金属3D打印行业分析.docx

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1、金属3D打印行业分析1主要技术最初3D打印技术的主要应用是原型制造，将设计三维模型转化为实物，进行设计结构的验证，这种3D打印零件属于“非功能性的模型”，使用的材料主要是纸张、塑料和胶水；随着3D打印技术的成熟，近几年国内外很多机构开始尝试直接打印零件，即3D打印带有功能性的实物零件，使用的材料包括金属、高分子和陶瓷材料等。从技术难度上分析，功能性的实物制造比模型制造更难，一方面因为实物制造增加了对内部缺陷的要求；另一方面因为金属等材料的成型温度更高（熔化温度比塑料高约10倍），耐高温的打印头设计更复杂,而且凝固时产生很大的内应力，容易出现开裂、变形、气孔等现象,成型工艺比较复杂。当然，目前大

2、家关注的3D打印主要是具有功能性的实物制造，其中，金属零件的3D打印是最大的热点。目前金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域，用于这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说，医疗行业3D打印的应用发展速度较快，而其他领域发展较缓慢，主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点，对3D打印产品的机械强度和效率等要求较低，其他领域都对打印零部件的内部质量、机械强度、成型速度、配合精度均提出高要求。从金属3D打印实现方式分类，主要有两种，分别是烧结式和熔覆式。采用激光烧结成型工艺的3D打印典型的国外公司包括德国的EOSconcept、S1.M等公司，

3、英国的雷尼绍公司，日本matsuura公司；中国的华中科技大学滨湖机电公司、华南理工大学；采用电子束烧结成型工艺的瑞典的ARCAM公司，中国的北京航空制造研究所（625所），这类产品主要优点是成型的精度较高，缺点是成型速度低，成型尺寸限制在300mm左右；主要应用于医疗和小型模具制造。采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司，中国的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安伯利特公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司，电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、中国的北京航空制造研究所（625所）。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速

4、度快、成型尺寸大，但精度较低，需后续机加工，典型应用是航空高强度结构件、叶片制造、各种金属模具的直接成型。2应用现状虽然现在3D打印很热，有很多企业和政府也纷纷上马或推广3D打印项目，但真正用3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题，打印速度和精度、打印精度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户，当然还有操作专业性强、原材料昂贵等问题，最终让他们保持观望态度。在现阶段技术条件下，3D打印的智能化及复合兼容技术非常有效地解决目前存在的弊端，大幅提升3D的性能。1、3D打印控制方式智能化目前国内外大部分3D都采用“盲”打工艺，需总结大量的工艺数据，成型工艺非常复杂，往往每一种形

5、状零件、每一种材料都需要不断的试验，几乎每一层都需要总结出工艺参数。而且当成型过程中出现异常时，系统无法识别，也不能自动调整，如果不去人工干预,将造成无法继续成型或将缺陷留在工件里，必须由经验丰富的专业技术人员操作机器随时观察成型状态才能做出较合格的零件，严重影响了金属3D打印的普及性。因此，笔者认为3D打印机智能化非常重要，像人一样，给3D打印机装上“眼睛”是非常必要的，通过看外在物体状态随时调整人的姿态和行为，对于3D打印机来说，就是调整工艺参数。因此，“智能识别和反馈功能”将是目前快速成型系统的迫切需要解决的问题，通过较简便的工艺参数积累，让3D打印设备自己去判断，智能调整即可，让复杂的

6、快速成型工艺变简单，更具有实用性和推广性。智能识别系统将提供大量成型过程的数据，希望通过实践积累大量数据，让3D打印机变更“聪明”，最终通过软件的开发让3D打印机具备自学习功能，这样的思路也就确确实实是3D打印系统需要具备的特征，同时也符合了机器人的特征。从3D打印的基本工艺来看，他每一层每一点的堆积都是一个特殊过程,可控性差,和切削的机床大有不同，机床每一刀下去都可控，这就是他们将采用不同控制方式的根本原因。相比数控技术，3D打印控制过程与焊接机器人系统更接近。那么，模糊控制、实时调控将是3D打印控制技术的重要特征,因此，确切来说我们的选择主控方式应该选机器人，而不是机床，不管是6轴关节还是

7、3坐标，控制方式决定系统类型。因此，从专业角度来看，“3D打印机器人”的称呼更适合这个它，也符合它的发展方向。2、增减材复合技术获得高速高分辨率3D打印产品对于高性能的金属构件，3D打印直接成型的光洁度和精度不能满足要求，尤其配合位置无法保证精度，不能装机使用，成型精度问题限制了3D打印的推广和应用。为了提高3D打印零件的成型精度，常规的方法是减小3D打印点的尺寸,提高分辨率，比如提高激光束的汇聚性,让熔化区域变更小，单个熔化区域尺寸达到微米级，但同时给超细材料的供给带来很大难度，同时熔化区的变小会带来成型速度大幅降低，效率的降低不适于工业领域应用。总之，常规思路的3D打印是：高速3D打印获得

8、低分辨率产品,低速3D打印获得高分辨率产品。那么，我们单从一个新技术发展特性来看，新技术对老技术的兼容和继承性非常重要，也是必须的，否则就是空中楼阁。显然，3D也须符合这个发展规律，增材制造结合切削减材制造技术，二者高度兼容才能让3D打印快速发展。具体来说，就是将传统铳削机床技术加入到3D打印成型过程中，仍然采用低分辨率的打印工艺，可保证高速成型工艺，然后用铳削的措施来保证成型精度，最终成型精度零件使用的技术标准。目前，日本松浦机械和美国Fabrisonic公司已经开始尝试将铳削技术和3D打印技术融合，国内的沈阳新松机器人自动化股份有限公司也已经开始进行3D打印复合技术开发，实现了随型流道注塑

