2023 年 3D 打印預(yù)測(cè)：零件批量生產(chǎn)或成金屬增材制造主流方向

隨著 3D 打印行業(yè)的成熟，我們可以看到一系列非常積極的發(fā)展正在展開(kāi)。如今的行業(yè)正在遠(yuǎn)離炒作和不切實(shí)際，而真正聚焦于將零件“落地”。

3D 打印技術(shù)非常復(fù)雜，并且具有新穎的零件生產(chǎn)方式。由于增材制造 (AM) 的本質(zhì)，每個(gè)打印組件的每個(gè)體素都是獨(dú)一無(wú)二的。3D 打印技術(shù)不是在切割已知的金屬塊，而是用粉末或噴射材料流建造。因此，該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)比其他制造過(guò)程中的挑戰(zhàn)更新和復(fù)雜得多。因此，我們?cè)诠�業(yè)化增材制造方面的工作，特別是在金屬方面，還遠(yuǎn)未結(jié)束。全球各地的制造商都在這方面進(jìn)行努力，所以我們看到了更多的標(biāo)準(zhǔn)、更多的資格、更高的生產(chǎn)力，以及更多的 3D 打印工廠級(jí)部署。

然而，大規(guī)模生產(chǎn)的金屬增材制造仍然非常罕見(jiàn)。在本期文章中，南極熊總結(jié)了一些金屬 3D 打印領(lǐng)域的領(lǐng)先專(zhuān)家對(duì)該技術(shù)在 2023 年將如何發(fā)展的看法，并且專(zhuān)家們也提及了他們對(duì) 2023 年及以后的系列金屬增材制造的預(yù)測(cè)，內(nèi)容如下：

宏觀背景下的 3D 打印發(fā)展

Additive Industries首席執(zhí)行官M(fèi)ark Massey專(zhuān)注于最高效和最苛刻的應(yīng)用，尤其是在更大的宏觀環(huán)境中：“我們認(rèn)為，高通脹和大宗商品價(jià)格將影響客戶(hù)在查看增材制造批量生產(chǎn)時(shí)如何看待勞動(dòng)力、能源和消耗品成本。隨著用戶(hù)對(duì)運(yùn)營(yíng)支出中的這些因素越來(lái)越敏感，人們將更加關(guān)注自動(dòng)化和生產(chǎn)力，以及消耗品的回收利用。在我們看來(lái)，較高的利率不太可能對(duì)打印機(jī)的采購(gòu)產(chǎn)生重大影響，盡管可能更感興趣的是升級(jí)而不是完全更換現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)。就行業(yè)趨勢(shì)而言，隨著各國(guó)增加國(guó)防開(kāi)支以補(bǔ)充庫(kù)存或提高應(yīng)對(duì)烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)的能力，我們可能會(huì)看到增材制造在國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。能源行業(yè)也可能會(huì)因?yàn)榛�石燃料的更快轉(zhuǎn)換而受到破壞，這可能會(huì)在未來(lái)為更多的增材制造零件打開(kāi)大門(mén)�？傮w而言，我們看到金屬增材制造零件的批量生產(chǎn)持續(xù)強(qiáng)勁的積極趨勢(shì)�！�

這是一種現(xiàn)實(shí)主義，不同于3D打印制造將替代一切的看法。對(duì)生產(chǎn)、成本和自動(dòng)化的關(guān)注似乎確實(shí)很有可能發(fā)生。國(guó)防和能源也很受看好，并且現(xiàn)在可以看到這些細(xì)分市場(chǎng)增長(zhǎng)非�？�。Mark的答案的所有前提都是基于現(xiàn)實(shí)、實(shí)際零件和實(shí)際成本采用增材制造，這是增材制造行業(yè)內(nèi)正在解決問(wèn)題而不是只提出問(wèn)題的商人。

△可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的Additive Industries Metal Fab G2

