SmarTech報告：金屬3D打印的歷史機遇與挑戰(zhàn)

2017年金屬3D打印企業(yè)面臨著從銷售網(wǎng)絡(luò)到解決方案以及技術(shù)服務(wù)等一系列全線競爭。增材制造市場格局由溪流匯入大海，市場競爭由賽道競爭直接切換到賽場規(guī)模的競爭。

GE、GKN、美鋁這樣的企業(yè)對推動整個增材制造技術(shù)走向深化有著至關(guān)重要的作用。這也意味著，金屬3D打印進入到歷史上從未有過的階段。

如何對機遇做好準備？市場研究公司SmarTech針對金屬3D打印從設(shè)備端到金屬粉末生產(chǎn)商競爭格局的變化，以及在應(yīng)用端的發(fā)展前景做出了一系列的分析與預(yù)測。本期，3D科學谷與谷友共同領(lǐng)略SmarTech的觀點。


· 行業(yè)應(yīng)用

金屬3D打印的應(yīng)用在航空航天與醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用前景已經(jīng)比較明確，而SmarTech還預(yù)測了另外三個將保持高速增長速度的應(yīng)用行業(yè)，包括汽車、牙科、石油天然氣行業(yè)。其中，SmarTech預(yù)測石油天然氣行業(yè)對金屬3D打印技術(shù)的引入在2017年達到80%以上的增長速度，這一速度在2018年及隨后雖然略有降低，但在2025年以前這一增長速度都維持在40%以上的水平。3D科學谷推測SmarTech之所以有這樣的預(yù)測，這與石油天然氣開采設(shè)備的小批量與復雜性緊密相連。

▲SmarTech關(guān)于金屬3D打印的主要應(yīng)用領(lǐng)域增速預(yù)測

航空航天行業(yè)對金屬3D打印技術(shù)的引入在2024年以前都將保持在30%以上的年增長水平。這一點，3D科學谷認為是毋庸置疑的，2017年GE獲得批準的專利中，公開了用于制造渦輪機部件上的應(yīng)變傳感器的方法。緊接著，GE于1月24日又獲批專利，內(nèi)容包括燃料噴射器主體和冷卻系統(tǒng)的制造技術(shù)。如果說3D打印在航空領(lǐng)域越來越彰顯重要性，那么在航天領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已然成為“頂梁柱”。NASA認為3D打印在制造液態(tài)氫火箭發(fā)動機方面頗具潛力，NASA的AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造驗證機項目在3年內(nèi)，團隊通過增材制造出100多個零件,并設(shè)計了一個可以通過3D打印來完成的發(fā)動機原型。而通過3D打印，零件的數(shù)量可以減少80%，并且僅僅需要30處焊接。SpaceX、Blue Origin、馬歇爾太空飛行中心，Aerojet Rocketdyne，以及Rocket Lab在2016年再一次證明，3D打印不僅將提升火箭發(fā)射設(shè)備的性能，更能降低火箭發(fā)射的成本。

醫(yī)療領(lǐng)域，SmarTech預(yù)測在2018年前金屬3D打印的應(yīng)用增長都保持在30%以上的高速增長水平，在2019年及2021年以后將進入20%左右的中速增長水平。我們看到在2015年-2016年期間，全球幾大著名骨科醫(yī)療器械制造商 Zimmer、Smith&Nephew、Stryker、強生陸續(xù)推出了3D打印產(chǎn)品，這些產(chǎn)品經(jīng)過多年的研發(fā)與驗證，獲得了FDA的批準，并正式進入到醫(yī)療市場。

齒科方面，國內(nèi)北京大學口腔醫(yī)院、成都登特牙科技術(shù)都在進行積極的應(yīng)用。其中成都登特牙科技術(shù)將金屬3D打印技術(shù)用于制固定烤瓷冠橋、金屬冠橋的成型和樁核，并成功用于活動支架的成型。根據(jù)SmarTech的預(yù)測，這一行業(yè)對金屬3D打印技術(shù)的引入增速雖不如其他幾個行業(yè)火爆，但在2026年以前都將維持在10%以上的年增長水平。

汽車行業(yè)對金屬3D打印技術(shù)的引入將保持高速增長，根據(jù)SmarTech的預(yù)測，這一增長率在2026年以前將保持在30%以上的水平。在2021年則達到50%的爆發(fā)式增長速度。


· 銷量情況

根據(jù)SmarTech的報告，金屬設(shè)備的銷售金額在2014年為4.45億美金，金屬粉末的銷售金額為1.2億美金；2015年金屬設(shè)備的銷售金額為5.75億美金，金屬粉末的銷售金額為1.9億美金；2016年金屬設(shè)備的銷售金額為7.6億美金，金屬粉末的銷售金額為2.75億美金；2017年金屬設(shè)備的銷售金額預(yù)測達到8.2億美金，金屬粉末的銷售金額為3.8億美金。

