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3D打印小知識|透視金屬3D打印的現狀、挑戰與下一步市場格局

2020-09-01 11:16:17 來源:

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根據MarketsandMarkets的最新研究報告,2019年全球3D打印金屬市場估計為7.74億美元。這家研究公司預測,到2024年,市場規模將超過31億美元,從2019年到2024年,年均復合增長率為32.5%。推動這一增長的原因是航空航天、國防和汽車終端對3D打印金屬的需求不斷增長。

雖然目前增材制造系統供應商仍然在市場上面臨技術局限以及進入到量產方面的各種挑戰,不過值得欣慰的是2020年金屬3D打印各方面將取得重大市場進展。本期3D科學谷與谷友結合國際與國內的發展來共同領略金屬3D打印的現狀、挑戰與下一步市場格局。

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保時捷3D打印發動機活塞,來源:保時捷

 金屬3D打印的破與立

理解金屬3D打印的現狀與下一步發展,就需要先理解金屬增材制造在生產中可行性的要求是什么?

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SAE走向產業化的金屬3D打印,來源:SAE

- 必須是可預測的:您無法花費數小時或數天的時間來通過反復試驗為了制作第一個合格的零部件。

- 必須更快:優先考慮減少構建時間,這就是多激光3D打印設備越來越多地用于生產的原因。

- 必須準確:在更高的速度和更復雜的零件上,需要更好的過程控制來始終如一地生產高質量的零件,同時減少后處理或返工。

- 必須穩定:在生產環境中,激光器幾乎一直處于開啟狀態,以提供必要的通量,這些激光器需要可靠且易于維修。

質量監控與保證

金屬3D打印加工過程中質量監控和保證必須成為解決方案提供商的重點。檢測表面缺陷和孔隙度對于零件質量至關重要,影響金屬3D打印增長的一個關鍵因素是質量保證:金屬增材制造(AM)3D打印設備必須能夠始終如一地生產出高質量的可重復零件。在這方面,Velo3D認為誰能為關鍵任務組件做到這一點,誰就會贏。

質量控制方面,行業呼喚強大的軟件,Sigma Labs一直希望通過從金屬性能的變化角度來標準化金屬3D打印的質量控制,最終受益的不只是小企業,更是整個3D打印行業。

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3D的熱能量密度算法。來源:Sigma Labs

金屬3D打印在逐層鋪粉的過程中由于在熔融過程中有超過50種不同的因素在發揮著作用,像材料尺寸和形狀誤差、熔融層中的空隙、最終部件的高殘余應力,以及對材料性能——包括硬度和強度等各種變量相互關系的研究不足導致了3D打印工藝難以量化控制,這極大的制約了金屬3D打印技術的應用范圍?!?/span>

質量挑戰是基于粉末床的金屬3D打印技術發展的“主要障礙”,Sigma Labs的PrintRite3D 5.1這樣的軟件與硬件結合的技術將幫助金屬3D打印最終改變制造格局。Sigma Labs目前有六家用戶-三家3D打印設備制造商和三家最終用戶在使用其解決方案,預計將在2020年初完成測試和評估階段。Sigma Labs的技術提供實時、逐層分析,以確保符合生產規格的要求。

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來源:Sigma Labs

根據3D科學谷的市場觀察,除了Sigma Labs,來自德國亞琛的科學家們正在研究監視金屬3D打印的新方法,以提高過程的魯棒性。在構建平臺中使用結構傳感器時,將來會檢測到關鍵錯誤,例如支撐結構撕裂的時間。此外,通過超聲波傳感器可以用于分析空氣傳播中的聲音,以確定組件的質量?;诩す獾某暅y量的研究將在未來走得更遠:脈沖激光將在部件中感應出結構傳播的噪聲,然后由激光測振儀檢測到。這使得在構建過程中發現微小的毛孔,以便能夠立即進行干預。而原位測量過程可以通過另一個曝光順序對問題區域進行返工。

 技術突破與重新確立

根據MarketsandMarkets的預測,預計PBF粉末床選區金屬熔化3D打印將成為3D打印金屬市場中最大的部分。MarketsandMarkets還預測,在未來四年中,鈦合金的3D打印占3D打印金屬的最大份額。

