉末。由于可實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜的產(chǎn)品制造，PBF技術(shù)不僅使得復(fù)雜產(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng)造了更大的綜合性的經(jīng)濟(jì)效益。
例如，通過(guò)PBF技術(shù)制造具有成本效益的復(fù)雜模具的時(shí)候，如隨形冷卻模具。如何在最小周期時(shí)間內(nèi)，高效冷卻塑料產(chǎn)品成為隨形冷卻模具的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中關(guān)鍵的考量因素，而增材制造的隨形冷卻極大地優(yōu)化了冷卻效果，提高了模具壽命，提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。在這方面，上海悅?cè)鹑S已經(jīng)積累了豐富的3D打印隨形冷卻模具的設(shè)計(jì)與制造經(jīng)驗(yàn)。
再例如，GE通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過(guò)不斷的優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少一個(gè)。綜合效益方面通過(guò)增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過(guò)熱和積碳的問(wèn)題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且將提高LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
而空客的仿生學(xué)結(jié)構(gòu)機(jī)艙也顛覆了傳統(tǒng)機(jī)艙的生產(chǎn)方法和力學(xué)性能。這種名為Scalmalloy的零件的串行生產(chǎn)不僅對(duì)減少鈦金屬的浪費(fèi)起到重要的作用，還通過(guò)減重，為飛機(jī)節(jié)約了大量的燃油消耗。
不過(guò)從實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的應(yīng)用走向生產(chǎn)，PBF的局限性也顯現(xiàn)出來(lái)了。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近2500華氏度，想像一下當(dāng)每個(gè)單獨(dú)的3D打印設(shè)備都需要不斷的消耗能源的時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)零件的加工，整體來(lái)說(shuō)對(duì)能源的消耗是不容低估的。除非，通過(guò)PBF技術(shù)所創(chuàng)造的綜合效益如上所述的幾個(gè)經(jīng)典案例這么明顯。
所以說(shuō)，用于批量生產(chǎn)領(lǐng)域，這樣的高成本通常在加工通過(guò)傳統(tǒng)方式難以加工出來(lái)的特殊零件的時(shí)候才有意義，包括那些具有極其復(fù)雜的內(nèi)部通道的零件，以及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴和衛(wèi)星組件等高端部件。
除了能源的消耗，PBF技術(shù)還受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料價(jià)格、過(guò)程中控制以及需要添加支撐結(jié)構(gòu)等各種限制，這些因素成為制約PBF技術(shù)走向普及化的原因。當(dāng)然，隨著工藝的提升和通過(guò)軟件對(duì)質(zhì)量控制能力的提高，PBF技術(shù)也在不斷地突破自身的局限性。
材料噴射+燒結(jié)
Exone,3DEO，Markforged和Desktop metal所采用的間接金屬3D打印技術(shù)，技術(shù)原理是通過(guò)材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來(lái)生產(chǎn)完全密度的金屬零部件。 成本較低的設(shè)備也意味著零件成本大大降低，大批量成本較低的零部件是走向生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。
目前通過(guò)binder jetting粘結(jié)劑噴射技術(shù)來(lái)進(jìn)行金屬零件的3D打印的局限性在于零件的大小。早期的粘結(jié)劑噴射技術(shù)使用青銅滲透來(lái)減少相關(guān)的收縮和燒結(jié)問(wèn)題，但是這改變了金屬的材料特性，并且不被證明是生產(chǎn)零件可行的解決方案。不過(guò)較新的粘接劑噴射技術(shù)設(shè)備即將上市，希望解決構(gòu)造尺寸問(wèn)題，同時(shí)獲得低成本零件和高產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)。
3DEO的智能分層技術(shù)是將傳統(tǒng)制造技術(shù)與新型增材制造工藝相結(jié)合的成型方法。加工過(guò)程中通過(guò)精確的CNC加工來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的幾何輪廓。
未來(lái)直接金屬3D打印技術(shù)與間接金屬3D打印技術(shù)將形成怎樣的競(jìng)爭(zhēng)？這是個(gè)值得思考和持續(xù)關(guān)注的話題，在3D科學(xué)谷看來(lái)，有一種可能是就PBF激光熔化技術(shù)來(lái)說(shuō)，將專(zhuān)注于高附加值零件的制造，并創(chuàng)造更精細(xì)的材料晶體結(jié)構(gòu)；而像binder jetting這樣的批量間接金屬制造技術(shù)則以起大批量、低成本的優(yōu)勢(shì)而來(lái)滿足PBF激光熔化技術(shù)所沒(méi)有覆蓋的市場(chǎng)需求。當(dāng)然這也是一種最相安無(wú)事的局面，而經(jīng)驗(yàn)告訴我們，競(jìng)爭(zhēng)往往不會(huì)如此的井水不犯河水。
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