▲SmarTech關(guān)于金屬3D打印設(shè)備及粉末銷量報告及預(yù)測

不同的研究機構(gòu)數(shù)據(jù)或有出入，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了2.5億美金，高于預(yù)測。而3D打印金屬粉末市場將保持高增長的態(tài)勢，IDTechEx預(yù)測到2025年達到50億美金的市場規(guī)模，年復合增長率39.5%。

根據(jù)Wholers與VDW報告，金屬增材制造市場份額大約只占所有增材制造的10%左右，然而這一比例有望在2023年達到51%左右。


· 新技術(shù)

SmarTech 指出不同的金屬3D打印技術(shù)存在著一定層面的競爭或互補關(guān)系。新的金屬3D打印技術(shù)包括Nano Particle Jetting(納米顆粒噴射），原子擴散增材制造（Atomic Diffusion Additive Manufacturing)，平鋪激光熔融工藝（ Tiles Laser Melting）。競爭的主旋律圍繞著在提供高度的精度以及零件復雜性的同時，滿足更高的效率和更低的成本。

▲SmarTech關(guān)于金屬3D打印技術(shù)特點分析

Nano Particle Jetting(納米顆粒噴射）：代表企業(yè)Xjet

每秒鐘噴射出上千滴“油墨”，聽起來有點像大幅面數(shù)碼打印 以及紡織品的打印，Xjet的特別之處在于其噴射頭多次經(jīng)過相同區(qū)域，每次具有小的偏移，使得每個噴嘴在若干略微不同的位置噴射。

Xjet的碳化鎢/鈷油墨組合物中包括作為載體起作用的液體媒介物，作為亞微米顆粒、納米粒子的碳化鎢(WC)和鈷(Co)。鈷也可以在油墨中以前驅(qū)體(precursors)的形式存在，例如可溶解的有機鈷化合物、鹽或絡(luò)合物。

這種油墨在完成Xjet的3D打印之后，生坯被送去經(jīng)受燒結(jié)過程，在真空和低溫度(幾百攝氏度)下加熱，其中有機材料被除去(脫結(jié)合階段)，隨后是在接近于Co的熔點的溫度進行的液相燒結(jié)。在燒結(jié)之后，可達到切割刀具所需要的機械強度和硬度。

Xjet關(guān)鍵詞包括：納米金屬射流技術(shù)、金屬混合油墨、新型噴墨裝置和噴射方法（高溫處理）、出色的分辨率、高于SLS激光燒結(jié)5倍的速度。

原子擴散增材制造（Atomic Diffusion Additive Manufacturing)：代表企業(yè)Markforged

Metal X使用的是一種被稱為原子擴散增材制造（Atomic Diffusion Additive Manufacturing，ADAM）的突破性技術(shù)。該技術(shù)適用于從鈦到鋁的材料，會逐層打印出部件，但與FDM不同的是，它使用的是一種被塑料粘合劑包裹的金屬粉末，打印完成后粘合劑會被去除。隨后，3D打印件會被燒結(jié)成工程金屬。有趣的是，ADAM技術(shù)會一次性燒結(jié)好整個部件，并允許金屬晶體穿過粘結(jié)層，從而實現(xiàn)強度的最大化。最終您得到的是一個完整構(gòu)造的致密金屬部件，可用于工業(yè)、汽車、醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域。

平鋪激光熔融工藝（ Tiles Laser Melting）：代表企業(yè)Adira

歐洲鈑金加工設(shè)備企業(yè)Adira的新型復合機床同時將粉末床熔融(PBF)和直接能量沉積(DED)這兩種激光增材制造技術(shù)以及激光切割技術(shù)結(jié)合在了一起，Adira復合機床中集成的新技術(shù)稱為平鋪激光熔融工藝（ Tiles Laser Melting），該工藝將現(xiàn)有的工作區(qū)按照順序分為幾個小片段，最終制造出大于制造腔室的單個大型零部件或若干個小型零部件。通過將激光掃描器運動與離焦能力相結(jié)合，可為零部件的細節(jié)和高度復雜的輪廓形狀建立不同掃描策略，以提高生產(chǎn)率和處理速度。

Adira復合機床采用了模塊化給料系統(tǒng)，這種獨立的雙料斗給料系統(tǒng)，可提供2種不同的加工材料，由用戶來選擇最終所需要的材料。在進行給料設(shè)備的清潔和準備的同時機床仍可以進行加工，這一工作原理將最小化設(shè)備的停機等待的時間。


