盤點：全球金屬3D打印公司及核心技術(shù)

南極熊3D打印網(wǎng)最近觀察到，金屬3D打印越來越具備功能性了，市場熱度大幅提升。金屬材料的3D打印因金屬的熔點比較高，使其金屬的固液相變、表面擴散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程都非常困難。那你知道世界各地的金屬3D打印公司有哪些嗎？知道他們的制造技術(shù)怎樣嗎？南極熊來告訴你！

一般而言，激光快速成型需要用高功率的激光照射試件表面，融化金屬粉末，形成液態(tài)的熔池，然后移動激光束，熔化前方的粉末而讓后方的金屬液冷卻凝固。周邊需要有送粉裝置、惰性氣體保護、噴頭控制等來配套。

金屬材料的3D打印制造技術(shù)之所以難度大，是因為金屬的熔點比較高，涉及到了金屬的固液相變、表面擴散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程。需要考慮的問題還包括，生成的晶體組織是否良好、整個試件是否均勻、內(nèi)部雜質(zhì)和孔隙的大小等等。另外，快速的加熱和冷卻還將引起試件內(nèi)較大的殘余應(yīng)力。為了解決這些問題，一般需要在多種制造參數(shù)配合，例如激光的功率和能量分布、激光聚焦點的移動速度和路徑、加料速度、保護氣壓、外部溫度等等。

在所有金屬合金中，鈦合金尤其受到重視。因為鈦合金密度低、強度高、耐腐蝕、熔點高，所以是理想的航天航空材料。但是由于鈦合金硬而且脆，所以不宜用切割和鑄造的方式來成型。反而是由于它導(dǎo)熱率低，在加熱時熱量不會發(fā)散引起局部變形，比較適合利用激光快速成型技術(shù)。最后，鈦合金材料價格高，利用3D打印技術(shù)能夠在減輕飛行器重量的同時節(jié)省原材料的成本。

圖1：激光快速成型技術(shù)制作金屬零件

圖2：快速加熱和冷卻導(dǎo)致了試件內(nèi)的殘余應(yīng)力

圖3：鈦合金、不銹鋼和鋁合金的性能對比

針對金屬材料的3D打印，歷史上在不同的研究所里演化出了很多種不同的技術(shù)種類，但是基本的原理可以說大同小異。這些技術(shù)大多開始于90年代中期，晚于以樹脂和塑料為原料的FDM、SLA和SLS等技術(shù)。我國差不多也在同期開始了此方向的研究。激光成型的零件在靜態(tài)力學(xué)性能上不比鍛壓的差，但由于加工時間很長，外界擾動會造成宏觀結(jié)構(gòu)上不均一，疲勞性能上還存在差距。

圖4：激光快速成型技術(shù)制作金屬零件的技術(shù)

圖5：世界各地的金屬3D打印公司

讓我們來看一下目前在世界上占有一席之地的這些金屬增材制造設(shè)備：

1、德國的EOS
EOS是金屬增材制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，通過使用高能量的激光束再由3D模型數(shù)據(jù)控制來局部熔化金屬基體同時燒結(jié)固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊以生成致密的幾何形狀的實體零件。這種零件制造工藝又叫作直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)Direct Metal Laser-Sintering（DMLS）。通過選用不同的燒結(jié)材料和調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以生成性能差異變化很大的零件，從具有多孔性的透氣鋼，到耐腐蝕的不銹鋼再到組織致密的模具鋼（強度優(yōu)于鑄造或鍛造）。這種離散法制造技術(shù)甚至實現(xiàn)直接制造出非常復(fù)雜的零件，避免了用銑削和放電加工，為設(shè)計提供了更寬的自由度。

2、德國的Concept Laser
德國Concept Laser公司在激光融化技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，該公司擁有LaserCUSING®技術(shù)專利。Concept Laser 主打的X系列1000R工業(yè)級3D打印平臺，在構(gòu)建尺寸在在激光熔融金屬加工領(lǐng)域中是最大的。X系列3D打印平臺用于汽車和航空航天大尺寸部件的快速制造（相對而言）。

3、美國的Sciaky
Sciaky于2009年開發(fā)了一種新型的電子束直接生產(chǎn)技術(shù)（Electron Beam Direct Manufacturing, EBDM ),可使用的金屬材料包括鈦、鉭、不銹鋼和因科鎳合金等。普通的電子束成型技術(shù)跟選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）類似，只是用高能電子束代替了激光來燒結(jié)鋪在工作臺的金屬粉末，從而使物體成型。而Sciaky公司的技術(shù)獨到之處則在于：它將打印材料直接送進打印頭，用電子束在直接在機頭熔融并打印材料。所以Sciaky公司的EBDM技術(shù)可以說是一滴一滴的打印金屬物品的，其物品制作的精度和質(zhì)量都非常高，更關(guān)鍵在于它基本不產(chǎn)生任何廢料，節(jié)省了大量的原材料——考慮到金屬的價格，這對降低成本有非常大的作用。