當然,技術層面還有很多急需提升的空間,盡管近年來在材料和加工技術方面取得了重大進步,但仍需要更多的改進。市場期待增加更多的非焊接材料,例如Stellite 6和Inconel738;LPBF(粉末床選區激光熔化)工藝需要在表面光潔度、變形控制和后期加工成本方面取得更多進步;電子束熔化(EBM)技術的加工精度還需要得到進一步提高;定向能量沉積(DED)3D打印技術還需要可以應用到更大的零件制造而不會發生彎曲;Binder Jet粘結劑噴射金屬3D打印技術還需要更好地控制收縮。

LPBF(粉末床選區激光熔化)工藝方面,根據Velo3D的說法,隨著軟件與硬件的結合,市場上需要考慮的是意識到原來的不可能正在被突破,將需要取消某些3D打印限制。這些設計軟件與打印準備等軟件之間實現緊密集成, .stl文件格式的使用范圍將繼續下降。

LPBF(粉末床選區激光熔化)工藝的另一個發展方向是必須要提高諸如產量與效率。LPBF系統將需要具有更高的3D打印速度和更大的制造范圍,以開辟更多的金屬增材制造可能性。另外,嵌套零件的能力(即將零件相互堆疊以提高構建密度)對于提高制造速度和提高制造效率至關重要,但這需要合理設計支撐結構并在設計時考慮這些因素。

當前3D打印要進入到產業化領域的一大瓶頸是效率與成本,當前3D打印的產品價格中高達70%的成本來自設備成本,而材料也占據了30%的成本。而在傳統制造工藝中,材料成本不超過產品成本的3%。而在效率提升方面,市場的需求在呼喚帶來加工效率飛躍性質的突破。

金屬3D打印正在突破原來的自身邊界,國際上,根據3D科學谷的市場觀察,德國Fraunhofer的增材制造未來-futureAM項目正在以全面開花的方式推進3D打印成為一種更穩定、更經濟可行的加工技術,在科技巨擎Fraunhofer的推動下,目前亞琛Fraunhofer ILT已經開發出用于LPBF(基于粉末床的金屬熔化3D打印技術)的新型加工解決方案,該解決方案還可以產生比傳統LPBF系統快十倍加工速度的大型金屬部件。LPBF系統提供了非常大的,有效可用的構建體積(1000毫米x 800毫米x 500毫米)。

軟件助力刷新競爭格局

行業整合是不可避免的,只有清楚地向市場表達價值主張和與之對應的清晰的市場定位,這些企業才能成功。在金屬3D打印這個市場上,一個引人注目的價值主張將是克服圍繞成本、材料靈活性和制造限制的挑戰。最終,將看到金屬3D打印行業的更多整合,但是現在這是一場靜觀其變的游戲。

拿Velo 3D舉例,不難看到,國際的企業大多在成立初期就確立了鮮明的市場定位,包括立足于設備穩定性的,包括開辟提升加工效率的,再到VELO3D這樣的后起之秀,在3D科學谷看來,無支撐僅僅是VELO3D與用戶溝通的話術,VELO3D的市場定位相當清晰:設計自由,敏捷生產和質量保證,這些是VELO3D通過技術打造的獨特的市場定位。

差異化將是公司生存的關鍵,根據3D科學谷的市場觀察,目前LPBF(粉末床選區激光熔化)市場上擠滿了太多沒有特色的公司。幾乎所有的公司都在證明他們可以降低成本并提高質量,并獲得一致的結果。所有的努力都在進行細微的調整,差異并不大,這些公司中的一部分將在2020年開始耗盡資金。

更多的材料、更可持續的發展

l 回收金屬

金屬粉末的發展方面,諸如6K(以前稱為Amastan Technologies)之類的公司正在開發用于增材制造的新型先進材料。6K公司的UniMelt微波等離子體制造技術以回收的金屬廢料來制造AM增材制造用金屬粉末。6K的工藝主要將經過認證的通過銑削、車削和其他再生原料來源的金屬廢品轉換為可用于AM增材制造用的優質金屬粉末。