9、模具、叶片、螺旋桨及其它复杂零部件的快速制造。3成本结构材料已经成为制约金属3D打印技术普及的重要原因。工业级的3D打印材料更是十分有限，目前适用的金属材料只有10余种，而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机，即选择性激光烧结(S1.S)和选择性激光熔化(S1.M)技术。3D打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高。根据不同的用途，金属材料制备的工件要求强度高、耐腐蚀、耐高温、比重小、具有良好的可烧结性等。同时，还要求材料无毒、环保；性能要稳定，能够满足打印机持续可靠运行。功能应用是越来越丰富，例如现在已对部分

10、材料提出了导电、水溶、耐磨等要求。当然前提是保证经济性。在金属3D打印中，常用的材料是钛粉、铝合金粉和不锈钢粉。与普通金属材料比，这些材料成本要高出10倍左右。例如，德国的EOS公司能生产出有限的几种金属粉末，如：不锈钢粉、铝硅粉、钛合金粉，但价格是传统粉体的10-20倍。目前，3D打印用钛粉约180万/吨，而航空用钛材价格约为20万/吨。目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是：第一、可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展；第二、打印流畅性不足；第三、材料强度不够；第四、材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是材料标准化及系列化规范的制定。但随着3D打印技术的成熟，金属材料的形态可能

11、会越来越丰富,如粉状、丝状、带状。金属材料将在生物医学、航空航天等领域具有广阔的应用前景和生命力。4研发动态一般而言，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装络、惰性气体保护、喷头控制等来配套。金属材料的3D打印制造技术之所以难度大，是因为金属的熔点比较高，涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括，生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外，快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题，一般需要在多种制造

12、参数配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。而国内金属3D打印技术并不落后于国外，多家企业机构一直对金属3D打印设备进行着研究并且取得了相应进展。5中欧美的比较第三次工业革命是以数字化制造及新材料、新能源应用为代表的科技领域的又一次重大飞跃，3D增量制造技术是数字化制造的重要标志，选择性激光烧结技术被公认为3D增量制造技术的最佳途径。国外代表性的企业1996年，3DSystemsStratasysZCorporation公司分别推出ACtUa2100、GenisysZ402产品，第一次使用了3D打印机的称谓。2005年，ZCroporati

13、on发布SpectrumZ510,这是世界上第一台高精度彩色3D打印机。同一年，英国巴恩大学的AdrianBoWyer发起开源3D打印机项目RepRap,其目标是制造出自我复制机，通过3D打印机本身，能够制造出另一台3D打印机。2008年，第一版RePRaP发布,代号Darwin,能够打印自身50%的元件,体积仅一个箱子大小。德国EOS公司的金属粉末烧结机-EOS金属激光粉末烧结系统设备。产品名称：E0SINTM270金属激光烧结系统。该设备采用EOS公司研发的DM1.S技术(DireCtMetal1.aser-Sintering)进行金属件制作。EOSINTM270激光烧结系统采用的是Yb-

14、fibre激光发射器，具有高效能、长寿命等特点。精准的光学系统能够保证模型的表面光滑度和准确度。氮气发生装置以及空压系统则使设备的使用更加安全。美国3DSYSTEMS公司的产品：sPro250S1.M商用型金属3D打印机为目前比较先进的制造系统，能够提供长达为320毫米(12.6英寸)的高工艺金属零件，具有出色的表面光洁度、精细的功能性细节与严格的公差。可以选择广泛范围的金属合金使用，包括铝和钛。sPro250S1.M商用型金属3D打印机的应用领域包括产品质量原型的功能测试，具有有机或高度复杂的几何形状。快速小批量制造金属部件的其他应用范例包括：定制医疗植入物、轻量级航空航天和赛车部件、高效散

15、热片、带有随形冷却管道的注塑模具镶件，以及牙帽、牙冠和牙桥。S1.M工艺使用高功率激光逐层熔化直接来自CAD数据的金属细粉末，以创建功能性金属部件。每一层操作完后重新喷粉机系统将堆积厚度范围从20到100微米的一个新粉末层。S1.M系统采用市售的气体雾化金属粉末产生完全致密的金属零件，包括不锈钢、钛、钻铭合金及工具钢的材料。这些系统在设计伊始均考虑到工具库或工人的需求，带有一个简单的触摸屏用户界面，便于管理粉末处理系统，结构坚固。只需选择满足客户特定应用需求的一种围护结构与材料。3D打印技术在美国已经产业化，目前有两家3D打印机制造巨头,分别是Stratasys（开发制订行业标准技术之一FDM

16、）和3DSystems（3D打印技术的创始者），完成后，只用一个水喷头就可以轻易地移除支撑材料，留下光滑的表面。南非科工研究理事会国家激光中心研究人员在激光添加制造技术（AdditiveManufacturing）,一种最新的快速成型制造技术上取得突破。该项技术的概念试验论证显示，其生产速度是现有的可商业化的选择性激光烧结技术的8.3倍。目前，利用该技术可以生产不超过500毫米的小尺寸部件，而当日揭牌的Aeroswift项目将致力于制造2mx0.5m的大尺寸部件。这将有助于南非航空制造公司Aerosud在三年内跻身世界航空结构件制造的先进行列。南非科工研究理事会与Aerosud公司共同承担了南非科技部资助的Aeroswift项目，旨在开发制造速度快批量大的激光添加快速成型技术，为全球航天业制造金属钛部件。AerOSwift项目的关键是5千瓦IPG单光纤激光二极管发生器，它是激光添加制造技术的核心