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全面细说3D打印发展现状

2017-05-04 08:55
九一隐士
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3D打印与增材制造(AM)是两个可互换使用的术语。目前,3D打印行业发展态势良好,世界各地的相关组织(包括许多国家的政府)正投入大量资源,用于3D打印技术的开发与应用。许多新的公司和部门正以该行业过去未曾见过的方式开发3D打印产品和服务。新型的3D打印机和打印材料正以惊人的速度不断涌现。新的应用和进展表明,今后,3D打印将从过去主要用于原型制造演变为用于规模化生产。这一前景正激励着全世界无数组织去探索如何才能成为这一高速增长和激动人心的行业的组成部分。

投资状况

全球许多组织都在投资3D打印行业,有的投资额还相当大。例如,美国2015年初宣布,将投资2.59亿美元创建“先进复合材料制造创新研究所”。这是一个旨在将田纳西州东部开发为3D打印中心的公私合作项目。美国能源部承诺注资7,000万美元,其余资金来自122家企业和大学组成的财团。

2015年9月,美铝集团宣布斥资6,000万美元扩建一个研发中心,其中包括对3D打印方法和材料的开发。2015年10月,美国纽约州表示会投资1.25亿美元建造3D打印设施,并将其作为公私合作项目投入运营,挪威的Norsk Titanium公司是其主要合作伙伴。

2016年1月,全球最大的骨科及医疗器械企业之一Stryker公司宣布斥资近4亿美元建造用于生产钛金属骨科植入物的3D打印设备。2016年2月,西门子公司宣布投资2,140万欧元在瑞典设立金属3D打印设施。同月,总部位于英国的材料开发商Metalysis公司获得了2,000万英镑(约合2,840万美元)的投资,用于推动3D打印用金属粉末(如钛、钽和定制合金)的开发和商业化应用。

2016年一季度,通用电气(GE)斥资3,200万美元,在美国宾夕法尼亚州匹兹堡开设了一家占地1.16万平米、名为“增材制造技术进步中心”的研发中心,该中心将作为GE许多业务部门的测试基地。2015年12月,GE航空集团宣布在LEAP航空发动机上开始采用3D打印技术生产安装燃油喷嘴,该发动机于2016年开始投入使用。

据美国国家增材制造创新研究所(America Makes)所长Ed Morris介绍,截至2016年2月,全美已有163个组织成为该机构成员。而在一年前,其成员还只有120个。这一专注于增材制造(AM)技术的公私协作机构在AM研发项目上的投资超过8,700万美元,有150个合作伙伴参与其中。2016年3月,一个由该所牵头的项目又增加了大约1,000万美元的投资。

新企业和新机型

数量惊人的企业正蜂拥进入3D打印行业。2015年10月在美国加州圣克拉拉市举办的“Inside 3D Printing”展会上,至少有25家新入行企业展示了3D打印产品和/或服务。全球有许多企业都在提供工业级3D打印系统(售价在5,000美元以上),尽管其中只有少数企业参加了该次展会。根据《Wohlers报告(2016)》的研究,2015年,世界各地有62家制造商生产和销售工业级3D打印系统,而前一年这一数字仅为49家。

图1  理光AM S5500P 激光烧结机  

图2  AdditiveIndustries公司的MetalFAB1 Beta系统

理光(Ricoh)公司与日本Aspect公司合作开发了AM S5500P激光烧结(LS)机(见图1),并实现了商业化应用。该产品的打印空间为550mm×550mm×500mm,售价为7,500万日元(约合65.8万美元)。2015年9月,中国Farsoon公司与法国Prodways公司合作,在AM市场上推出了新型粉末热床熔融打印机。2016年初,Prodways公司又推出了称为“Prodways powered by Farsoon”的系列3D打印系统——ProMaker P系列。Prodways公司还销售Farsoon公司的热塑性粉末材料。

