金屬3D打印機生產鋼制零件。材料制造商正在更多地投資開發新的金屬3D打印材料。
由于增材制造越來越有吸引力，材料制造商在開發新的金屬3D打印材料方面投入了更多資金。這與10年前甚至僅僅5年前相比簡直是一個巨大的變化，當時市場規模不夠大，技術不夠先進，不足以讓材料制造商在這3D打印材料上冒險。金屬增材制造在過去十年中走了多遠，以及前景如何？我們向金屬增材制造領域的四位專家了解了他們的見解：
惠普3D打印融合科學全球主管Cheryl MacLeod：當惠普于2015年進入AM時，硅谷計算機巨頭希望采用新方法開發金屬材料。惠普當時注意到原型設備市場缺乏，因此它與英國航空航天和汽車零部件公司GKN合作開始了metal Jet生產服務。由此，惠普現在為汽車、工業和醫療客戶生產定制的不銹鋼粉末，包括大眾汽車、GKN、威樂和Parmatech。惠普通過其開放式材料平臺繼續開發新材料，用于metal Jet和Multi Jet Fusion。
Sandvik Osprey公司業務開發經理Keith Murray：近20年來，Osprey CE與Sandvik合作開發了可控膨脹合金和金屬粉末。該材料計劃提供全系列材料：鐵基合金（不銹鋼和馬氏體時效鋼）、鎳合金、銅合金和鈷合金、以及鋁和鈦。Sandvik創造了自己的氣體霧化技術，其能力范圍從為原型開發提供小規模金屬粉末到大規模生產的大批量生產。
Elementum 3D的總裁兼創始人Jacob Nuechterlein：作為AM材料、參數和研究開發的公司，我們處于生產新金屬合金和復合材料的最前沿。擁有冶金背景的Nuechterlein于2014年在位于科羅拉多州Erie的公司成立，以擴大合金產品組合。四年前，市場上只有12種商業金屬合金，而鋁材料有60多種。隨著激光粉末床的發展，Elementum 3D已經開發了許多鋁合金“超材料”，如鎢和鉭，鋼和鎳基合金，以及銅等耐火材料。
Praxair Surface Technologies增材制造業務經理Andy Shives：工業氣體生產商Praxair公司通過熱噴涂涂層市場生產金屬粉末已有50多年的歷史。因此，它的AM部門Praxair Surface Technologies（PST）在過去十年中已成為全球最大的金屬增材制造商之一。PST現在的經營面積為300,000平方英尺。印第安納波利斯的工廠致力于生產金屬和陶瓷粉末。PST將鎳、鈷、鐵、鈦和銅基合金霧化，適用于幾乎所有相關市場：航空航天、能源和工業，以及汽車和醫療行業的擴展范圍。
增材制造材料開發的速度與五到十年前相比如何？
Andy Shives：10年前，許多大型企業甚至都沒有參與增材制造，更不用說金屬增材制造了。但即使在今天，它仍處于早期階段。生產中的應用程序或部件的數量仍然很少。現在，尤其是在過去的五年中，人們對哪些合金是可打印的，以及在某些過程中需要更多地觀察哪些合金的知識已經有了很大的提高。例如，一種合金可以很好地用于激光粉末床工藝，但在電子束工藝中卻不能很好地運用。現在客戶真正了解了哪種合金最適合特定應用。我們已經看到過去兩到三年內這種情況顯著增加。
Keith Murray：如果我們在2007年進行了這次談話，你問我在哪里看到技術發展，我想任何人都會發現很難真正預測它會走多遠。如果你回到那時，全世界可能安裝了100臺機器。這是一個非常小眾的應用和技術。起初它只是我們業務的一個有趣的補充部分，但顯然這些年來發生了很大變化。從10年前開始，行業規模、創新水平、興趣水平和材料需求水平都發生了翻天覆地的變化。
Jacob Nuechterlein：尤其是，其中一些與我們可用于材料開發和一般打印的計算能力和工具有關。設備的靈活性已經使我們深入了解它是如何工作的，以及我們如何使它變得更好。現在人們現在明白何為AM材料霧化，他們看到了它的市場。在過去，有很多變量，現在人們已經學會了不同的交易技巧，以便您可以獲得更一致的產品。有更多地方可以采購不同的材料。我認為，競爭會產生更好的產品。
將金屬粉末倒入3D打印激光燒結機的腔室中。
制造商是否更公開地采用3D打印作為真正的制造選擇？
Cheryl MacLeod：這是肯定的，展望未來，我們相信材料開發將會出現爆炸式增長。更多材料合作伙伴有興趣發展他們制造AM粉末的能力，隨著技術變得更適合生產，我們看到公司更愿意投資更廣泛的高性能材料。我們正處于拐點，技術最終開始達到成熟水平，這將使其超越原型設計和小批量生產，并逐步實現全面生產。問題不在于3D打印是否會成為全球大規模生產的新平臺，而是時候到了。
Jacob Nuechterlein：我今天的談話與我創辦公司時的談話完全不同。過去，即使是四年前，人們會更多地談論“AM是什么？”，而現在談話內容更多時候是“如何使用AM？”。這是非常不同的對話。
Andy Shives：五年前，許多公司仍在探索是否應該購買一臺或幾臺機器——或者他們本可以與擁有機器的外部承包商合作。現在很多這些公司至少有一臺金屬打印機在內部進行自己的研究。所以，他們已經做了初期投資。它已經足夠重要了。
現在影響3D打印材料發展的因素是什么？
