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 年取得重大市場進展。

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，圖中就是幾個例子。（圖片來源：Velo3D）

MarketsandMarkets 最近的一份研究報告顯示，2019 年，全球 3D 打印金屬市場的估值約為 7.74 億美元。這家研究公司預(yù)計，未來，3D 打印金屬市場將以 32.5% 的復(fù)合年增長率持續(xù)增長，并在 2024 年達到 31 億美元以上。該報告指出，在這種增長背后，主要原因是航空航天、國防和汽車終端行業(yè)對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間等方面所體現(xiàn)的優(yōu)勢。

此外，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)增長的另一個關(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著越來越多 OEM 不再滿足于單純的產(chǎn)后檢測，生產(chǎn)過程中的質(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?！盫elo3D 技術(shù)合作副總裁 Zach Murphree 博士表示，“測量機械完整性、檢測表面缺陷和孔隙度對于零件質(zhì)量至關(guān)重要，每個解決方案提供商都需要認真考慮如何解決這些難題，到時候誰能拿出適用于關(guān)鍵組件的質(zhì)量控制解決方案，誰就能最終勝出。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?！?/p>

目前，Sigma Labs 等公司已經(jīng)開始提供可以在生產(chǎn)過程中實時監(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 采訪時說，“我們的硬件/軟件包可以觀察并評估生產(chǎn)過程，并且利用熱信息，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中零部件規(guī)格出現(xiàn)偏離的情況?！彼f，“我們可以識別質(zhì)量問題發(fā)生的前兆，并及時提醒設(shè)備操作員及時停止生產(chǎn)并作出修正，從而降低零部件報廢或生產(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)”，但他同時認為公司的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)的整個格局?！澳憧梢杂?20 或 40 個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，無論這個部件的幾何形狀多么復(fù)雜、性能要求多么高?！彼f，“這將完全改變未來工廠的運作配置方式。到時候?qū)⒉粏螁斡杏赏暾a(chǎn)線組成的傳統(tǒng)工廠，還會出現(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)計將在 2020 年初完成設(shè)備的測試和評估環(huán)節(jié)?！盧ice 表示，“2020 年將是收獲市場的一年?！?/p>

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)來檢測和預(yù)測 3D 打印過程中的異常情況。（圖片來源：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明年市場發(fā)展的見解。這項調(diào)查還揭示了一系列為了讓市場充分發(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?！笆袌鲋腥源嬖诤芏嘤嘘P(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，“市場教育仍任道重遠，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)，我們需要團結(jié)整個制造社區(qū)，幫助新用戶了解每種技術(shù)的特有價值以及優(yōu)缺點?！?/p>

根據(jù) MarketsandMarkets 的預(yù)測，在報告的預(yù)測范圍內(nèi)，粉末熔覆（PBF）將在 3D 打印金屬市場中占據(jù)最大份額。該技術(shù)的增長主要憑借其通過先進 CAD 流程（如拓撲優(yōu)化）創(chuàng)建詳細的、輕量級零件的能力。該報告還預(yù)測，未來四年內(nèi)，鈦材料將在 3D 打印金屬市場中占據(jù)最大份額。這種材料的高抗沖擊性和耐高溫性都是運輸行業(yè)非常重視的特性。

近年來，盡管增材制造材料和加工技術(shù)方面均出現(xiàn)了重大進展，但仍有較大的改進空間。奧鋼聯(lián)公司（voestalpine）材料科學(xué)家 Yuan Tian 博士表示，“未來預(yù)計將有更多不可焊接材料選擇增材制造，比如 Stellite6 和 Inconel738 等。”他說，“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程中的應(yīng)力，并降低對支撐結(jié)構(gòu)的需求。”Tian 對未來市場的期望主要集中在以下幾個方面：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。（圖片來源：SigmaLabs）

根據(jù) Velo3D 公司的Murphree 的說法，我們需要在零件的幾何形狀上發(fā)揮更大的想象力，而這也會進一步推動打印機的發(fā)展。他說，“我們行業(yè)必須學(xué)會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)更先進的設(shè)計工具，并且還需將這些設(shè)計工具更好地應(yīng)用至打印的準備工作中，比如如何將這些設(shè)計工具和生成 3D 打印構(gòu)建文件的軟件緊密聯(lián)系起來。未來使用 .stl 文件格式的情況會繼續(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 增材制造部門的實施負責(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?！彼f，“具體來說，通過嵌套，也就是將部件堆疊在一起，來提高構(gòu)建密度的能力將對提高打印速度和生產(chǎn)效率至關(guān)重要。不過，這種嵌套必須用到支撐結(jié)構(gòu)件，而你從設(shè)計零部件的時候就必須提前考慮到未來生產(chǎn)中要用這些支撐件的情況?！?/p>

一些專家指出，行業(yè)整合是不可避免的。增材經(jīng)濟學(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?！霸诖吮尘跋拢@些企業(yè)必須清楚地向市場傳達自己的價值主張，否則很難脫穎而出?！彼f，“在這個市場中，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 市場中的公司太過飽和了，但都大同小異，很難看到真正的差異化。”他說，“未來，誰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)，誰就可以取勝。誰無法找到自己的真正差異性，誰就很容易從 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材料。據(jù) 6K 公司表示，該公司的 UniMelt 微波等離子平臺是世界首個可以利用可持續(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)過認證的化學(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，并擴大應(yīng)用場景，粉末原料的生產(chǎn)技術(shù)必須首先取得進步，這樣才能提供更強大的商業(yè)案例?！彼f，“具體來說，粉末的總成本結(jié)構(gòu)必須更低，性能必須更高，而這兩點 6K 的工藝都能實現(xiàn)。不過，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。”

該公司還計劃利用增材制造過程本身中的支撐結(jié)構(gòu)件和打印報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目成本管理和供應(yīng)鏈控制方式，并同時朝著實現(xiàn)增材制造循環(huán)經(jīng)濟的方向發(fā)展。

6K 可針對 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。（圖片來源：6K）

6K 公司的 Alloy Reclamation 合金回收技術(shù)可以從減材制造等過程中回收金屬和合金。目前，該團隊已經(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 500 噸的 Ti-64。這家公司聲稱，他們可以針對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)過加工的合金都可以成為增材打印的粉末原料，”Bent 說，“此外，我們還可以創(chuàng)造以前無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)中進行打印的鋁合金粉末等?！蹦壳?，6K 公司正在建設(shè)一個具有全球領(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)計將在 2020 年第一季度投產(chǎn)。