其他各种激光烧结(LS)3D打印机在市场上也层出不穷,瑞士Sintratec公司2016年推出其S1激光烧结机,该产品构建零件的打印空间为150mm×150mm×200mm,售价约为9,000欧元。波兰Sinterit公司也推出Lisa激光烧结机,尺寸规格与Sintratec的产品类似,售价约为7,000欧元。同时,韩国的数控机床企业Sentrol公司推出一款售价约为30万美元的大型激光烧结机,该机能够打印生产各种塑料、金属和型砂(用于铸造模具和型芯)零件。

其他大型3D打印设备也在不断开发和上市。2016年3月23日,荷兰的Additive Industries公司宣布,其推出不到三个月的MetalFAB1Beta系统(见图2)已经售罄。该系统的打印空间为420mm×420mm×400mm,最多可配置11个模块,并配备了自动化操作的打印平台板、多余粉末去除装置和两个打印室。该产品的基本价格为110万欧元,其客户包括空客APWorks、联合磨削集团和荷兰食品科技企业Dutch Kaak集团。以色列Massivit3D公司提供的3D打印系统能生产尺寸达1.2m×1.5m×1.8m的大型零件。由于该系统的分辨率相对较低,因此不适合许多对零件精度要求较高的AM市场,但它可能对主题公园、电影、戏剧表演道具、大型雕塑、营销/广告(可能还包括家具)的制作人具有吸引力。

几种生产光聚合物零件的快速3D打印机正在实现商业化应用。在过去一年中,该领域最受关注的企业是美国Carbon公司。该公司基于其连续液相界面生产(CLIP)技术推出了一种新机型,据说比其他3D打印机的打印速度快100倍。同时,韩国Carima公司也发布了其连续增材3D打印技术(C-CAT),这种具有替代性的光聚合物生产工艺能以高达60cm/h的速度(在垂直方向上)打印零件,比Carbon公司CLIP工艺的打印速度快4倍。

其他正在开发快速光聚合物3D打印技术的企业还包括加拿大的NewPro3D公司、意大利的Nexa3D公司和澳大利亚的Gizmo公司。这三家公司都宣称其各自采用的生产工艺具有很高的打印速度。

还有更多新型3D打印机即将面世。三家知名企业正准备推出各自的新产品,惠普(HP)公司在2016年底推出基于其多喷头熔融(Multi Jet Fusion)技术的新产品,它生产的热塑性零件与用激光烧结(LS)工艺生产的零件类似,但打印速度是LS的10倍。该公司还计划开发可生产多种颜色和具有特殊物理性能(如导电性)零件的3D打印机。佳能(Canon)公司计划在2017年左右将一种3D打印产品商业化,但尚未公布该机的具体技术,预计用于打印聚酰胺、聚丙烯和其它热塑性材料。美泰(Mattel)公司2016年下半年推出其基于材料挤出的新型ThingMaker 3D打印机,该产品售价为299美元,目标用户是孩子。早在半个世纪以前(1964年),该公司就开始销售益智玩具“爬虫ThingMaker”,它利用小型金属模具和称为“Plastigoop”的液态塑性材料制作各种类似橡胶的爬虫和昆虫。

图3  Mattel公司计划推出基于材料挤出的新型ThingMaker

新材料

生产材料(尤其是金属材料)的第三方企业也在快速涌入3D打印行业。其中,推出3D打印金属材料的企业主要有Equispheres(加拿大)、Carpenter技术公司(美国)、FalconTech(中国)、H.C.Starck(德国)、H?gan?sAB(瑞典)、LPW技术(英国)、大阪钛技术(日本)、Praxair表面技术(美国)和Sandvik材料技术(瑞典)。据Wohlers协会统计,共有34家公司提供用于3D打印的金属材料。

尽管与3D打印金属相比,3D打印聚合物的历史要长大约15年,但很少有第三方企业提供用于工业3D打印的聚合物材料。这是因为一些AM系统的主要生产商锁定了自己的3D打印机,防止使用其他打印材料。一些关键专利到期后,具有开放系统架构的新型3D打印机的开发使为这些机器提供聚合物的企业数量不断增加。

为工业3D打印系统提供聚合物材料的第三方公司主要有Arkema(法国)、DSM Somos(美国)、Evonik(德国)、Farsoon(中国)和Rhodia(法国)。据估计,现在共有23家公司提供用于工业3D打印系统的聚合物材料,而几年前这种公司只有很少几家。

