金屬3D打印正在從實驗室級別的應用走向工廠級別的生產應用。而金屬3D打印的各種技術之間也存在著一定的競爭關系。本期，3D科學谷與谷友一起來領略作為風頭正勁的粉末床金屬熔化技術與受投資人熱捧的binder jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術的特點與局限。
圖片：雷尼紹隨形冷卻模具
正面競爭還是錯位競爭
相比與其他的直接金屬3D打印技術，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。包括去年通用電氣投資14億美元收購Concept Laser和Arcam，進一步加強了金屬粉末床熔化的市場關注度。 PBF被認為是一種直接的金屬3D打印技術，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。在這個領域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購的Concept Laser和Arcam，包括原有的金屬3D打印解決方案商德國EOS,德國SLM Solutions, 英國Renishaw,國內的鉑力特、北京隆源、易加三維、鑫精合以及進入到PBF領域的傳統機床廠商德國通快，以及德馬吉森精機等。
不過，從投資市場方面，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，通常被認為是間接金屬3D打印。間接金屬3D打印技術，故名思意是指通過金屬3D打印過程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過高溫爐的熱處理過程將金屬零件中的化學物質去除，從而獲得致密的金屬零件。當然，當前間接金屬3D打印技術包括多種不同的技術，根據3D科學谷的市場研究一大類是以Exone,Desktop metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術，另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術，第三類是Prodways與CEA Tech LITEN 開發的以樹脂為間接體的金屬3D打印技術，第四類則可能要歸為惠普將要推出的金屬3D打印技術。
PBF技術
激光熔化過程開始的時候先將一層金屬粉末鋪設到構建托盤上，然后通過能量源(激光或電子束)層層熔化金屬粉末。由于可實現十分復雜的產品制造，PBF技術不僅使得復雜產品的制造變得更加可行，而且還創造了更大的綜合性的經濟效益。
例如，通過PBF技術制造具有成本效益的復雜模具的時候，如隨形冷卻模具。如何在最小周期時間內，高效冷卻塑料產品成為隨形冷卻模具的設計與制造過程中關鍵的考量因素，而增材制造的隨形冷卻極大地優化了冷卻效果，提高了模具壽命，提高了最終產品的質量。在這方面，上海悅瑞三維已經積累了豐富的3D打印隨形冷卻模具的設計與制造經驗。
再例如，GE通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優化、測試、再優化，將噴油嘴的零件數量從20多個減少一個。綜合效益方面通過增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且將提高LEAP發動機的性能。
而空客的仿生學結構機艙也顛覆了傳統機艙的生產方法和力學性能。這種名為Scalmalloy的零件的串行生產不僅對減少鈦金屬的浪費起到重要的作用，還通過減重，為飛機節約了大量的燃油消耗。
不過從實驗室級別的應用走向生產，PBF的局限性也顯現出來了。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近2500華氏度，想像一下當每個單獨的3D打印設備都需要不斷的消耗能源的時候才能實現零件的加工，整體來說對能源的消耗是不容低估的。除非，通過PBF技術所創造的綜合效益如上所述的幾個經典案例這么明顯。
所以說，用于批量生產領域，這樣的高成本通常在加工通過傳統方式難以加工出來的特殊零件的時候才有意義，包括那些具有極其復雜的內部通道的零件，以及噴氣發動機燃料噴嘴和衛星組件等高端部件。
除了能源的消耗，PBF技術還受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料價格、過程中控制以及需要添加支撐結構等各種限制，這些因素成為制約PBF技術走向普及化的原因。當然，隨著工藝的提升和通過軟件對質量控制能力的提高，PBF技術也在不斷地突破自身的局限性。
材料噴射+燒結
Exone,3DEO，Markforged和Desktop metal所采用的間接金屬3D打印技術，技術原理是通過材料噴射和燒結工藝的相互結合來生產完全密度的金屬零部件。 成本較低的設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的關鍵要素。
目前通過binder jetting粘結劑噴射技術來進行金屬零件的3D打印的局限性在于零件的大小。早期的粘結劑噴射技術使用青銅滲透來減少相關的收縮和燒結問題，但是這改變了金屬的材料特性，并且不被證明是生產零件可行的解決方案。不過較新的粘接劑噴射技術設備即將上市，希望解決構造尺寸問題，同時獲得低成本零件和高產量的優勢。
3DEO的智能分層技術是將傳統制造技術與新型增材制造工藝相結合的成型方法。加工過程中通過精確的CNC加工來實現更精確的幾何輪廓。
未來直接金屬3D打印技術與間接金屬3D打印技術將形成怎樣的競爭？這是個值得思考和持續關注的話題，在3D科學谷看來，有一種可能是就PBF激光熔化技術來說，將專注于高附加值零件的制造，并創造更精細的材料晶體結構；而像binder jetting這樣的批量間接金屬制造技術則以起大批量、低成本的優勢而來滿足PBF激光熔化技術所沒有覆蓋的市場需求。當然這也是一種最相安無事的局面，而經驗告訴我們，競爭往往不會如此的井水不犯河水。
