增材专栏 | 透视金属3D打印的现状、挑战与下一步市场格局
根据MarketsandMarkets的最新研究报告，2019年全球3D打印金属市场估计为7.74亿美元。这家研究公司预测，到2024年，市场规模将超过31亿美元，从2019年到2024年，年均复合增长率为32.5％。推动这一增长的原因是航空航天、国防和汽车终端对3D打印金属的需求不断增长。
虽然目前增材制造系统供应商仍然在市场上面临技术局限以及进入到量产方面的各种挑战，不过值得欣慰的是2020年金属3D打印各方面将取得重大市场进展。本文3D科学谷与谷友结合国际与国内的发展，带我们共同领略金属3D打印的现状、挑战与下一步市场格局。
保时捷3D打印发动机活塞，来源：保时捷
金属3D打印的破与立
理解金属3D打印的现状与下一步发展，就需要先理解金属增材制造在生产中可行性的要求是什么？
走向产业化的金属3D打印，来源：SAE
- 必须是可预测的：您无法花费数小时或数天的时间来通过反复试验为了制作第一个合格的零部件。
- 必须更快：优先考虑减少构建时间，这就是多激光3D打印设备越来越多地用于生产的原因。
- 必须准确：在更高的速度和更复杂的零件上，需要更好的过程控制来始终如一地生产高质量的零件，同时减少后处理或返工。
- 必须稳定：在生产环境中，激光器几乎一直处于开启状态，以提供必要的通量，这些激光器需要可靠且易于维修。
质量监控与保证
金属3D打印加工过程中质量监控和保证必须成为解决方案提供商的重点。检测表面缺陷和孔隙度对于零件质量至关重要，影响金属3D打印增长的一个关键因素是质量保证：金属增材制造（AM）3D打印设备必须能够始终如一地生产出高质量的可重复零件。在这方面，Velo3D认为谁能为关键任务组件做到这一点，谁就会赢。
质量控制方面，行业呼唤强大的软件，Sigma Labs一直希望通过从金属性能的变化角度来标准化金属3D打印的质量控制，最终受益的不只是小企业，更是整个3D打印行业。
PrintRite3D的热能量密度算法，来源：Sigma Labs
金属3D打印在逐层铺粉的过程中由于在熔融过程中有超过50种不同的因素在发挥着作用，像材料尺寸和形状误差、熔融层中的空隙、最终部件的高残余应力，以及对材料性能——包括硬度和强度等各种变量相互关系的研究不足导致了3D打印工艺难以量化控制，这极大的制约了金属3D打印技术的应用范围。”
质量挑战是基于粉末床的金属3D打印技术发展的“主要障碍”，Sigma Labs的PrintRite3D 5.1这样的软件与硬件结合的技术将帮助金属3D打印最终改变制造格局。Sigma Labs目前有六家用户-三家3D打印设备制造商和三家最终用户在使用其解决方案，预计将在2020年初完成测试和评估阶段。Sigma Labs的技术提供实时、逐层分析，以确保符合生产规格的要求。
PrintRite3D，来源：Sigma Labs
根据3D科学谷的市场观察，除了Sigma Labs，来自德国亚琛的科学家们正在研究监视金属3D打印的新方法，以提高过程的鲁棒性。在构建平台中使用结构传感器时，将来会检测到关键错误，例如支撑结构撕裂的时间。此外，通过超声波传感器可以用于分析空气传播中的声音，以确定组件的质量。基于激光的超声测量的研究将在未来走得更远：脉冲激光将在部件中感应出结构传播的噪声，然后由激光测振仪检测到。这使得在构建过程中发现微小的毛孔，以便能够立即进行干预。而原位测量过程可以通过另一个曝光顺序对问题区域进行返工。
技术突破与重新确立
根据MarketsandMarkets的预测，预计PBF粉末床选区金属熔化3D打印将成为3D打印金属市场中最大的部分。MarketsandMarkets还预测，在未来四年中，钛合金的3D打印占3D打印金属的最大份额。