4、英國的雷尼紹（Renishaw)
雷尼紹的激光熔融快速成型技術(shù)是使用高能光纖激光直接根據(jù)3D CAD生產(chǎn)高密度金屬零件的創(chuàng)新型制造工藝。零件由各種微細(xì)金屬粉末在嚴(yán)格控制的空氣環(huán)境中經(jīng)過完全熔化后制成，熔化制造時金屬層厚度從20~100μm不等。

5、西安鉑力特
C919大型民用客機翼身組合體靜強度研究試驗首項試驗在中航工業(yè)強度所閻良新區(qū)121試驗室所順利完成。首項試驗為偏航機動100%限制載荷試驗，試驗加載平穩(wěn)協(xié)調(diào)、載荷準(zhǔn)確，約束點的載荷反饋結(jié)果與理論計算相符。翼身組合體靜強度測試的順利通過，意味著鉑力特公司制造的大型合金激光成形件的各項性能指標(biāo)滿足航空標(biāo)準(zhǔn)，得到了專家和客戶的一致認(rèn)可。

6、美國的3D Systems

PhenixSystems設(shè)備的技術(shù)流程

3D Systems作為世界上市值最大的3D打印公司，使用的是用激光燒結(jié)金屬粉末層的技術(shù)，可用的材料包括不銹鋼、鈦、鈷鉻合金及工具鋼等。在40余種的產(chǎn)品型號中，直接金屬制造的打印機產(chǎn)品仍屬少數(shù)。3DSystems在2013年7月份以1500萬美元收購了法國的PhenixSystems（EPA:ALPHX）81%的股份。這家公司2000年成立，所提供的3款3D打印設(shè)備的技術(shù)路線也是通過激光來燒結(jié)層層鋪疊的金屬粉末，金屬粉末利用自己公司的專利技術(shù)生產(chǎn)，包括不銹鋼、非鐵合金和貴金屬等，同時也可以使用SINT-TECH公司提供的馬氏體鋼和鉻鈷合金粉末。除了機械零部件外，所制造的設(shè)備還可應(yīng)用于生產(chǎn)無鎳鈷鉻的假牙。

7、瑞典的Arcam

電子束快速成型技術(shù)示意圖

Arcam是一家瑞典企業(yè)，于1997年成立，在NASDAQOMX斯德哥爾摩上市（STO:ARCM），該公司采用的是電子束快速成型技術(shù)而非激光快速成型。與激光相比，電子束的能量更大，因此融化金屬粉末的速度更快；對于表面反光的零件，電子束更有優(yōu)勢；另外，電子束的能量轉(zhuǎn)換效率高，更節(jié)省能源�？傮w而言，制造出的零件質(zhì)量更高。但是，電子束的缺點在于需要在真空環(huán)境中使用，比起激光所需要的惰性氣體保護，要求更為復(fù)雜；電子束槍的使用沒有激光器方便。主要針對的是航天工業(yè)和外科整形市場，同時提供多種型號的鈦合金粉末和鈷鉻合金粉末。在外科整形市場上，ArcamAB公司自2007年以來，在全球已提供了3萬件以上的植入物。

8、美國的Exone
Exone（NASDAQ:XONE）成立于2005年，提供兩種增材制造系統(tǒng)，分別用來打印砂模和金屬零件，技術(shù)分別起源于德國一家叫做Generis和MIT。砂型的尺寸最大能夠做到1800×1000×700mm，而金屬的尺寸能夠做到780×400×400mm。其所采用的是最早被稱作“3D打印”的技術(shù)，即用噴頭在砂型或者金屬粉末中打印粘接劑，掃描成型。對于金屬材料，將打印出的模型去掉多余部分，然后在爐中加熱去除粘接劑，同時融化金屬粉末使之粘結(jié)，必要時進行二次加熱去除材料中的空隙。除了沙子和金屬外，還可以制作玻璃制品。

9、美國stratasys并購SigmaLabs

AeroMet的惰性氣體保護箱能夠支持較大的零件成型

作為3D打印公司的龍頭Stratasys，目前并未有能夠制造金屬的產(chǎn)品，但是他們表示將通過并購等方式進入到此領(lǐng)域。而SigmaLabs是一家由LosAlamos國家實驗室的科學(xué)家成立的公司，在OTC市場上交易，提供3D打印技術(shù)的軟件平臺，目前正在與GE合作開發(fā)金屬零部件的打印技術(shù)。

