近10年來,3D打印技術(shù)經(jīng)歷了突飛猛進的發(fā)展,一系列新工藝不斷涌現(xiàn),不僅突破了對材料、速度和成本的限制,更實現(xiàn)著人們對這一技術(shù)的美好期待。FDM熔融沉積技術(shù),這一市場占有量最大且發(fā)展最快的工藝更是分化出了多種門類,不僅可以打印普通塑料,更可以實現(xiàn)復合材料甚至金屬材料成型。
3D打印技術(shù)參考發(fā)現(xiàn),基于桌面FDM技術(shù)的工藝種類越來越細化,區(qū)分度也越來越大,并逐漸分化出了消費級、專業(yè)級和工業(yè)級等三種類型。市場研究公司CONTEXT將價格低于0.25萬美元的3D打印機定義為消費級(入門級)、0.25-2萬美元之間的為專業(yè)級,2-10萬美元之間為設計級別,10萬美元以上為工業(yè)級。
然而,這不只是價格的問題,就FDM類型的3D打印機來說,它們在打印尺寸、打印速率、打印質(zhì)量、打印精度、適用材料范圍,可靠性和易用性等方面都有很大差別。
消費級、專業(yè)級、工業(yè)級3D打印機
消費級FDM打印機
消費級3D打印機因為制造成本和客戶適用范圍的限制,多采用開源架構(gòu),成型尺寸一般不會太大,多為200-300mm左右;打印速率適中,質(zhì)量也可以接受;在精度方面,有的品牌可以達到0.1mm;能夠成型的材料對外部環(huán)境多沒有特殊要求,主流的PLA、ABS、TPU都可以打印。
普通臺式3D打印機多用于家庭和教育領域
此類FDM打印機主要迎合初級和業(yè)余愛好者的需求,價格多為千余元,國內(nèi)外中小學3D打印教育所采用的機型就是這種類型。然而由于對課外實踐接受程度的差異,國內(nèi)消費級3D打印機鮮有走入家庭的案例。
除了教育領域的應用外,消費級3D打印機還被醫(yī)療領域用來制造手術(shù)預演模型、導板,工業(yè)設計師可以進行概念模型打印,在汽車領域也可用于制造定制工具等。除了主流常規(guī)的打印尺寸之外,目前也有一些較大尺寸的的此類型打印機可用于工業(yè)領域,如打印發(fā)光字、雕塑、模特道具等,價格在數(shù)萬元不等。
專業(yè)級FDM打印機
專業(yè)級FDM打印機主要定位于中小型企業(yè)和專業(yè)生產(chǎn)領域。其具有消費級設備的尺寸,但可打印PC、PA等工程塑料甚至纖維增強材料,適合制造具有高強度、耐用性和剛度的功能性原型以及最終用途零件。
中國代表廠商:上海復志(Raise3D),正在啟動上市的又一家3D打印企業(yè)。
由專業(yè)級FDM打印的碳纖維復合材料電動超級摩托車的整流罩
專業(yè)級設備比消費級設備采用了更為精密的控制元件,從而使設備能夠打印更多材料,同時在打印精度、質(zhì)量方面提升了一個等級,并具有更高的穩(wěn)定性和可靠性;與工業(yè)級設備相比,它能夠讓用戶體驗到高性能3D打印的優(yōu)勢,價格也基本在數(shù)萬元,能夠讓用戶負擔的起。
在行業(yè)應用方面,專業(yè)級的FDM設備獲得了汽車、醫(yī)療以及研究機構(gòu)等行業(yè)的青睞?;诟叩牟牧闲阅?,專業(yè)級FDM打印機可以制造零配件解決設備故障,并在一定程度上替代金屬零件;除了可以進行快速原型制造之外,有企業(yè)還采用它進行小批量零件生產(chǎn),并用作最終零部件使用。
工業(yè)級FDM打印機
工業(yè)級別的FDM設備與消費級和專業(yè)級相比增加了恒溫腔室和高溫噴頭,打印艙的溫度甚至可以達到300℃,專門用來打印PEEK、PEKK、ULTEM、PEI等高性能材料,并滿足應用端對耐高溫、防腐蝕和抗高沖擊力材料以及對大尺寸和高效率等工業(yè)級別的需求。
中國代表企業(yè):上海遠鑄智能(INTAMSYS),備受國際頂級科研機構(gòu)青睞。
遠鑄智能工業(yè)級高溫FDM設備打印的PEEK工裝夾具