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6K6K針對增材制造工藝提供粉末粒徑尺寸。來源:6K

6K的合金回收技術可以從減材制造和其他加工技術中回收金屬和合金。6K已經在為航空航天、醫療和汽車行業回收鋁合金和鈦合金。6K聲稱可以針對所需的AM增材制造工藝來提供不同的粉末尺寸:MIM(金屬注射成型),LPBF,EBM,DED或粘結劑噴射等。

l 不銹鋼

不銹鋼方面,國際上最顯著的進步之一是GKN對金屬粉末材料的鑒定,在IDAM聯合項目成員亞琛工業大學數字制造DAP學院、Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光技術研究所、慕尼黑工業大學金屬成型和鑄造學院、GKN粉末冶金,寶馬集團等共同努力下,證明了DP 600雙相鋼在汽車市場上工業化的巨大潛力。這是一種雙相鋼,可以使用熱處理方法調節其機械性能。

DP 600雙相鋼氣體霧化材料目前已在EOS M300-4系統上進行了驗證,其伸長率達到13%(原樣),達到22%(經熱處理),拉伸強度達到700 MPA(經過熱處理)。這些特性使得雙相鋼材料成為汽車及其他工業市場結構性件應用的理想選擇。而通過將水霧化粉末用于未來應用,可以進一步降低零件成本。

l 銅

粉末床熔融(PBF)增材制造技術為制造使得緊湊、高效的新一代熱交換器成為可能,如果將金屬3D打印技術與具有出色導熱性能的銅相結合,為電動汽車熱交換器技術的提升帶來巨大的想象空間。

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3D打印電動機定子繞組。來源:Additive Drives

純銅具有出色的導熱性,是極佳的散熱組件制造材料,銅合金3D打印技術的應用已在火箭發動機制造領域得到了發展。此外,其應用涵蓋從電動汽車定子繞組、銅線圈、微電子產品再到注塑模具鑲件的廣泛領域?;诜勰┐踩廴诠に嚨慕饘?D打印技術能夠實現復雜設計,釋放設計的自由度,這一技術在熱交換器制造中的應用,使得設計師能夠使用高級設計策略,例如使用漸變、可變密度的點陣結構,在有限空間內增加熱交換器的表面積,提升熱交換性能。簡而言之,面向增材制造的設計,能夠實現在熱負荷高的位置用密度較高的結構材料,從而實現輕量化與冷卻性能的平衡。

l 鋁合金

航空航天領域,鋁合金的應用一直存在著一些弊端。鋁合金雖然很輕,但在暴露于高于160°C的溫度的應用中往往表現不佳。它們會隨著時間的流逝而軟化和老化,因此航空航天領域會選擇相對較重的金屬,例如鋼或鈦。如何在提升鋁合金的性能,這是一個值得研究和突破的地方。

半個多世紀以來,科研人員已經完成了大量工作,以改善鋁合金的耐熱性,使鋁合金能夠承受更高的工作溫度而不會降低機械性能。今天,在世界范圍內,通過3D打印技術,新型的鋁合金材料在呈現出快速上升的開發態勢,更高的強度,替代中溫鈦合金的可能性,在這方面國內上海交通大學與安徽相邦復合材料共同研發生產的陶鋁粉末,能夠改善粉末流動性,提高激光吸收率,細化晶粒組織,尤其適用于3D打印。

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安徽相邦復合材料的陶鋁復合材料。

來源:3D科學谷將要發布的《鋁金屬3D打印白皮書

高強高韌增材制造專用鋁合金材料方面,澳大利亞Amaero開發了HOT Al、蘇州倍豐開發了Al250C, 英國Aeromet開發了A20X,美國HRL開發了7A77.60L,開發和商業化新型高強度鋁合金以及適合各種鋁合金3D打印的設備,已經成為一條明顯的國際與國內發展趨勢。

 小荷才露尖尖角的國內產業化趨勢

國內在金屬3D打印進入到量產的產業化前景方面,安世亞太增材制造聯合深圳意動航空科技有限公司成功開發了國內首創的兩款全部通過3D打印制造的微型渦噴發動機,10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗,各項指標滿足設計要求,試驗中最高轉速高于14萬rpm,為全3D打印旋轉渦輪高溫點火實驗。

