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增材制造工业现状纲要

来源:国际金属加工商情 发布时间:2022-05-16 1066
工业金属加工金属加工金属切削机床金属成型机床模具及冲模焊接设备及工具其他金属材料表面处理测量及控制系统电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 3D打印
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能源行业的整个产业链都在使用增材制造技术。

自从增材制造(也称3D打印)进入商业领域,已有近35年的时间。期间它不断成熟,在航空航天、汽车、国防、能源、交通、医疗、牙科和消费产品行业均得到了应用,范围之广超越了所有人的想象。


虽然应用广泛,但很明显,增材制造并不是万能的解决方案。根据ISO/ASTM 52900术语标准,几乎所有商用增材制造系统都可归于七种工艺类别中的一种,按销量高低、受欢迎程度排列,依次为材料挤压(MEX)、还原型光聚合(VPP)、粉末床熔融(PBF)、粘结剂喷射(BJT)、材料喷射(MJT)、定向能沉积(DED)和薄板层压(SHL)。


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多个波导零件集成为一个3D 打印部件(图片来源:Swissto12 公司)

过去,大力倡导采用增材制造技术的主要是有技术经验的工程师们。但是现在,管理层也注意到增材制造技术在提高产品性能、缩短交货时间、创造新的业务机会上的更大优势。不过增材制造不会取代大多数传统制造形式,它只是企业家们用来开发和制造产品的众多选择中的一个。

商业应用案例


增材制造的应用范围很广泛,从微流体到大规模建筑领域均有涉及。针对不同行业、应用领域以及不同性能预期,增材制造能够实现的好处是不同的。但不管何种用例,采用增材制造技术都颇有裨益。它最常见的应用领域是概念建模、设计验证、适配性和功能测试。越来越多公司正在将增材制造技术应用到工具安装、系列量产以及定制产品开发上。


航空航天领域非常重视重量这项技术。美国宇航局马歇尔太空飞行中心(NASA Marshall Space Flight Center)表示:将0.45公斤的有效载荷送入地球轨道约需花费1万美元。减轻卫星重量可以节省发射成本。图1展示的是Swissto12公司生产的一个金属增材制造部件,采用增材制造技术,将多个波导零件集成为一个部件,将重量降低到了0.08 kg以下。


能源行业的整个产业链都在使用增材制造技术。有些公司用增材制造技术进行快速迭代设计,以便在最短时间内开发出尽可能好的产品。在石油和天然气领域,部件或组件损坏可能导致每小时生产损失数千美元。用增材制造技术帮助恢复生产,效果特别显著。


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油气管道夹钳。(图片来源:MX3D 公司)


大型DED系统制造商MX3D公司发布了一款修复管道的夹具原型。该公司表示,一条受损管道每天约需花费10-100万欧元。图2展示的夹具,采用CNC零件为框架,用DED系统焊接管道的外部。增材制造技术可实现高沉积率,将浪费降至最小,同时也达到了CNC交货件所需的精度。


2021年,TotalEnergies公司在北海的一个石油钻井平台上安装了3D打印制成的水套管。水套管是一款至关重要的安全部件,用于控制在建井的碳氢化合物溢流。与传统的锻造水水套管相比,使用增材制造技术,缩短了交货时间,减少了45%的排放量。


在另一个案例中,增材制造技术减少了昂贵的工具安装费用。 Phone Skope公司设计数码适配器,用于将手机摄像头连接到望远镜或显微镜上。每年都有新手机推出,所以公司就需要不断推出新型适配器,需要将之前的工具换掉。使用增材制造技术后,这家公司省去了大笔昂贵的工具安装成本。

增加自动化


增材制造要实现增长潜力,就需要能够应对挑战。大多数制造应用都要求流程具有可靠性和可重复性。


其中最受关注的,就是后处理流程的自动化,比如粉末去除和抛光。将量产流程自动化后,同样的技术可以重复数千次。挑战在于,自动化的具体方法可能需要根据零件类型、尺寸、材料和工艺的不同而改变,例如,牙科中用到的齿冠与火箭发动机零件的后处理自动化非常不同,尽管两者可能都用金属制造。