遠鑄智能工業(yè)級3D打印機
作為FDM技術(shù)類型的頂端工藝,工業(yè)級FDM在研發(fā)方面存在一定難度,其生產(chǎn)的零件具有最高的性能、精度和質(zhì)量,適用于航空、國防、研發(fā)和制造等需要使用特殊工程塑料的行業(yè)。
在汽車制造領域,此類設備能夠生產(chǎn)滿足機械性能的功能原型,并滿足小批量的生產(chǎn)需求;在醫(yī)療領域,通過其打印的PEEK可以植入人體;而在航空航天領域,由工業(yè)級FDM技術(shù)打印的ULTEM材料已經(jīng)獲得了航空認證,并被允許用于制造飛機內(nèi)飾。
工藝創(chuàng)新——打印復合材料和金屬材料
雖然我們已經(jīng)知道采用FDM技術(shù)可以打印碳纖維以及玻璃纖維復合材料,甚至還可以打印金屬材料,但對于該技術(shù)本身而言,從誕生之初到今天,從未被開發(fā)出如此強大的功能并發(fā)掘出如此潛力。
基于FDM技術(shù)的連續(xù)纖維3D打印工藝,借助雙噴嘴將纖維填充進熱塑性絲材,從而起到材料增強的效果。由此工藝打印的碳纖維增強PEEK、PA部件,甚至可用于航空航天、國防以及汽車領域,并能夠在一定程度上替代金屬部件。
Markforged推出的金屬和復合材料3D打印機
采用FDM技術(shù)來打印纖維復合材料的典型代表廠商是Markforged,同時該公司還開發(fā)出了基于FDM技術(shù)的金屬3D打印機,其材料形式與普通的PLA、PA一樣,均為細絲。該公司也基本可以認定為第一家采用FDM來打印金屬的公司,目前可成型材料涉及不銹鋼、高溫合金、銅等多種類型。這兩種類型的3D打印機應當歸類于專業(yè)級FDM,Markforged在該領域取得了巨大成功,目前已經(jīng)宣布上市。
市場分析
隨著前些年3D打印炒作而涌入的很多公司最終不得不面對倒閉的結(jié)局,而最終沉淀下來的企業(yè)逐漸具備了一定規(guī)模,Ultimaker、MakerBot、創(chuàng)想三維等企業(yè)得以發(fā)展壯大,而只有少數(shù)企業(yè)通過從消費市場過渡到專業(yè)和工業(yè)級市場而幸存下來。
這種轉(zhuǎn)變還表明,用戶對小型工業(yè)系統(tǒng)的需求日益增長。將重點轉(zhuǎn)移到專業(yè)和工業(yè)用戶上,就要求供應商改進其解決方案。這導致了需要在傳統(tǒng)桌面機的設計中引入僅在大型高端3D打印機中才具備的工業(yè)功能,例如針對高端需求必備的高溫加熱床、保溫裝置和雙擠出噴嘴等已成為專業(yè)和工業(yè)級別臺式3D打印機的必要配置。制造商則需要在保持緊湊設計的同時提高生產(chǎn)率和可靠性。
在今年2月底,Stratasys工業(yè)級FDM 3D打印機的高溫腔室設計專利已全部到期。包括INTAMSYS創(chuàng)始人在內(nèi)的諸多專業(yè)人士普遍認為,未來會有更多廠商參與進來并推出更好的解決方案,這將為客戶帶來更多的創(chuàng)新、更低的成本、更多的應用以及更好的投資回報率。工業(yè)級FDM打印機將會越來越普及、更具競爭力,且將取代更多的傳統(tǒng)制造方法。
當前,無論是消費級、專業(yè)級還是工業(yè)級,對于國內(nèi)的設備商來說,其營收仍舊主要來自于海外,外媒甚至稱主要的消費級打印機是由中國制造的;而對于一些高端應用案例,也多來自于國外用戶。這也意味著,國內(nèi)制造商的技術(shù)實力已經(jīng)足以與國外品牌競爭,并占據(jù)了不錯的市場地位;而對于國內(nèi)市場,隨著各行業(yè)對3D打印技術(shù)認知水平的提高,其增長空間巨大,這也是設備商們正在加大國內(nèi)市場投資的原因。
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