当然，技术层面还有很多急需提升的空间，尽管近年来在材料和加工技术方面取得了重大进步，但仍需要更多的改进。市场期待增加更多的非焊接材料，例如Stellite 6和Inconel738；LPBF（粉末床选区激光熔化）工艺需要在表面光洁度、变形控制和后期加工成本方面取得更多进步；电子束熔化（EBM）技术的加工精度还需要得到进一步提高；定向能量沉积（DED）3D打印技术还需要可以应用到更大的零件制造而不会发生弯曲；Binder Jet粘结剂喷射金属3D打印技术还需要更好地控制收缩。
LPBF（粉末床选区激光熔化）工艺方面，根据Velo3D的说法，随着软件与硬件的结合，市场上需要考虑的是意识到原来的不可能正在被突破，将需要取消某些3D打印限制。这些设计软件与打印准备等软件之间实现紧密集成， .stl文件格式的使用范围将继续下降。
LPBF（粉末床选区激光熔化）工艺的另一个发展方向是必须要提高诸如产量与效率。LPBF系统将需要具有更高的3D打印速度和更大的制造范围，以开辟更多的金属增材制造可能性。另外，嵌套零件的能力（即将零件相互堆叠以提高构建密度）对于提高制造速度和提高制造效率至关重要，但这需要合理设计支撑结构并在设计时考虑这些因素。
当前3D打印要进入到产业化领域的一大瓶颈是效率与成本，当前3D打印的产品价格中高达70%的成本来自设备成本，而材料也占据了30%的成本。而在传统制造工艺中，材料成本不超过产品成本的3%。而在效率提升方面，市场的需求在呼唤带来加工效率飞跃性质的突破。
金属3D打印正在突破原来的自身边界，国际上，根据3D科学谷的市场观察，德国Fraunhofer的增材制造未来-futureAM项目正在以全面开花的方式推进3D打印成为一种更稳定、更经济可行的加工技术，在科技巨擎Fraunhofer的推动下，目前亚琛Fraunhofer ILT已经开发出用于LPBF（基于粉末床的金属熔化3D打印技术）的新型加工解决方案，该解决方案还可以产生比传统LPBF系统快十倍加工速度的大型金属部件。LPBF系统提供了非常大的，有效可用的构建体积（1000毫米x 800毫米x 500毫米）。
软件助力刷新竞争格局
行业整合是不可避免的，只有清楚地向市场表达价值主张和与之对应的清晰的市场定位，这些企业才能成功。在金属3D打印这个市场上，一个引人注目的价值主张将是克服围绕成本、材料灵活性和制造限制的挑战。最终，将看到金属3D打印行业的更多整合，但是现在这是一场静观其变的游戏。
拿Velo 3D举例，不难看到，国际的企业大多在成立初期就确立了鲜明的市场定位，包括立足于设备稳定性的，包括开辟提升加工效率的，再到VELO3D这样的后起之秀，在3D科学谷看来，无支撑仅仅是VELO3D与用户沟通的话术，VELO3D的市场定位相当清晰：设计自由，敏捷生产和质量保证，这些是VELO3D通过技术打造的独特的市场定位。
差异化将是公司生存的关键，根据3D科学谷的市场观察，目前LPBF（粉末床选区激光熔化）市场上挤满了太多没有特色的公司。几乎所有的公司都在证明他们可以降低成本并提高质量，并获得一致的结果。所有的努力都在进行细微的调整，差异并不大，这些公司中的一部分将在2020年开始耗尽资金。
更多的材料、更可持续的发展
l 回收金属
金属粉末的发展方面，诸如6K（以前称为Amastan Technologies）之类的公司正在开发用于增材制造的新型先进材料。6K公司的UniMelt微波等离子体制造技术以回收的金属废料来制造AM增材制造用金属粉末。6K的工艺主要将经过认证的通过铣削、车削和其他再生原料来源的金属废品转换为可用于AM增材制造用的优质金属粉末。
