3D打印市场2018年的五大趋势预测

3D打印市场2018年的五大趋势预测

2017年12月11日,工业和信息化部会同国家12个部门印发了《增材制造产业发展行动计划(2017—2020年)》,意味着我国增材制造产业发展已从起步培育进入加速推广的新阶段。而放眼国际,国外3D打印行业在创新能力、关键技术、应用的广度和深度方面仍然处于领先地位,值得我们深入学习。今年一些国际3D打印厂商都有哪些新动作?明年又有什么新趋势值得关注?本文由Jeff Kerns所写,从五个方面回答了以上问题,笔者进行了翻译,希望给大家提供一些有用信息,开拓思路。以下为正文:
    低成本、新工艺和更多的研究投入将是未来一年驱动3D打印(也称“增材制造”)市场增长的三驾马车。未来的大部分增长都将归功于价格下降带来的更低的技术入门门槛和更广泛的应用人群。而自动化水平提升、不同材料的应用、体素控制和软件应用也对对市场增长起着起着积极作用。以下这些3D打印技术将成为2018年3D打印市场的新增长点,其中一些新技术将继续推动3D打印技术的极限。
    增长制造市场的兼并和收购
    增材制造市场未来的兼并与收购将更加激烈,尤其是通过收购以保证供应链平稳将变得越来越重要。通过厂商对原材料金属粉末公司的合作或收购行为可以预见哪些厂商将占据3D打印市场的领先地位。随着3D打印市场需求的激增,谁控制了供应链,谁就能引领市场。
    另一方面,市场整合将使该领域中小厂商的经营状况更加艰难,而通过收购可能获得新的发展机遇。收购和兼并活动将使从原材料到最终产品的各种流程更加合理化,使成本更低而效率更高。这也将促进3D打印从订单到生产实现更高水平的自动化。 
    自动化水平
    自动化水平提高带来的是低成本和高速度,通过减少工人可以实现3D打印的7*24小时不间断制造。
    今年,机器人单元应用开始遍地开花,而这一现象将在2018年变得更加常见。Formlabs、Stratasys (与Desktop Metal合作)、3D Systems全部都推出了全自动化打印单元,可以实现连续打印,省去了人工取出零件、替换构建托盘和启动新的打印任务的过程。Voodoo Manufacturing公司应用了优傲的协作式机器人,使产量提高了三倍。

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图1:Formlabs推出的Form Cell自动化打印单元,可实现利用软件减少支撑材料的使用。
 


    增材制造实现自动化将大大增加零件产量,使之与传统生产相媲美。“过去如果3D打印零件超过300到400个的话,我们就会选择用传统的注塑成型来生产了。而如果使用具有连续生产能力的3D Demonstrator,这个数字能上升到1500到2000个” ,FATHOM 公司联合创始人Rich Stump说,“Demonstrator的重复性连续生产让客户节约了时间和成本。相比较小批量的传统注塑成型生产,Demonstrator让增材制造不仅具有迭代设计和减少复杂性的优势,同时也让产品在价格上真正具备了竞争力”。
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图2:Stratasys Demonstrator提高了3D打印机的生产能力。每台打印机能进行实时通讯。每个零件和每道工序之间的生产无需停顿。
    实际上,这种3D 打印的自动化从网上报价阶段就开始了,Protolabs、 Stratasys,、3D Systems和Xometry都提供3D打印服务的网上报价,而像Voodoo Manufacturing和Fathom的小型厂商也开始了采用自动报价的形式。
    凭借自动化报价和连续打印,未来设计人员上传文件后,生产过程再无需人员参与,直到产品的后处理、包装和发运阶段。这个在技术实际上已经可行,而实际应用中尚未实施。因为虽然可以实现,但却未必是最好的。对于客户满意度来说,整个流程中有人工监视要更好,也有利于及时避免缺陷零件带来更多损失。
 
