金屬3D打印正在從實(shí)驗(yàn)室級別的應(yīng)用走向工廠級別的生產(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爭關(guān)系。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來領(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
正面競爭還是錯位競爭
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Concept Laser和Arcam，進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬粉末床熔化的市場關(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。在這個領(lǐng)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(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)床廠商德國通快，以及德馬吉森精機(jī)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(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(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)谷的市場研究一大類是以Exone,Desktop metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術(shù)，另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術(shù)，第三類是Prodways與CEA Tech LITEN 開發(fā)的以樹脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類則可能要?dú)w為惠普將要推出的金屬3D打印技術(shù)。
PBF技術(shù)
激光熔化過程開始的時候先將一層金屬粉末鋪設(shè)到構(gòu)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(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PBF技術(shù)制造具有成本效益的復(fù)雜模具的時候，如隨形冷卻模具。如何在最小周期時間內(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通過長達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)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(fā)動機(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)不僅對減少鈦金屬的浪費(fèi)起到重要的作用，還通過減重，為飛機(jī)節(jié)約了大量的燃油消耗。
不過從實(shí)驗(yàn)室級別的應(yīng)用走向生產(chǎn)，PBF的局限性也顯現(xiàn)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(dāng)每個單獨(dú)的3D打印設(shè)備都需要不斷的消耗能源的時候才能實(shí)現(xiàn)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(shù)所創(chuàng)造的綜合效益如上所述的幾個經(jīng)典案例這么明顯。
所以說，用于批量生產(chǎn)領(lǐng)域，這樣的高成本通常在加工通過傳統(tǒng)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(fù)雜的內(nèi)部通道的零件，以及噴氣發(fā)動機(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、材料價格、過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軟件對質(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)原理是通過材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來生產(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binder jetting粘結(jié)劑噴射技術(shù)來進(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)使用青銅滲透來減少相關(guān)的收縮和燒結(jié)問題，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)造尺寸問題，同時獲得低成本零件和高產(chǎn)量的優(yōu)勢。
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。加工過程中通過精確的CNC加工來實(shí)現(xiàn)更精確的幾何輪廓。
未來直接金屬3D打印技術(shù)與間接金屬3D打印技術(shù)將形成怎樣的競爭？這是個值得思考和持續(xù)關(guān)注的話題，在3D科學(xué)谷看來，有一種可能是就PBF激光熔化技術(shù)來說，將專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)勢而來滿足PBF激光熔化技術(shù)所沒有覆蓋的市場需求。當(dāng)然這也是一種最相安無事的局面，而經(jīng)驗(yàn)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(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Concept Laser和Arcam，進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬粉末床熔化的市場關(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。在這個領(lǐng)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(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)床廠商德國通快，以及德馬吉森精機(jī)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(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(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)谷的市場研究一大類是以Exone,Desktop metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術(shù)，另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術(shù)，第三類是Prodways與CEA Tech LITEN 開發(fā)的以樹脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類則可能要?dú)w為惠普將要推出的金屬3D打印技術(shù)。
PBF技術(shù)
激光熔化過程開始的時候先將一層金屬粉末鋪設(shè)到構(gòu)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(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PBF技術(shù)制造具有成本效益的復(fù)雜模具的時候，如隨形冷卻模具。如何在最小周期時間內(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通過長達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)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(fā)動機(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)不僅對減少鈦金屬的浪費(fèi)起到重要的作用，還通過減重，為飛機(jī)節(jié)約了大量的燃油消耗。
不過從實(shí)驗(yàn)室級別的應(yīng)用走向生產(chǎn)，PBF的局限性也顯現(xiàn)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(dāng)每個單獨(dú)的3D打印設(shè)備都需要不斷的消耗能源的時候才能實(shí)現(xiàn)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(shù)所創(chuàng)造的綜合效益如上所述的幾個經(jīng)典案例這么明顯。
所以說，用于批量生產(chǎn)領(lǐng)域，這樣的高成本通常在加工通過傳統(tǒng)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(fù)雜的內(nèi)部通道的零件，以及噴氣發(fā)動機(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、材料價格、過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軟件對質(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)原理是通過材料噴射和燒結(jié)工藝的相互結(jié)合來生產(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binder jetting粘結(jié)劑噴射技術(shù)來進(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)使用青銅滲透來減少相關(guān)的收縮和燒結(jié)問題，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)造尺寸問題，同時獲得低成本零件和高產(chǎn)量的優(yōu)勢。
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。加工過程中通過精確的CNC加工來實(shí)現(xiàn)更精確的幾何輪廓。
未來直接金屬3D打印技術(shù)與間接金屬3D打印技術(shù)將形成怎樣的競爭？這是個值得思考和持續(xù)關(guān)注的話題，在3D科學(xué)谷看來，有一種可能是就PBF激光熔化技術(shù)來說，將專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)勢而來滿足PBF激光熔化技術(shù)所沒有覆蓋的市場需求。當(dāng)然這也是一種最相安無事的局面，而經(jīng)驗(yàn)告訴我們，競爭往往不會如此的井水不犯河水。
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