6K针对增材制造工艺提供粉末粒径尺寸，来源：6K
6K的合金回收技术可以从减材制造和其他加工技术中回收金属和合金。6K已经在为航空航天、医疗和汽车行业回收铝合金和钛合金。6K声称可以针对所需的AM增材制造工艺来提供不同的粉末尺寸：MIM（金属注射成型），LPBF，EBM，DED或粘结剂喷射等。
l 不锈钢
不锈钢方面，国际上最显着的进步之一是GKN对金属粉末材料的鉴定，在IDAM联合项目成员亚琛工业大学数字制造DAP学院、Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所、慕尼黑工业大学金属成型和铸造学院、GKN粉末冶金，宝马集团等共同努力下，证明了DP 600双相钢在汽车市场上工业化的巨大潜力。这是一种双相钢，可以使用热处理方法调节其机械性能。
DP 600双相钢气体雾化材料目前已在EOS M300-4系统上进行了验证，其伸长率达到13％（原样），达到22％（经热处理），拉伸强度达到700 MPA（经过热处理）。这些特性使得双相钢材料成为汽车及其他工业市场结构性件应用的理想选择。而通过将水雾化粉末用于未来应用，可以进一步降低零件成本。
l 铜
粉末床熔融（PBF）增材制造技术为制造使得紧凑、高效的新一代热交换器成为可能，如果将金属3D打印技术与具有出色导热性能的铜相结合，为电动汽车热交换器技术的提升带来巨大的想象空间。
3D打印电动机定子绕组，来源：Additive Drives
纯铜具有出色的导热性，是极佳的散热组件制造材料，铜合金3D打印技术的应用已在火箭发动机制造领域得到了发展。此外，其应用涵盖从电动汽车定子绕组、铜线圈、微电子产品再到注塑模具镶件的广泛领域。基于粉末床熔融工艺的金属3D打印技术能够实现复杂设计，释放设计的自由度，这一技术在热交换器制造中的应用，使得设计师能够使用高级设计策略，例如使用渐变、可变密度的点阵结构，在有限空间内增加热交换器的表面积，提升热交换性能。简而言之，面向增材制造的设计，能够实现在热负荷高的位置用密度较高的结构材料，从而实现轻量化与冷却性能的平衡。
l 铝合金
航空航天领域，铝合金的应用一直存在着一些弊端。铝合金虽然很轻，但在暴露于高于160°C的温度的应用中往往表现不佳。它们会随着时间的流逝而软化和老化，因此航空航天领域会选择相对较重的金属，例如钢或钛。如何在提升铝合金的性能，这是一个值得研究和突破的地方。
半个多世纪以来，科研人员已经完成了大量工作，以改善铝合金的耐热性，使铝合金能够承受更高的工作温度而不会降低机械性能。今天，在世界范围内，通过3D打印技术，新型的铝合金材料在呈现出快速上升的开发态势，更高的强度，替代中温钛合金的可能性，在这方面国内上海交通大学与安徽相邦复合材料共同研发生产的陶铝粉末，能够改善粉末流动性，提高激光吸收率，细化晶粒组织，尤其适用于3D打印。
安徽相邦复合材料的陶铝复合材料
来源：3D科学谷将要发布的《铝金属3D打印白皮书》
高强高韧增材制造专用铝合金材料方面，澳大利亚Amaero开发了HOT Al、苏州倍丰开发了Al250C， 英国Aeromet开发了A20X，美国HRL开发了7A77.60L，开发和商业化新型高强度铝合金以及适合各种铝合金3D打印的设备，已经成为一条明显的国际与国内发展趋势。
小荷才露尖尖角的国内产业化趋势
国内在金属3D打印进入到量产的产业化前景方面，安世亚太增材制造联合深圳意动航空科技有限公司成功开发了国内首创的两款全部通过3D打印制造的微型涡喷发动机，10kg级推力的NK-10和50kg级推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超温试验，各项指标满足设计要求，试验中最高转速高于14万rpm，为全3D打印旋转涡轮高温点火实验。