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國內首款全部3D打印的微型渦噴發動機

NK10和NK50 兩款微型渦噴發動機在多處關鍵零部件結構設計方面融入了增材設計的概念,減少了發動機零件數量,降低了發動機的整體重量,增加了部分結構件的強度,實現更低成本、更優性能、更長壽命的目標,是滿足先進低成本微小型空中武器系統推進動力和車船混合動力以及增程動力需求的先進動力裝置。NK10和NK50 微型渦噴發動機的所有零件均由安世亞太增材制造旗下德迪新一代選區激光熔化3D打印設備DLM-280 制造,安世亞太增材制造已圍繞著基于正向設計的研制的市場定位,推出了一系列單構、混構金屬3D打印設備,并通過不斷的更新迭代,從精度、效率、成型尺寸、控制系統、軟件等多個維度進行優化,使其能夠更好地滿足用戶需求。

根據3D科學谷的市場研究,中航商用航空發動機開發了空心風扇葉片??招娘L扇葉片包括空心的葉片本體,空心區域內沿徑向設置有至少一根樹形筋條,樹形筋條中靠近葉尖區域的筋條數量大于靠近葉片根部區域的筋條數量。中航商用航空發動機有限公司通過在葉片本的空心區域內設置樹形筋條,能夠適用于葉片的中下部弦長較小,工作時應力大,葉片中上部弦長較長,葉片薄,工作時變形大的特征,因此,通過設置樹形筋條,能夠進一步提高葉片空心率,保證抗沖擊性能??招娘L扇葉片采用金屬材料,且通過3D打印-增材制造工藝加工制成 。

國內在航空航天領域的3D打印技術正在走向更多細分領域的應用,2019年8月17日,由航天五院總體部機械系統事業部負責研制的千乘一號小衛星隨捷龍一號遙一火箭送入預定軌道,千乘一號整星結構采用面向增材制造的輕量化三維點陣結構設計方法進行設計,整星結構通過鋁合金增材制造技術一體化制備。傳統微小衛星結構重量占比為20%左右,整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛星的整星結構重量占比降低至15%以內,整星頻率提高至110Hz,整星結構零部件數量縮減為5件,設計及制備周期縮短至1個月。整星結構尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡尺寸,也是目前最大的增材制造一體成形衛星結構。整星增材制造工作委托西安鉑力特增材技術股份有限公司完成,該衛星所有結構由鉑力特四光束3D打印設備BLT-S600一爐內完成打印制造。

國內通過3D打印制造微納衛星方面也取得了商業化進展,星眾空間科技有限公司在3D打印立方星部署器的設計方面獲得了相對于傳統加工部署器在設計上所實現的優化,2020年5月5日,星眾空間自主研發的世界首個基于金屬3D打印的部署器COSPOD-3D搭載我國新一代飛船試驗船成功發射。在軌飛行3天后,于5月8日隨載人飛船試驗船順利返回地面,任務取得圓滿成功,驗證了星眾立方星部署器的功能、結構強度與實用性。

國內成立航空2015年開始用增材制造技術進行航空發動機燃燒室零部件研發制造。成立航空的增材制造研究內容包括:使用3D打印的產品設計,材料、設備及工藝參數對產品、組織、性能、精度影響,后處理對內應力、缺陷、精度、性能影響,SLM+CNC工藝零件一體化的影響。在增材制造應用方面開展了燃燒室噴嘴、燃燒室旋流器、燃燒室火焰筒、電機殼體等部件的研發工作。在金屬3D打印進入到量產的產業化前景方面,成立航空正在推進發動機電機殼體的量產。

其他方面,國內零壹空間、深藍航天、星際榮耀等新一代航天企業在應用3D打印方面獲得了不斷的突破。拿星際榮耀來說,通過3D打印,實現了用于火箭發動機的總裝結構的一體打印成型,機體內部保護若干條流道,總裝結構以內部成型流道的方式替代傳統的管路件,減少了總裝結構上的零件數量,同時節省了管路組裝的步驟以及節省了管路購買的成本,實現了對總裝結構組裝難度的降低以及成本的減少。



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