    零件的质量检测
 
    如果在打印过程中对每个零件进行检验将耗费巨额成本。而Sigma Labs软件公司可以实现对增材制造金属零件的质量检测。该公司的最初创立源于波音787梦幻客机在研发过程中需要质量保证软件以有效免去人工检查。质量保证软件能对实时制造过程和零件进行跟踪,确认每项记录在数字主线内的数据都在特定的窗口或参数范围内,该零件就会被认定合格。
这是用钛合金粉末生产的零件CT扫描图,这个零件非常小,但也包含了10万多个单粒子。左处白斑显示的是杂质物,虽然只是一个小点,但也会引起裂纹扩展,导致故障。
图3:这是用钛合金粉末生产的零件CT扫描图,这个零件非常小,但也包含了10万多个单粒子。左处白斑显示的是杂质物,虽然只是一个小点,但也会引起裂纹扩展,导致故障。
    只有通晓整个金属打印的制造过程才能实现这种检测,包括其热历史、微观结构以及影响最终产品性能的机械性能。这包含工艺窗口研发过程中进行的多次试验和错误测试,以获得实际制造过程中需要遵守的参考标准。开发过程中的测量值增加了质量软件在生产中使用的准确性。为了获得数据的同时不干预生产,Sigma Labs采用的是非接触式热传感器,跟踪打印过程中溶(焊)池和零件的温度。这个数据结合之前的测试研究,帮助确认成品的性能,而无需再做单独的质量检测。
    今天,美国能源部在阿尔贡国家实验室开展的先进光子源(Advanced Photon Source,APS)研究首次揭露了微观缺陷是如何在3D打印金属零件的生产过程中产生的。这项研究利用了美国领先的APS硬(短波)X射线源,将增材制造过程用成像的方式展现了出来。这种研究将为生产过程中的检查提供更准确数据,而这种增加的可靠性也将让增材制造市场获得不断增长。
 
    体素控制
 
    虽然检查零件的各部分质量很重要,但只是一部分,许多公司正在努力实现控制零件的各种属性。体素类似于像照片里的一个像素,只不过是三维的,我们可以把体素想象成是一个个微小的立方体。许多公司正尝试控制每个单独的体素来改变打印零件的颜色、硬度和其他属性。这将成为2018年3D打印领域的新趋势。
    控制每个体素的属性,比如导电性方面,可以通过热绝缘性和热传导性油墨能建立活性灵敏元件,在3D打印零件内打印出活性材料,甚至可以在3D打印结构内部直接打印出一个电池。
    目前,XYZ Printing的da Vinci彩色3D打印机和Mcor能实现彩色打印。Mcor出现已经有几年时间,只能利用纸材料进行分层打印。而da Vinci彩色3D打印利用的是热熔解积层(FFF)技术与喷墨相结合,简单的说就是在3D打印机上增加了二维彩色打印功能。


 
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4:da Vinci彩色 3D打印机可以实现1600万全色彩打印,打印速度为30-60mm/秒。


    Stratasys的Polyjet具有多个喷头并能在同个零件打印过程中改变颜色和硬度。最近的J750利用了新型软件将混合材质的3D打印与微观的体素级打印结合,帮助用户打印高级结构、渐变色、内置结构、和不同材质零件,满足对材质的各种严格要求。
    例如,许多助听器都是利用立体光固化(SLA)技术打印出来的,这种方法限制只能使用一种材料。而利用多喷头打印的助听器,内部包含坚硬的通道,使声音可以反弹穿过耳道,而其外部包覆的是一层柔软的弹性材料,可以让使用者佩带舒适。这类应用将促进3D打印在材料领域的增长。
    在2017北美放射学会年会上,Stratasys发布了3D打印的解剖结构,包括疾病病理,模仿生物结构的外观和感觉,帮助促进医学指导、检测和教育培训。在顶尖研究机构和制造商的共同合作下,现阶段服务初步包括功能完善的骨骼和心脏模型,血管结构模型将在2018年初发布。这项技术将消除在动物、人体模型或尸体上开展研究的条件限制,通过混合材料3D打印出来的仿生模型可以高度反映软组织和坚硬骨骼的复杂性。


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图5:外科实习生利用3D打印的心脏学习先天性心脏缺陷疾病


