增材制造系統(tǒng)供應(yīng)商仍然面臨一些技術(shù)和產(chǎn)量方面的挑戰(zhàn)，但將在 2020 年取得重大市場(chǎng)進(jìn)展。

Velo3D 的金屬打印工藝可以為汽車、航空航天、石油和天然氣等行業(yè)，生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜的零部件，圖中就是幾個(gè)例子。（圖片來(lái)源：Velo3D）

MarketsandMarkets 最近的一份研究報(bào)告顯示，2019 年，全球 3D 打印金屬市場(chǎng)的估值約為 7.74 億美元。這家研究公司預(yù)計(jì)，未來(lái)，3D 打印金屬市場(chǎng)將以 32.5% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，并在 2024 年達(dá)到 31 億美元以上。該報(bào)告指出，在這種增長(zhǎng)背后，主要原因是航空航天、國(guó)防和汽車終端行業(yè)對(duì)3D 打印金屬的需求不斷增加，以及 3D 打印技術(shù)在降低制造成本和縮短交貨時(shí)間等方面所體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

此外，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)增長(zhǎng)的另一個(gè)關(guān)鍵原因是其在質(zhì)量保證方面的能力：金屬增材制造設(shè)備必須能夠始終如一地生產(chǎn)質(zhì)量高度穩(wěn)定的零部件?！半S著越來(lái)越多 OEM 不再滿足于單純的產(chǎn)后檢測(cè)，生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)控和質(zhì)量保證已經(jīng)成為了眾多解決方案提供商的工作重點(diǎn)。”Velo3D 技術(shù)合作副總裁 Zach Murphree 博士表示，“測(cè)量機(jī)械完整性、檢測(cè)表面缺陷和孔隙度對(duì)于零件質(zhì)量至關(guān)重要，每個(gè)解決方案提供商都需要認(rèn)真考慮如何解決這些難題，到時(shí)候誰(shuí)能拿出適用于關(guān)鍵組件的質(zhì)量控制解決方案，誰(shuí)就能最終勝出。設(shè)備廠商和第三方供應(yīng)商都應(yīng)著力于解決 OEM 的痛點(diǎn)?！?/p>

目前，Sigma Labs 等公司已經(jīng)開始提供可以在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)。Sigma Labs 總裁兼首席執(zhí)行官 John Rice 最近在接受NetworkNewsAudio 采訪時(shí)說(shuō)，“我們的硬件/軟件包可以觀察并評(píng)估生產(chǎn)過(guò)程，并且利用熱信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中零部件規(guī)格出現(xiàn)偏離的情況?！彼f(shuō)，“我們可以識(shí)別質(zhì)量問題發(fā)生的前兆，并及時(shí)提醒設(shè)備操作員及時(shí)停止生產(chǎn)并作出修正，從而降低零部件報(bào)廢或生產(chǎn)受限的情況?！?/p>

Rice 提到，如何保證質(zhì)量是行業(yè)面臨的“主要挑戰(zhàn)”，但他同時(shí)認(rèn)為公司的PrintRite3D 5.1 等技術(shù)可以助力金屬 3D 打印技術(shù)最終改變制造業(yè)的整個(gè)格局?！澳憧梢杂?20 或 40 個(gè)零件拼湊成你想要的部件，也可以使用 3D 金屬制造工藝直接把你想要的部件一次性打印出來(lái)，無(wú)論這個(gè)部件的幾何形狀多么復(fù)雜、性能要求多么高?！彼f(shuō)，“這將完全改變未來(lái)工廠的運(yùn)作配置方式。到時(shí)候?qū)⒉粏螁斡杏赏暾a(chǎn)線組成的傳統(tǒng)工廠，還會(huì)出現(xiàn)徹底改變零部件分配方式的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）工廠，就像亞馬遜和沃爾瑪所做的那樣?！?/p>

Sigma Labs 目前擁有六家企業(yè)公司，包括三家 OEM 和三家終端用戶，預(yù)計(jì)將在 2020 年初完成設(shè)備的測(cè)試和評(píng)估環(huán)節(jié)。”Rice 表示，“2020 年將是收獲市場(chǎng)的一年。”

Sigma Labs 開發(fā)了一種專有的硬件和軟件技術(shù)，可以使用熱讀數(shù)來(lái)檢測(cè)和預(yù)測(cè) 3D 打印過(guò)程中的異常情況。（圖片來(lái)源：SigmaLabs）

需要解決的挑戰(zhàn)

金屬增材制造行業(yè)需要在 2020 年開展哪些工作？這是增材制造系統(tǒng)提供商 Velo3D 向多位增材制造專家（非客戶）拋出的問題，目的在于更好地了解這些專家對(duì)明年市場(chǎng)發(fā)展的見解。這項(xiàng)調(diào)查還揭示了一系列為了讓市場(chǎng)充分發(fā)揮潛力而仍需解決的領(lǐng)域。