Keith Murray：它仍然是一個多元化的領域。在自己的制造過程中，有不同的影響對于公司而言是一個很好的附加旅程。他們越來越接近，將它作為一種嚴肅的生產工具，推動開發改進材料和一致性，而不僅僅是為了在工藝方面、材料特性有更好的再現性。所以它真的是要理解細節和細化規范，以便為您提供一個在工業基礎上穩定的工藝。
Cheryl MacLeod：目前最大的影響力是制造商從原型制造到生產的轉變。這對材料產生了巨大影響——從擅長原型制作的材料轉變為更適合生產的材料。對于金屬而言，這完全取決于生產。我們認識到，行業領導者的開放生態系統對于更大的創新、突破性經濟以及3D打印材料和應用的更快開發至關重要。當您查看垂直市場或任何您看到批量生產的地方時，大多數都有一套特定的規律、文檔和流程已成為這些垂直行業的既定規范。
Andy Shives：許多客戶開始使用的許多合金都來自不同市場的規格，例如鑄造和鍛造。它們不是為增材過程編寫的。我們現在看到的是客戶越來越熟悉增材制造機器，各種技術以及創建自定義參數集。現在為AM設計規范，由此產生的是合金化學和粒度分布的調整。您所了解的定制合金可能與眾所周知的標準合金有所不同。或者它可能是一種真正為增材制造設計和制造的全新合金。
進一步推動材料開發還有哪些障礙？
Cheryl MacLeod：雖然3D打印已經存在了30多年，許多工程師仍然在思考如何將技術和材料首次引入應用——盡管該領域已經有很多創新。例如，我們仍然從材料角度了解粉末床AM工藝所需的內容，并弄清楚如何更好地將核心材料與每個工藝的實際輪廓相匹配。注射成型已經有了一個世紀的時間來解決這個問題。
材料制造商正在更多地投資開發新的金屬3D打印材料。
Jacob Nuechterlein：具體而言，材料開發的障礙是能力和結果。您希望能夠說這一批與下一批是一樣的，但客戶需要大量數據。對于我們發布的每種材料，我們必須生成大量數據，以使客戶在大批量生產之前感到舒適。無論在哪使用，都要有一定的靈活性和風險承受能力。但是，如果您正在談論制作整個制造過程并且您將要購買20臺，30臺打印機，那么您希望對材料在您的部件中的表現令你非常滿意。
Keith Murray：標準化是一個非常重要的話題。現在有不同的委員會，如美國的美國測試和材料協會（ASTM）F42組以及更多以歐洲為基礎的ISO / TC 261委員會。但它也在研究合作。我們的材料公司擁有150多年的加工材料歷史。我們對材料方面有很多固有的知識——可能比構建機器的一些技術公司更為重要。因此，您已經匯集了合作，利用相對優勢——材料和流程——來提供整個解決方案。技術的迅速發展如此迅速，試圖跟上并覆蓋所有應用可能非常具有挑戰性。
機器開發商和原始設備制造商之間的關系是否仍然在推動3D打印材料開發方面發揮著至關重要的作用？
Andy Shives：有些設備OEM與某些終端客戶密切合作進行驗證。我們看到很多做專有參數集的OEM都會自己做很多驗證。很秘密和專有，他們不希望設備公司或其他供應商確切地知道他們正在做什么應用或設計。
Cheryl MacLeod：我們的愿景是將我們的開放式材料平臺更深入地擴展到金屬中，以便每個人都可以在我們的平臺上輕松創新。我們與認證材料合作伙伴的合作取得了進展。當科學被很好地理解，它被簡化為一組預測建模和軟件工具，幾乎任何人都可以使用時，可能會有一個附加點。在那時，原始設備制造商和材料公司之間的深層關系將不那么重要，但這對于增材制造來說還不存在。
Jacob Nuechterlein：甚至超過了這個范圍。現在有很多不同的選擇，關于你將如何做出自己的貢獻，以及為什么你要再次成為這一部分。當然，機器制造商正在推動該行業的最大部分，但不是全部。現在它開始出現在需要搞清楚的個人應用程序中。AM非常適合這種情況，特別是對于小型制造公司而言。我想說我們四分之一的業務是尋找如何用功能原型來制作單個零件的小公司。
在不久的將來，影響3D打印材料開發的最重要的事情是什么？
Andy Shives：一個重大轉變可能是3D打印的設計。行業中的下一代工程師正在接受不同的培訓，以設計新零件。在過去的幾年中，人們對此非常關注。我們開始看到大型原始設備制造商的早期階段。因此，一旦增材制造應用的這些新設計得到市場的確認和驗證，我們將開始看到產量進一步增加。
Keith Murray：我不確定下一件大事，但它是提高性能和成本效率的結合。您是否可以開發一種具有較低內在金屬成本的材料來替換現有的一些材料？但這是關于推動材料的發展。在鐵基材料中，它涉及提高工具應用等方面的耐用性和性能。在高溫鎳基高溫合金中，它正在研究下一代這些材料，并試圖對其進行優化。
Jacob Nuechterlein：我認為我們將會看到大量不同的鋼材涌入并能夠打印鋼材。今天的鋼鐵打印真的很難。有幾個原因有待解決，但這需要弄清楚如何正確焊接這些不同的材料。而且不僅僅是焊接它們，而是以非常非常高的冷卻速率焊接它們以防止開裂或其他問題。汽車、工具、石油和天然氣等行業對鋁基，鈦基和鎳基高溫合金的使用較少。他們需要高性能鋼。許多這些打印機正由機械工程師或機械師使用，他們不一定非常了解材料的形成方式。你必須擁有與冶金、熱處理、產品成型以及在打印時形成不同相的真正相關的知識。
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