 
    《自然-生物科技》上刊登的一篇文章提到“3D生物打印正被应用到再生医学领域,满足组织和器官的移植需要。相对非生物打印,3D生物打印包含更多复杂性,例如材料的选择、细胞类型、生长和分化因子、活细胞敏感度和组织建造相关的技术挑战。满足这些复杂性需要结合工程学、生物材料科学、细胞学、物理学和医学领域的各种技术。3D生物打印已经应用到了多层皮肤、骨骼、人造血管、气管夹板、心脏组织、软骨质结构。其他应用包括开发高通量的3D打印组织模型供研究、药物研发和毒理学研究”。这项技术将有潜力成为数十亿美元的巨大市场,但由于规定限制,生物打印将比其他领域的3D打印市场增长要更缓慢一些。
 
    金属打印
 
    而在金属打印市场,并没有受到此种规定限制。不论是打印医疗设备或是制造飞机、火车还是汽车的零部件,2018年金属3D打印市场将保持稳定增长。 IDTechEx的一份报告指出,“在2017年,部分3D打印厂商推出了价格更加低、打印速度更快、材料更低廉的产品方案,增加产量和简化生产流程将使3D打印机和材料需求产生实质性增长。结合市场趋势, IDTechEx预测2028年全球金属3D打印市场将达到120亿美元”。
 
    今年,Desktop Metal Production System发布了一款桌面级金属3D打印机,具有双通道粉末喷头提高了金属粉末层的处理速度,能实现一层层的打印金属。喷头喷射一层金属粉末后会像传统的喷墨机一样喷上一层粘合剂。在零件底部加入了抗烧结剂,帮助支撑结构在后处理过程中能从构建托盘上顺利脱离,节约打印时间。

 
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Desktop Metal能快速提高打印速度,打印零件一次完成。在叶轮的打印过程中,对比激光烧结3D打印机,同等时间内激光打印机可以打印12个叶轮,而这款新型的桌面金属打印机可以打印超过500个同样的零件。
 
    这款打印机能够生产粉末冶金(PM)零件,随后进入煅烧阶段去除粘合剂同时获得足够强度。煅烧过程实现在同一设备内自动完成。从用户提交CAD图到形成致密的PM零件,只有在后处理过程中需要部分人力参与完成构建。
 
    HP看到了金属3D打印市场的巨大潜力并花费重金投入。HP 3D打印业务总裁Nigro也提到3D打印有可能颠覆价值12万亿美元的制造市场。2018年HP计划推出价格亲民的高通量金属打印机。
 
    金属3D打印机的价格已经从几十甚至几百万美元,降到了十万美元左右。价格的降低也意味着在保持同等投资回报率的前提下,每个金属打印零件的价格可以更低。另外,价格的突破也让更多的中小企业能应用这一领域的技术。


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图6:新型的Markforged碳纤维打印机能够打印高强度要求的承重零件。某些情况下,打印零件比机加工零件生产更快、成本更低。
    总体来看,新工艺的研发将扩大对于材料的应用范围。有时候采用金属材料仅仅出于达到高强度的要求,而现在一些高强度的聚合物材料已经可以实现这一应用了。
    Markforged公司的碳纤维打印已经在汽车、医疗、航空、政府和国防领域实现了应用。其碳纤维零件的硬度比ABS塑料零件高20倍,强度高要高出5倍,比6061-T6铝材具有更高的强度-重量比,让设计人员不再需要进行数控加工,就能获得3D打印功能部件。
    2018年,3D打印市场将在今年基础上有更大提升。未来一年通过3D打印市场的进一步兼并整合和自动化水平的提升,价格将进一步下降。新技术和新材料的应用将在获得新的垂直应用市场的同时继续横向拓展市场,不断吸引市场关注和扩大市场份额。体素控制和利用混合材料打印将成为新的技术趋势。
    金属材料和新型高强度聚合物材料2018年将继续保持高需求态势。3D打印厂商只要简化供应链就能取得巨大成功。应用软件将成为3D厂商发展中必不可少的一部分。同时,实现打印机使用体验更友好、减少支撑材料的使用、通过CAD模型在开始打印前发现错误、提供设计变更获得更加高效的打印,可帮助3D打印厂商领先一步占据增材制造行业市场的优势地位。



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