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TCT Asia帶您縱覽金屬增材制造的20多年發(fā)展歷史和格局

2023-09-04 15:26 作者:TCT亞洲視角 0人讀過(guò) | 我要投稿

談到強(qiáng)度和耐用性，沒有什么能比得上金屬3D打印。最早的金屬3D打印專利是DMLS（直接金屬激光燒結(jié)），由德國(guó)EOS在1990年代獲得。從那時(shí)起，金屬3D打印逐漸發(fā)展出了許多種類的打印工藝。

01

80年代末增材制造的首次商業(yè)化

增材制造的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置和早期機(jī)器概念的提出可以追溯到20世紀(jì)6、70年代。然而，第一批商業(yè)化的系統(tǒng)是在80年代末才出現(xiàn)的。常被冠以發(fā)明“現(xiàn)代”3D打印機(jī)的人是查爾斯W.赫爾(Chuck Hull)。在1984年，他定義了專利術(shù)語(yǔ)StereoLithography Appearance(光固化成型技術(shù)，系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建多個(gè)截面的方式生成三維物體對(duì)象，把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成為實(shí)物)。這也標(biāo)志著3D打印技術(shù)的產(chǎn)生。

繼SLA的商業(yè)化之后，DTM公司 (2001年被3D Systems收購(gòu))在1992年推出了第一臺(tái)選區(qū)激光燒結(jié) (SLS) 系統(tǒng)。這兩種技術(shù)在今天仍被廣泛用于聚合物的原型設(shè)計(jì)。隨著材料和機(jī)器技術(shù)的快速發(fā)展，也被用于生產(chǎn)許多最終應(yīng)用部件。

進(jìn)入21世紀(jì)后，金屬3D打印技術(shù)逐漸被大眾所接受，特別是在2010年之后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，金屬3D打印除了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療用品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮作用外，在電影動(dòng)漫、氣象、教育、食品行業(yè)等領(lǐng)域也在不斷發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

02

金屬增材制造的發(fā)展與演變

現(xiàn)代激光粉床工藝（LB-BF）的祖先之一是EOS于1994年推出的直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）技術(shù)。當(dāng)時(shí)，EOS已經(jīng)在生產(chǎn)SLS機(jī)器。后來(lái)，他們調(diào)整了機(jī)器技術(shù)，在液相燒結(jié)過(guò)程中采用兩種成分的混合金屬粉末來(lái)打印金屬零件。該工藝通過(guò)熔化鋼顆粒周圍的低熔點(diǎn)基體材料（通常是銅或青銅），實(shí)現(xiàn)了一步到位的AM制造。

在90年代末，首次在增材制造工藝中使用高能光纖激光器，直接熔化單組分金屬合金。從此，可用于金屬增材制造的材料范圍有了質(zhì)的飛躍。

1999年，F(xiàn)OCKELE & SCHWARZE兩個(gè)人（至今仍在斯棱曼激光科技公司）推出了第一臺(tái)選擇性激光熔覆系統(tǒng)。很快，CONCEPT LASER、EOS和通快（Trumpf）在2003年都推出了利用激光能量直接熔化金屬合金的系統(tǒng)。

在歐洲，德國(guó)開展PBF業(yè)務(wù)的同時(shí)，總部設(shè)在美國(guó)的EXTRUDE HONE公司在1999年推出了第一個(gè)基于燒結(jié)的金屬AM系統(tǒng)。該技術(shù)采用的是使用金屬粉末的粘接劑噴射技術(shù)，在隨后的燒結(jié)過(guò)程中，金屬粉末致密成型，形成金屬零件。

金屬增材制造技術(shù)在過(guò)去20多年時(shí)間里蓬勃發(fā)展，可使用的材料更廣泛，比以前快得多，并且可以生產(chǎn)出質(zhì)量更高的部件。如今，市面上已有近20種不同的金屬增材制造技術(shù)（如下圖所示）。

03

跨行業(yè)批量化生產(chǎn)的邊緣

2013年，基于聚合物的熔融沉積成型（FDM）技術(shù)的專利到期，低成本的打印機(jī)開始進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。此后，關(guān)于增材制造的新聞報(bào)道大幅增加，上市的增材制造公司的股票價(jià)格暴漲，特別是LB-PBF系統(tǒng)被出售給許多充滿好奇的工業(yè)用戶和研發(fā)部門。在接下來(lái)的5年里，PBF系統(tǒng)的銷售持續(xù)增長(zhǎng)。第一個(gè)工業(yè)推動(dòng)者是醫(yī)療設(shè)備行業(yè)，他們使用EB-和LB-PBF系統(tǒng)在批量生產(chǎn)環(huán)境中制造牙冠、髖關(guān)節(jié)杯和脊柱籠等植入體。

2015年初，炒作3D打印的熱度開始逐漸退卻，從事增材制造業(yè)務(wù)公司的股票價(jià)格紛紛在這一年回落。然而，金屬PBF系統(tǒng)的銷售卻依然保持強(qiáng)勁，因?yàn)楦嗟男袠I(yè)，如航空、能源、天然氣和石油開始探索金屬增材技術(shù)。