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使用Solukon SPR 技术从金属零件中流出的粉末。(图片来源:Solukon Maschinenbau)


用增材制造技术优化零件后,通常会增加其特性及内部通路的复杂度。使用PBF的公司需要应对一项大挑战:将粉末完全去除。Solukon公司生产自动粉末去除系统,开发了一款名为“智能粉末回收(SRP)”的技术,可以旋转、振动那些仍附着在架构板上的金属零件。旋转和振动是通过零件的CAD模型驱动的。在精准地移动、摇动零件后,被捕获的粉末就会近似液体一般地流动起来。这种自动化解决方案减少了人工劳动,提高了除粉流程的可靠性及可重复性。


人工去除粉末需要面对的挑战和限制,会限制将增材制造技术用于系列生产的可行性,即使量很小。这款Solukon金属粉末去除系统可以在惰性气体中操作,还能将未用过的粉末收集起来,在增材制造机器中重复使用。


从聚合物PBF中手动去除粉末很耗时。DyeMansion和PostProcess Technologies等公司正在制造可以自动去除粉末的后处理系统,通过翻滚和爆破介质去除多余的粉末。惠普公司已经开发出了自己的系统,据说可以在20分钟内从Jet Fusion 5200的建造室中去除粉末。这套系统可以将未熔合的粉末存储在一个单独容器中,便于非增材制造应用重新使用或回收。


如果可以将自动化应用于大多数的后处理步骤,那么众多公司就都可以从中获益。DyeMansion公司有除粉、表面处理和上色系统。PowerFuse S系统可以装载零件,用蒸汽光洁零件后,再把它们卸载下来。该系统还配有一台不锈钢机架,可以手动悬挂零件。PowerFuse S系统可以实现类似注塑模具的表面光洁度。


目前行业所面临的最大挑战,是搞清楚自动化所能提供的真正机遇。当需要生产100万个聚合物零件时,传统的浇筑或成型工艺可能是最佳解决方案(当然这取决于部件的实际情况)。在工具安装生产、测试阶段,通常可将增材制造技术用于首次生产运行。在自动后处理的帮助下,增材制造技术可以可靠、重复地生产成千上万个零件,当然这也取决于部件的实际情况,可能需要定制解决方案。

向着未来前进


增材制造是个跨行业技术。许多组织都展示了可能带来功能性产品和服务的有趣研发成果。在航空航天行业,Relativity Space公司使用其专利的DED技术制造金属零件,生产出最大的一款增材制造系统。公司希望利用这项技术来生产大部分火箭零件。其Terran 1号火箭可以将1250公斤(2755磅)的有效载荷送入近地轨道。Relativity公司计划在2022年中期对这款火箭进行测试,并已在考虑生产一款可重复使用的更大型火箭Terran R号。


Relativity Space公司开发的Terran 1号和R号火箭,让我们重新思考未来太空飞行会是什么样子。采用增材制造技术进行设计和优化是这次研发的一大亮点。这家公司称:与传统制造的火箭相比,这种方法将部件数量减少了100倍。公司还称可以在60天内用原材料生产出一枚火箭。这将是一个多个零件合并、极大简化供应链的好案例。


在牙科领域,增材制造技术已被广泛用于制造齿冠、齿桥、外科牙钻导向器、局部假牙和矫正器。 Align Technology公司和SmileDirectClub公司采用3D打印技术开发零件,用于热成形透明塑料牙套。Align Technology公司是Invisaligned品牌生产商,使用多款3D systems公司出品的还原光聚合(VPP)系统。


2021年这家公司发布的报告称:自1998年获得FDA批准以来,他们已经治疗了超过1000万名患者。假设平均每名患者在治疗中需要用到10个矫正器(这是个保守估计),那么这公司已经生产了超过1亿个增材制造零件。VPP零件很难回收,因为是热固性塑料。而SmileDirectClub公司采用惠普公司的多射流熔合(MJF)系统来生产热塑性零件,这样就可以回收它们,用于非增材制造应用。