Xometry 應(yīng)用工程總監(jiān) Greg Paulsen 表示，客戶教育和預(yù)期管理非常重要?！笆袌?chǎng)中仍存在很多有關(guān)增材制造的定義、可以打印的產(chǎn)品以及最佳使用方法的混淆?！彼f(shuō)，“市場(chǎng)教育仍任道重遠(yuǎn)，如何保證技術(shù)的一致性和可重復(fù)性也值得討論。隨著粉末熔覆（PBF）、沉積和粘合劑噴射等新技術(shù)的出現(xiàn)，我們需要團(tuán)結(jié)整個(gè)制造社區(qū)，幫助新用戶了解每種技術(shù)的特有價(jià)值以及優(yōu)缺點(diǎn)。”

根據(jù) MarketsandMarkets 的預(yù)測(cè)，在報(bào)告的預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，粉末熔覆（PBF）將在 3D 打印金屬市場(chǎng)中占據(jù)最大份額。該技術(shù)的增長(zhǎng)主要憑借其通過(guò)先進(jìn) CAD 流程（如拓?fù)鋬?yōu)化）創(chuàng)建詳細(xì)的、輕量級(jí)零件的能力。該報(bào)告還預(yù)測(cè)，未來(lái)四年內(nèi)，鈦材料將在 3D 打印金屬市場(chǎng)中占據(jù)最大份額。這種材料的高抗沖擊性和耐高溫性都是運(yùn)輸行業(yè)非常重視的特性。

近年來(lái)，盡管增材制造材料和加工技術(shù)方面均出現(xiàn)了重大進(jìn)展，但仍有較大的改進(jìn)空間。奧鋼聯(lián)公司（voestalpine）材料科學(xué)家 Yuan Tian 博士表示，“未來(lái)預(yù)計(jì)將有更多不可焊接材料選擇增材制造，比如 Stellite6 和 Inconel738 等。”他說(shuō)，“激光粉末熔覆（LPBF）工藝還必須在表面光潔度、變形控制和后加工成本方面做的更好，而且還必須更好地減輕印刷過(guò)程中的應(yīng)力，并降低對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的需求?！盩ian 對(duì)未來(lái)市場(chǎng)的期望主要集中在以下幾個(gè)方面：體積更大的電子束熔化（EBM）室，繼續(xù)提高打印精度，更好地控制 Binder Jet 工藝的收縮問題，以及直接打印大型零部件而無(wú)需配合定向能量沉積（DED）工藝的能力。

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PrintRite3D Inspect 采用了新的熱能密度（TED）算法，可提供以 100 微米為單位的分辨率。（圖片來(lái)源：SigmaLabs）

根據(jù) Velo3D 公司的Murphree 的說(shuō)法，我們需要在零件的幾何形狀上發(fā)揮更大的想象力，而這也會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)打印機(jī)的發(fā)展。他說(shuō)，“我們行業(yè)必須學(xué)會(huì)忘記一些根深蒂固的限制。除此之外，我們不但需要共同開發(fā)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，并且還需將這些設(shè)計(jì)工具更好地應(yīng)用至打印的準(zhǔn)備工作中，比如如何將這些設(shè)計(jì)工具和生成 3D 打印構(gòu)建文件的軟件緊密聯(lián)系起來(lái)。未來(lái)使用 .stl 文件格式的情況會(huì)繼續(xù)減少，但目前還沒有其他廣為接受的替代格式。”

此外，我們還必須提高激光粉末熔覆（LPBF）等工藝的產(chǎn)量。Divergent 增材制造部門的實(shí)施負(fù)責(zé)人 Taylor Doty 表示：“LPBF 系統(tǒng)必須提高打印速度，并提供更大的打印室，這樣才能充分發(fā)揮金屬增材制造方面的潛力。”他說(shuō)，“具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)嵌套，也就是將部件堆疊在一起，來(lái)提高構(gòu)建密度的能力將對(duì)提高打印速度和生產(chǎn)效率至關(guān)重要。不過(guò)，這種嵌套必須用到支撐結(jié)構(gòu)件，而你從設(shè)計(jì)零部件的時(shí)候就必須提前考慮到未來(lái)生產(chǎn)中要用這些支撐件的情況。”