2016年，Desktop Metal和惠普進(jìn)入市場(chǎng)，推出了他們的金屬BJ技術(shù)。與PBF相比，在生產(chǎn)力大幅提高的承諾下，形成了第二次炒作。2019年，第一批系統(tǒng)已經(jīng)在測(cè)試客戶處安裝。金屬BJ對(duì)傳統(tǒng)制造的真正影響還有待確定。特別是復(fù)雜的脫膠和燒結(jié)過(guò)程，將阻礙該技術(shù)被快速采用，并限制設(shè)計(jì)和應(yīng)用的可能性。

此外，國(guó)內(nèi)廠商方面，鉑力特從2014年開始研發(fā)多光技術(shù)，近十年來(lái)，已使用超大幅面、超多激光BLT設(shè)備為空天用戶穩(wěn)定交付零件。前不久，鉑力特助力星際榮耀液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研制，星際榮耀液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的大尺寸零件將在TCT Asia 2023的展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)亮相，更將有超多激光、大尺寸設(shè)備新品發(fā)布。

2023年初，鉑力特正式發(fā)布了硬質(zhì)合金增材制造成形工藝，解決了傳統(tǒng)工藝難以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎢鋼零件的問題。時(shí)隔半年，硬質(zhì)合金工藝的新應(yīng)用批量登場(chǎng)，來(lái)TCT亞洲展來(lái)展臺(tái)H31一探究竟！

鎢鋼嘴尖/管（產(chǎn)品將在TCT亞洲展現(xiàn)場(chǎng)展示）

將光纖激光用于SLS技術(shù)同樣是一項(xiàng)創(chuàng)新，因?yàn)楣饫w激光對(duì)于高分子聚合物幾乎沒有吸收。光纖激光相比CO2激光器功率更高、光斑尺寸更小、穩(wěn)定性更好，能夠解決后者制約生產(chǎn)能力與制造質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)難題。如果光纖激光能夠?qū)崿F(xiàn)超精細(xì)超高速燒結(jié)，高分子增材制造產(chǎn)能及制造水平將提升至全新高度。在該領(lǐng)域，華曙高科開發(fā)的Flight技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

華曙高科于2023年發(fā)布全新四激光金屬增材制造解決方案FS350M，以大尺寸、小身材、高效率、低成本等優(yōu)勢(shì)，為鞋模、模具、航空航天、汽車等行業(yè)新應(yīng)用帶來(lái)增效降本優(yōu)選創(chuàng)新方案。并將在9月12-14日TCT亞洲展K15展臺(tái)展示金屬增材制造解決方案FS350M，并現(xiàn)場(chǎng)開機(jī)運(yùn)行。

鐳明激光也將于九月TCT亞洲展H19展臺(tái)上全新推出選區(qū)激光熔化系列設(shè)備LiM-X800H，該設(shè)備為十激光多模式，成形尺寸為800mm x 800mm x 1660mm，在成形高度上實(shí)現(xiàn)新突破，是面向航空航天領(lǐng)域多元應(yīng)用場(chǎng)景的高效金屬3D打印設(shè)備。

易加三維最新金屬增材制造系統(tǒng)新成員EP-M1550將首次亮相TCT亞洲展K32展臺(tái)。該設(shè)備采用創(chuàng)新式四矩陣十六激光十六振鏡配置，該設(shè)備支持鈦合金、鋁合金、不銹鋼、高溫合金、模具鋼、鈷鉻合金等多種金屬粉末打印，成型效率最大可達(dá)540cm3/h，實(shí)現(xiàn)了超大尺寸SLM增材制造的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，助力提升打印件市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，歡迎大家屆時(shí)蒞臨TCT現(xiàn)場(chǎng)參觀交流。

04

總結(jié)

如今，金屬增材制造可以生產(chǎn)各種等級(jí)的不銹鋼、鈦、鈷鉻合金、鎳和鋁基等眾多材料。PBF在各行各業(yè)已處于批量化生產(chǎn)的邊緣，而BJT則剛剛起步。預(yù)計(jì)現(xiàn)有電子和激光束PBF系統(tǒng)制造商將著重發(fā)展要求嚴(yán)苛的高端市場(chǎng)，如醫(yī)療和航空業(yè)。PBF系統(tǒng)出色的材料性能和技術(shù)水平的高度完善，短期內(nèi)粘結(jié)劑噴射技術(shù)不太可能受到高端市場(chǎng)的青睞。

然而像汽車行業(yè)等大眾市場(chǎng)將會(huì)慢慢將重心從LB-PBF技術(shù)轉(zhuǎn)向粘結(jié)劑噴射技術(shù)上。由于價(jià)格潛力優(yōu)勢(shì)，金屬原型和模具市場(chǎng)未來(lái)將會(huì)迅速使用金屬FDM技術(shù)，并被占領(lǐng)。增材制造將取代部分傳統(tǒng)制造，同時(shí)也將催生出全新的產(chǎn)品，助力終端應(yīng)用的升級(jí)換代。
*部分資料來(lái)自：洞察金屬增材制造