新兴应用

应用3D打印技术制造模型和原型零部件已非常成熟。该行业对此类重要应用的工艺技术和加工流程的开发和完善已有28年的历史。下一个技术前沿和巨大机遇是用3D打印来制造满足规模生产质量的最终零部件,而这正是最近一段时期该行业的关注焦点和投资重点。

以色列Nano Dimension公司生产的3D打印机可用于制造印刷电路板(PCB)。2016年1月,该公司在德州达拉斯举办的SolidWorksWorld 2016展会上展出了样机和打印的PCB样品(见图4)。这种双打印头3D打印机采用材料喷涂技术来沉积作为基材的光聚合物,并用银纳米颗粒油墨作为导电迹线。打印头将银沉积在厚度为2μm的层中。打印一块尺寸为38mm×38mm的电路板大约需要75min,因此该公司目前主要针对原型制造和小批量应用。该机利用光来实现光聚合物的完全固化和银的烧结。

图4  Nano Dimension公司3D打印的电路板  

2015年初的报道显示,总部位于上海的WinSun公司实现了3D打印多层建筑物。过去已经发表过不少3D打印整幢房屋的文章,但其中大多数被认为并不可信。不过,WinSun的报道包括了许多详细的图片,表明其很有可能是真实的。

仔细检查后发现,只有墙体部分是3D打印并现场制作,然后在建筑结构位置进行组装。地板、天花板、屋顶、楼梯、厨房和浴室固定装置则是用常规材料和方法构建的。同样,管道、电气和采暖通风空调(HVAC)设施,以及隔热层、窗户、门、外部覆盖物(如壁板、砖和灰泥)和内部覆盖物(如灰板/石膏板)也是如此。

在这一特定案例中,很难得出采用3D打印技术构建房屋可以节省时间或金钱的结论。考虑到一台体积庞大、价格不菲、便携性差的3D打印机所增加的成本,这些3D打印墙体可能比常规墙体更昂贵、更耗时。采用3D打印可能有利于营销宣传和博人眼球,但其作用仅此而已,至少目前还是如此。

FDM现象

自21世纪初以来,熔融沉积成型(FDM)(ASTM和ISO标准更正式的术语是材料挤出)是全球最流行的3D打印工艺。据《Wohlers报告(2004)》的研究, Stratasys公司2003年销售的FDM打印机数量几乎与所有其他3D打印机一样多;2006年,Stratasys公司销售的FDM打印机(1723台)占到全部3D打印机销售量的54.7%。

虽然当时还很少有人意识到,但2007年成为了FDM技术的转折点。当年,一个专注于FDM技术的开源项目——RepRap开始获得有力的推动。这与由Stratasys持有的FDM关键性基础专利的到期时间正好吻合。2007年共售出66台低成本(售价在5,000美元以下)的仿制FDM打印机,而根据《Wohlers报告(2016)》的研究,到2015年,估计此类产品的销售量已增长到278,385台。2015年销售的工业级3D打印机(售价在5,000美元以上)为12,558台。

自从Stratasys公司在1991年售出第一台FDM打印机以来,情况已经发生了很大变化。很少有人预见到了过期专利和开源RepRap项目的巨大影响。虽然有如此多的企业试图围绕FDM建立自己的业务,但尚不清楚最终有多少企业能存活下来。虽然家庭中的普通消费者很少使用这些低成本3D打印机,但各种规模的企业将其用于基本建模和原型制造的需求正在推动其发展。此外,各个层级的教育机构也在大量购买这些3D打印机。

小结

虽然过去两年3D打印行业的股票表现不如一些“明星股”,但该行业发展势头强劲,并在开足马力全速前进。3D打印机各种新的应用也在不断发展,尤其在作为最终产品的零件制造领域。低成本的台式3D打印机越来越受欢迎,在企业和教育机构中尤其如此。过去28年打下的坚实基础,加上众多新的发展成果,显示了3D打印行业的光明前景:全球3D打印产品和服务很快将会达到数百亿美元的产业规模。

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