NK10和NK50 两款微型涡喷发动机在多处关键零部件结构设计方面融入了增材设计的概念，减少了发动机零件数量，降低了发动机的整体重量，增加了部分结构件的强度，实现更低成本、更优性能、更长寿命的目标，是满足先进低成本微小型空中武器系统推进动力和车船混合动力以及增程动力需求的先进动力装置。NK10和NK50 微型涡喷发动机的所有零件均由安世亚太增材制造旗下德迪新一代选区激光熔化3D打印设备DLM-280 制造，安世亚太增材制造已围绕着基于正向设计的研制的市场定位，推出了一系列单构、混构金属3D打印设备，并通过不断的更新迭代，从精度、效率、成型尺寸、控制系统、软件等多个维度进行优化，使其能够更好地满足用户需求。
根据3D科学谷的市场研究，中航商用航空发动机开发了空心风扇叶片。空心风扇叶片包括空心的叶片本体，空心区域内沿径向设置有至少一根树形筋条，树形筋条中靠近叶尖区域的筋条数量大于靠近叶片根部区域的筋条数量。中航商用航空发动机有限公司通过在叶片本的空心区域内设置树形筋条，能够适用于叶片的中下部弦长较小，工作时应力大，叶片中上部弦长较长，叶片薄，工作时变形大的特征，因此，通过设置树形筋条，能够进一步提高叶片空心率，保证抗冲击性能。空心风扇叶片采用金属材料，且通过3D打印-增材制造工艺加工制成 。
国内在航空航天领域的3D打印技术正在走向更多细分领域的应用，2019年8月17日，由航天五院总体部机械系统事业部负责研制的千乘一号小卫星随捷龙一号遥一火箭送入预定轨道，千乘一号整星结构采用面向增材制造的轻量化三维点阵结构设计方法进行设计，整星结构通过铝合金增材制造技术一体化制备。传统微小卫星结构重量占比为20%左右，整星频率一般为70Hz左右。千乘一号微小卫星的整星结构重量占比降低至15%以内，整星频率提高至110Hz，整星结构零部件数量缩减为5件，设计及制备周期缩短至1个月。整星结构尺寸超过500mm×500mm×500mm包络尺寸，也是目前最大的增材制造一体成形卫星结构。整星增材制造工作委托西安铂力特增材技术股份有限公司完成，该卫星所有结构由铂力特四光束3D打印设备BLT-S600一炉内完成打印制造。
国内通过3D打印制造微纳卫星方面也取得了商业化进展，星众空间科技有限公司在3D打印立方星部署器的设计方面获得了相对于传统加工部署器在设计上所实现的优化，2020年5月5日，星众空间自主研发的世界首个基于金属3D打印的部署器COSPOD-3D搭载我国新一代飞船试验船成功发射。在轨飞行3天后，于5月8日随载人飞船试验船顺利返回地面，任务取得圆满成功，验证了星众立方星部署器的功能、结构强度与实用性。
国内成立航空2015年开始用增材制造技术进行航空发动机燃烧室零部件研发制造。成立航空的增材制造研究内容包括：使用3D打印的产品设计，材料、设备及工艺参数对产品、组织、性能、精度影响，后处理对内应力、缺陷、精度、性能影响，SLM+CNC工艺零件一体化的影响。在增材制造应用方面开展了燃烧室喷嘴、燃烧室旋流器、燃烧室火焰筒、电机壳体等部件的研发工作。在金属3D打印进入到量产的产业化前景方面，成立航空正在推进发动机电机壳体的量产。
其他方面，国内零壹空间、深蓝航天、星际荣耀等新一代航天企业在应用3D打印方面获得了不断的突破。拿星际荣耀来说，通过3D打印，实现了用于火箭发动机的总装结构的一体打印成型，机体内部保护若干条流道，总装结构以内部成型流道的方式替代传统的管路件，减少了总装结构上的零件数量，同时节省了管路组装的步骤以及节省了管路购买的成本，实现了对总装结构组装难度的降低以及成本的减少。