· 新的競爭格局

GE本身是3D打印的下游應(yīng)用企業(yè)，而收購了Arcam，Concept Laser以后，GE成為其上游3D打印設(shè)備廠商中的一員。并提出將在2到3年內(nèi)提高3D打印的速度，在更長遠的時間內(nèi)，GE希望達到現(xiàn)在速度的100倍。通過GE下游業(yè)務(wù)部門的應(yīng)用發(fā)展需求，不斷反哺GE上游設(shè)備的研發(fā)，無論是資金方面還是know-how方面，其收購的設(shè)備品牌都獲取了其他企業(yè)難以獲得的優(yōu)勢。

▲SmarTech關(guān)于GE的Concept Laser與Arcam設(shè)備銷售情況預(yù)測

其中，淺紅色代表GE內(nèi)部消耗的金屬3D打印設(shè)備銷量預(yù)測，深紅色代表GE對外銷售的金屬3D打印設(shè)備銷量預(yù)測。同時到2026年，GE將在金屬打印設(shè)備市場占有的份額將超過16%。

而美鋁也宣布將3D打印業(yè)務(wù)從粉末到打印服務(wù)單獨成立一家公司Arconic，Arconic公司可以為用戶提供從航空技術(shù)到金屬粉末生產(chǎn)乃至產(chǎn)品認證的專業(yè)服務(wù)。依靠美鋁公司的技術(shù)實力，Arconic在傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)和3D打印領(lǐng)域都將成為獨具實力的強勢品牌。

另外一家公司，GKN圍繞著強大的航空航天業(yè)務(wù)與動力車輛業(yè)務(wù)版圖，GKN打造了三個增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英國Filton增材制造卓越中心。

控股Realizer的同時，DMG MORI也宣布開設(shè)新的開源創(chuàng)新數(shù)字化軟件：ISTOS（ Innovative Software Technologies for Open Solutions）。目前，DMG MORI擁有ISTOS85%的股份。ISTOS的研發(fā)中心位于德國杜塞爾多夫，主要負責開發(fā)DMG MORI和其他合作伙伴的數(shù)字化生產(chǎn)項目。ISTOS將為連接DMG MORI的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和集成的數(shù)字工廠之間起到紐帶作用。

▲SmarTech認為頗具歷史價值的金屬3D打印新生態(tài)系統(tǒng)

· 金屬粉末

金屬粉末的一大市場應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天，尤其是鎳基高溫合金，鈷鉻合金，鈦合金。合金粉末最常用的是鈦合金Ti6Al4V或者叫Ti64，SmarTech預(yù)測鈦金屬的消耗量（按體積計算）占所有金屬粉末消耗量的30%左右。

鈦合金令人難以置信的多才多藝，通常用于許多行業(yè)，由于其高強度，可比鋼，但幾乎是鋼一半的重量，所以用途廣泛，成為最流行的合金之一。這種合金實際上主要有兩個檔次，更常見的是Grade 5級，和超低間隙Grade 23級。后者有更嚴格的控制氧和氮含量的要求。

▲SmarTech關(guān)于金屬粉末在不同的行業(yè)應(yīng)用變化描述

▲SmarTech列出的高速年復合增長率的金屬粉末與其對應(yīng)的行業(yè)應(yīng)用

▲SmarTech關(guān)于鈦合金與鋁合金的消耗量與增長率

“多才多藝”的合金是鈷鉻鉬合金，簡單稱為鈷鉻，在牙科部門最為普遍。這是ISO 5832合金的衍生物，或ASTM F75，歷史淵源為鎢鉻鈷合金?合金，它最初是作為整形外科植入物用鑄造合金。但是用于牙科的合金不同于用于植入物的鈷鉻合金，因為它含鎳（Ni）的自由基，并有更多的鎢（W）的成分。牙科合金具有很好的強度（＞1300MPa,消除應(yīng)力后），并且具備很好的生物相容性，與陶瓷涂層不易的分離。3D金屬打印可以將這種材料制成牙橋、牙冠等產(chǎn)品，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有縮短制造流程、提高精度、降低成本的優(yōu)勢。不過，SmarTech預(yù)測鈷鉻的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒂梢葬t(yī)療和牙科應(yīng)用為主轉(zhuǎn)為以航空航天行業(yè)為主。

銅是一種導熱性和反射性極佳的材料，這一屬性也使選擇性激光熔化 3D打印銅合金粉末充滿了挑戰(zhàn)。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。SmarTech預(yù)測在10年內(nèi)，銅在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將保持49.35的年復合增長率。

鋁合金占所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業(yè)的10年復合增長率在51.2%。鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末。典型的應(yīng)用是薄壁零件如換熱器，或其他汽車，航空航天和航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件。而AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應(yīng)用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。

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來源：3D科學谷

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