一些專家指出，行業(yè)整合是不可避免的。增材經(jīng)濟(jì)學(xué)金屬增材制造專家 Alex Kingsbury 表示，目前，增材制造業(yè)涌現(xiàn)了大量來(lái)自不同設(shè)備提供商的增材制造設(shè)備，各種模態(tài)類型和材料應(yīng)有盡有。“在此背景下，這些企業(yè)必須清楚地向市場(chǎng)傳達(dá)自己的價(jià)值主張，否則很難脫穎而出?！彼f(shuō)，“在這個(gè)市場(chǎng)中，克服成本壓力、提高材料靈活性、突破制造限制都將是非常具有吸引力的價(jià)值主張。最終，我們將在增材制造行業(yè)中看到更多整合，但目前還需耐心等待?！?/p>

差異化將是企業(yè)生存的關(guān)鍵。Phoenix Analysis & Design Technologies 董事兼共同所有人 Eric Miller 表示，“LPBF 市場(chǎng)中的公司太過(guò)飽和了，但都大同小異，很難看到真正的差異化?！彼f(shuō)，“未來(lái)，誰(shuí)能證明他們可以降低成本、提高質(zhì)量并保證穩(wěn)定生產(chǎn)，誰(shuí)就可以取勝。誰(shuí)無(wú)法找到自己的真正差異性，誰(shuí)就很容易從 2020 年開始出現(xiàn)錢不夠燒的情況。”

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6K 公司的 UniMelt 微波等離子平臺(tái)已經(jīng)可以利用可持續(xù)資源，生產(chǎn)增材制造所需的原料粉末。（圖片來(lái)源：6K）

金屬粉末的發(fā)展

目前，6K（前身為 Amastan Technologies）等公司正在開發(fā)用于增材制造的新型先進(jìn)材料。據(jù) 6K 公司表示，該公司的 UniMelt 微波等離子平臺(tái)是世界首個(gè)可以利用可持續(xù)資源，生產(chǎn)增材制造粉末的系統(tǒng)。6K公司的工藝可以將經(jīng)過(guò)認(rèn)證的化學(xué)加工切屑、銑屑等可回收原料，轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的金屬粉末，用于增材制造。

6K 公司首席執(zhí)行官 Aaron Bent 表示，“增材制造行業(yè)要想大幅提升零部件生產(chǎn)的規(guī)模，并擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景，粉末原料的生產(chǎn)技術(shù)必須首先取得進(jìn)步，這樣才能提供更強(qiáng)大的商業(yè)案例?！彼f(shuō)，“具體來(lái)說(shuō)，粉末的總成本結(jié)構(gòu)必須更低，性能必須更高，而這兩點(diǎn) 6K 的工藝都能實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，我們不能止步于此，而是要從構(gòu)建增材制造零件的完整生產(chǎn)周期出發(fā)，提供更合適的粉末原料和商業(yè)模式。”

該公司還計(jì)劃利用增材制造過(guò)程本身中的支撐結(jié)構(gòu)件和打印報(bào)廢品等材料作為原料，生產(chǎn)增材制造粉末。Bent 表示，我們的目標(biāo)是 100％ 地利用進(jìn)入供應(yīng)鏈的所有材料，為增材制造的最終用戶提供一種新的項(xiàng)目成本管理和供應(yīng)鏈控制方式，并同時(shí)朝著實(shí)現(xiàn)增材制造循環(huán)經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

6K 可針對(duì) MIM、LPBF、EBM、DED 或 Binder-jetting 粘合劑噴射等各種主流增材制造工藝，提供尺寸合適的專用粉末。（圖片來(lái)源：6K）

6K 公司的 Alloy Reclamation 合金回收技術(shù)可以從減材制造等過(guò)程中回收金屬和合金。目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以每年從航空航天、醫(yī)療和汽車產(chǎn)品的鋁合金行業(yè)中回收并銷售超過(guò) 500 噸的 Ti-64。這家公司聲稱，他們可以針對(duì)不同的增材制造工藝，比如 MIM、LPBF、EBM、DED 或 Binder-jetting 粘合劑噴射等，提供不同尺寸的金屬粉末，從而達(dá)到接近 100% 的 UniMelt 工藝產(chǎn)出率，比氣體霧化工藝高 3 到 4 倍。

“這意味著所有經(jīng)過(guò)加工的合金都可以成為增材打印的粉末原料，”Bent 說(shuō)，“此外，我們還可以創(chuàng)造以前無(wú)法想象的新型增材制造粉末：從非共晶合金（如高熵合金）制造的粉末，到可以在粉末熔覆系統(tǒng)中進(jìn)行打印的鋁合金粉末等?！蹦壳?，6K 公司正在建設(shè)一個(gè)具有全球領(lǐng)先水平的增產(chǎn)制造粉末生產(chǎn)設(shè)施，占地 40,000 平方米，預(yù)計(jì)將在 2020 年第一季度投產(chǎn)。