另外，還有德國的Voxeljet，美國的DM3D,武漢濱湖機電，湖南華曙等。

值得重視的是傳統(tǒng)的CNC機加工設(shè)備廠商也先后進入到增材制造領(lǐng)域，包括如下：

1、德國的DMG
德馬吉森精機LASERTEC 65 3D在5軸數(shù)控加工中心上開發(fā)組合激光沉積焊接的AM（增材制造）功能。適合加工的金屬粉體材料包括不銹鋼、難切削材料因康鎳合金（鎳基合金的一種）等。設(shè)備適用于飛機零部件和醫(yī)療設(shè)備零部件相關(guān)的復(fù)雜工件（加工對象物）制造與修理。激光沉積焊接采用2千瓦二極管激光，數(shù)控銑削加工和激光加工可完全自動切換，相當(dāng)于傳統(tǒng)數(shù)控加工和3D打印增材制造的結(jié)合，用增材制造的方法在一臺機床上把形狀“堆積”起來，再用數(shù)控加工的方法進行輕切，把多余的不符合精度要求的物料切除。

2、日本沙迪克公司（Sodick）
沙迪克于2014年7月16日宣布開發(fā)出了使用金屬材料加工的3D打印機“OPM250L”，將于2014年10月開始銷售。這款打印機采用金屬光成型復(fù)合加工方法，將利用激光熔融凝固金屬粉末的沉積成型與基于切削加工的精加工組合在一起。沙迪克已就這種加工技術(shù)與松下簽署了授權(quán)協(xié)議，同時還在自主開發(fā)相關(guān)技術(shù)，已申請了5項專利。

3、日本的馬扎克（Mazak)
Integrex i-400am采用的是激光燒結(jié)增材制造方法，光纖激光熱源熔化金屬粉末，熔覆頭（即噴嘴）通過讀取CAD定義的模型來熔融材料，該系統(tǒng)還可以加入不同類型的金屬對象，可以修復(fù)現(xiàn)有的磨損或損壞的部件尤其象修復(fù)航空渦輪葉片，可以極大的節(jié)約成本。在數(shù)控機械加工方面，INTEGREX I-400AM提供了完整的5軸功能可以輕松地處理固態(tài)坯料或鑄件、圓形零件，高異形零件和棱柱零件，以及那些經(jīng)過增材制造處理之后的零件。

除了專門的3D打印設(shè)備廠商，各航空裝備制造公司也都加快了在金屬材料3D打印領(lǐng)域內(nèi)的開發(fā)，包括波音、洛克希德馬丁、NASA、空中客車、GEAviation都在嘗試使用3D打印的零部件。例如，GE在它的LEAP引擎上使用了19個3D打印技術(shù)制造的部件，而這款發(fā)動機共收到4500個訂單；波音在最新的787客機上使用了約30個3D打印的部件，大部分是送風(fēng)道和鉸鏈等。目前為止批量裝備3D打印零件的案例還很少，尤其是大型結(jié)構(gòu)件和承力部件。

另外，這些零件的尺寸都有限制，有報道的最大零件尺寸為5.8×1.2×1.2m，用于F14戰(zhàn)機的機翼。原因在于：惰性氣體保護腔或者真空腔的大小有限制，越大的腔體在使用時越為復(fù)雜；零件尺寸變大后在加工中心產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會不斷積攢，造成造成零件的變形或者開裂；大尺寸零件的堆積制造時間過長，外部環(huán)境造成干擾的概率大，同時對于激光器穩(wěn)定性的要求更高；一般而言，大零件在各部位的均一性比較難保證，造成其疲勞強度會比較差。

利用3D打印技術(shù)制造的A380起落架上的齒輪

GEAviation展示的3D打印技術(shù)制作的鈦合金零件

殘余應(yīng)力過大會導(dǎo)致零件開裂

西工大制作的大型零件

3D打印技術(shù)的市場可歸結(jié)為四個不同層次的需求，他們處于產(chǎn)業(yè)化的不同周期，在未來都有爆發(fā)的可能。其中，直接生產(chǎn)金屬零部件的3D打印技術(shù)市場想象空間巨大，國外不少公司已經(jīng)開始投入商業(yè)化生產(chǎn)，裝備制造企業(yè)也逐漸越來越重視這一制造方式可能帶來的變革。隨著技術(shù)的進步和制造業(yè)要求的升級，未來幾年有望看到金屬快速成型技術(shù)的市場步入快速成長期。

3D打印技術(shù)制造金屬零部件未來的發(fā)展很重要的一個方面是需要有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范生產(chǎn)、加工和檢測各環(huán)節(jié)，通過更多的實際測試，打消對于安全性的顧慮。另外，如果按照傳統(tǒng)的設(shè)計模式，只是用3D打印批量制造傳統(tǒng)加工方式便能夠生產(chǎn)的零件，并無太大優(yōu)勢，所以需要在做系統(tǒng)設(shè)計時就將3D打印技術(shù)作為可選的加工方式之一，綜合考慮設(shè)計方案和制造成本，加入復(fù)雜的外形和整體成型等。這將為未來金屬3D打印技術(shù)帶來更大的市場空間。

文章出處：askci.com

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