圖片：雷尼紹隨形冷卻模具
正面競爭還是錯位競爭
相比與其他的直接金屬3D打印技術，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。包括去年通用電氣投資14億美元收購Concept Laser和Arcam，進一步加強了金屬粉末床熔化的市場關注度。 PBF被認為是一種直接的金屬3D打印技術，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。在這個領域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購的Concept Laser和Arcam，包括原有的金屬3D打印解決方案商德國EOS,德國SLM Solutions, 英國Renishaw,國內的鉑力特、北京隆源、易加三維、鑫精合以及進入到PBF領域的傳統機床廠商德國通快，以及德馬吉森精機等。
不過，從投資市場方面，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，通常被認為是間接金屬3D打印。間接金屬3D打印技術，故名思意是指通過金屬3D打印過程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過高溫爐的熱處理過程將金屬零件中的化學物質去除，從而獲得致密的金屬零件。當然，當前間接金屬3D打印技術包括多種不同的技術，根據3D科學谷的市場研究一大類是以Exone,Desktop metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術，另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術，第三類是Prodways與CEA Tech LITEN 開發的以樹脂為間接體的金屬3D打印技術，第四類則可能要歸為惠普將要推出的金屬3D打印技術。
PBF技術
激光熔化過程開始的時候先將一層金屬粉末鋪設到構建托盤上，然后通過能量源(激光或電子束)層層熔化金屬粉末。由于可實現十分復雜的產品制造，PBF技術不僅使得復雜產品的制造變得更加可行，而且還創造了更大的綜合性的經濟效益。
例如，通過PBF技術制造具有成本效益的復雜模具的時候，如隨形冷卻模具。如何在最小周期時間內，高效冷卻塑料產品成為隨形冷卻模具的設計與制造過程中關鍵的考量因素，而增材制造的隨形冷卻極大地優化了冷卻效果，提高了模具壽命，提高了最終產品的質量。在這方面，上海悅瑞三維已經積累了豐富的3D打印隨形冷卻模具的設計與制造經驗。
再例如，GE通過長達10多年的探索將其噴油嘴的設計通過不斷的優化、測試、再優化，將噴油嘴的零件數量從20多個減少一個。綜合效益方面通過增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且將提高LEAP發動機的性能。
而空客的仿生學結構機艙也顛覆了傳統機艙的生產方法和力學性能。這種名為Scalmalloy的零件的串行生產不僅對減少鈦金屬的浪費起到重要的作用，還通過減重，為飛機節約了大量的燃油消耗。
不過從實驗室級別的應用走向生產，PBF的局限性也顯現出來了。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近2500華氏度，想像一下當每個單獨的3D打印設備都需要不斷的消耗能源的時候才能實現零件的加工，整體來說對能源的消耗是不容低估的。除非，通過PBF技術所創造的綜合效益如上所述的幾個經典案例這么明顯。
所以說，用于批量生產領域，這樣的高成本通常在加工通過傳統方式難以加工出來的特殊零件的時候才有意義，包括那些具有極其復雜的內部通道的零件，以及噴氣發動機燃料噴嘴和衛星組件等高端部件。
除了能源的消耗，PBF技術還受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料價格、過程中控制以及需要添加支撐結構等各種限制，這些因素成為制約PBF技術走向普及化的原因。當然，隨著工藝的提升和通過軟件對質量控制能力的提高，PBF技術也在不斷地突破自身的局限性。
材料噴射+燒結
Exone,3DEO，Markforged和Desktop metal所采用的間接金屬3D打印技術，技術原理是通過材料噴射和燒結工藝的相互結合來生產完全密度的金屬零部件。 成本較低的設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的關鍵要素。
目前通過binder jetting粘結劑噴射技術來進行金屬零件的3D打印的局限性在于零件的大小。早期的粘結劑噴射技術使用青銅滲透來減少相關的收縮和燒結問題，但是這改變了金屬的材料特性，并且不被證明是生產零件可行的解決方案。不過較新的粘接劑噴射技術設備即將上市，希望解決構造尺寸問題，同時獲得低成本零件和高產量的優勢。
3DEO的智能分層技術是將傳統制造技術與新型增材制造工藝相結合的成型方法。加工過程中通過精確的CNC加工來實現更精確的幾何輪廓。
未來直接金屬3D打印技術與間接金屬3D打印技術將形成怎樣的競爭？這是個值得思考和持續關注的話題，在3D科學谷看來，有一種可能是就PBF激光熔化技術來說，將專注于高附加值零件的制造，并創造更精細的材料晶體結構；而像binder jetting這樣的批量間接金屬制造技術則以起大批量、低成本的優勢而來滿足PBF激光熔化技術所沒有覆蓋的市場需求。當然這也是一種最相安無事的局面，而經驗告訴我們，競爭往往不會如此的井水不犯河水。
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