之前,VPP系统造不出牙齿矫正器所需强度特性的薄而透明的部件。2021年,LuxCreo公司和Graphy公司各自发布了一种可能有效的解决方案。截至今年2月,Graphy公司已经获得了FDA批准,可直接3D打印牙齿矫正器。直接打印可以缩短、简化从开始到结束整个生产流程,而且很可能更便宜。


 3D打印技术用于大规模的建筑应用(比如房屋)的早期研发过程受到了媒体的广泛关注。通常采用挤压工艺打印房屋墙壁,而房子的所有其他部分则采用传统方法和材料制作,包括地板、天花板、屋顶、楼梯、门、窗户、电器、橱柜和台面。采用3D打印墙壁,可能会增加安装电气、照明、供暖和空调管道及通风口的费用。与传统建造的墙相比,混凝土墙的内外饰更难以实现。


美国橡树岭国家实验室的研究人员正在研究用3D打印墙储存能量的方法——在建造过程中将管道插入墙壁,通过墙壁加热、冷却水。这个研发项目很有趣,很有创意,但仍处于研发早期阶段。


大多数人都不了解3D打印建筑或其他大型建筑物可能带来的经济效益。 这项技术已被用于制造桥梁、庇护所、公园长凳以及建筑和外部环境的装饰元素。采用增材制造技术的主要好处有:可以制作复杂的形状,实现复杂的特征,减少零件数量,减少材料和重量,提高性能。如果增材制造技术增加不了价值,您最好斟酌一下是否需要用。


收购之年


从2021年至今,与增材制造相关的并购活动遍布各地。2021年10月,Stratasys公司收购了英国工业喷墨打印机制造商Xaar的子公司Xaar 3D剩余55%的股份。Stratasys的聚合物PBF技术被称为“选择性吸收融合”技术,由Xaar喷墨打印头提供动力。Stratasys的H350机型与惠普的MJF系统构成竞争关系。


Desktop Metal公司发动了一波收购狂潮——2021年2月收购了一家增材制造系统长期制造商Envisiontec公司;2021年5月收购了用于VPP的弹性体聚合物开发商Adaptive3D公司;2021年7月收购了多材料粉末喷涂工艺开发商Aerosint公司。最大的一笔收购发生在2021年8月,它以5.75亿美元收购了竞争对手ExOne公司。


 Desktop Metal对ExOne的收购,将这两家著名的金属BJT系统制造商合为一体。通常,许多人们认为这项技术尚未达到市场接受程度。这两家公司将继续面对众多挑战,比如可重复性、可靠性以及在问题发生时就找到问题的源头等。如果这些难题被攻克了,这项技术就有机会渗透进大型市场。


软件和云平台开发商们也已看到增材制造行业的增长潜力。对于跟踪增材制造价值链的管理执行系统(MES)来说尤为如此。3D Systems公司2021年9月同意以1.8亿美元收购Oqton公司。Oqton是一家成立于2017年,为改善增材制造工作流程和效率提供云解决方案的公司。 Materialise公司于2021年11月以3350万美元收购了Link3D公司。与Oqton一样,Link3D的云平台可以追踪增材制造作业,简化增材制造流程。


2021年的最后一场收购大戏,是国际材料试验协会(ASTM International)收购Wohlers Associates公司。两家将一起努力用好Wohlers品牌,为增材制造技术在全球更广泛的应用提供支持。作为ASTM增材制造卓越中心的一部分,Wohlers Associates公司将继续制作Wohlers报告及其他出版物,提供咨询服务、市场情报及培训。


增材制造行业已经成熟,许多工业部门都在广泛应用这种技术。 但3D打印并不会取代大多数其他制造形式,反而会创造出新的产品类型和商业模式。众多企业正在使用增材制造技术减轻零件重量,减少交货期和加工成本,增加产品的个性化,提高产品性能。随着新公司、新产品、新服务、新应用和新案例的不断出现,增材制造行业有望继续以惊人的速度增长壮大。

作者:Terry Wohlers、Noah Mostow,Wohlers Associates公司


来源:荣格-《国际金属加工商情》

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