增材制造軟件的作用

設(shè)置、材料、軟件、機(jī)器和設(shè)計(jì)是 3D 打印部件的關(guān)鍵組成部分，如今的增材制造行業(yè)正在增加對(duì)軟件的重視程度。NASA 的Gradl 是馬歇爾太空飛行中心的總工程師，也是《推進(jìn)應(yīng)用的金屬增材制造/Metal Additive Manufacturing for Propulsion Applications》一書(shū)的合著者，他表示：“我預(yù)計(jì)增材行業(yè)內(nèi)會(huì)接連出現(xiàn)各種輔助方法以提高金屬增材制造生產(chǎn)率，例如后處理自動(dòng)化、原位和構(gòu)建后幾何和缺陷檢測(cè)技術(shù)，以及全過(guò)程數(shù)據(jù)捕獲和分析以創(chuàng)建數(shù)字孿生。至關(guān)重要的是，必須充分了解整個(gè)增材制造生命周期，才能進(jìn)入生產(chǎn)階段并在每個(gè)階段保持可追溯性。輔助工具也必須隨著增材制造構(gòu)建過(guò)程本身而發(fā)展。我對(duì)金屬增材制造工藝的成熟感到非常興奮，這些工藝沒(méi)有受到太多關(guān)注，也沒(méi)有被用于關(guān)鍵的最終用途應(yīng)用。有了針對(duì)性軟件的助力，以前無(wú)法打印和加工的新金屬合金將實(shí)現(xiàn)更高的組件性能，并提高增材制造必須提供的經(jīng)濟(jì)效益。”

軟件顯然將在 3D 打印的產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。The Barnes Global Advisors的首席顧問(wèn)John Barnes將增材制造設(shè)計(jì)(DfAM)視為流程的關(guān)鍵：“我希望軟件和數(shù)字工作流程能夠跟上打印機(jī)的生產(chǎn)力，或者繼續(xù)簡(jiǎn)化操作員和工程師操作的趨勢(shì)。毫無(wú)疑問(wèn)，更廣泛地理解 DfAM 首先作為制造設(shè)計(jì)的一章對(duì)于批量生產(chǎn)是必要的。這些要求不會(huì)變得更容易，增材制造需要滿足這些要求。我經(jīng)常說(shuō)，增材制造就像 Ginger Rogers。它必須像弗雷德阿斯泰爾那樣做傳統(tǒng)制造業(yè)所做的一切，但要倒退和緊跟其后。這意味著，它必須達(dá)到和/或超過(guò)現(xiàn)有制造解決方案的能力�！�

相比之下，Velo3D的 CEOBenny Buller 卻持相反的看法：“Velo3D 將在2023 年退出軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，專(zhuān)注于成為最大的金屬增材制造設(shè)備供應(yīng)商。DfAM 正在我們眼前迅速消亡。“Benny 認(rèn)為他的公司最大的機(jī)會(huì)在于消除對(duì) DfAM 的需求，而對(duì)于 John Barnes 來(lái)說(shuō)，工作流程已經(jīng)完成任務(wù)并且需要 DfAM。無(wú)論您怎么看，軟件越來(lái)越成為批量生產(chǎn)最重要的推動(dòng)因素。

△Velo3D的領(lǐng)先金屬3D打印解決方案—藍(lán)寶石XC1MZ

專(zhuān)注于硬件

Autodesk的增材制造總監(jiān)AlexanderOster認(rèn)為 Fusion360 和其他軟件也是開(kāi)啟增材制造工業(yè)化的關(guān)鍵推動(dòng)因素。但是，他看到軟件已經(jīng)到了我們可以將注意力轉(zhuǎn)移回機(jī)器的地步，特別是在成本方面。他說(shuō)：“我認(rèn)為，金屬增材制造領(lǐng)域目前正在分裂為高端機(jī)器和大眾市場(chǎng)機(jī)器，前者的規(guī)模和資本成本都在增長(zhǎng)（主要由航空航天應(yīng)用驅(qū)動(dòng)），后者的資本支出和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)較低，將推動(dòng)低端應(yīng)用在特定質(zhì)量下需要低零件單位成本。

我們看到配備 8 到 12 個(gè)激光器的機(jī)器帶來(lái)了巨大的生產(chǎn)力提升，這正在推動(dòng)大型組件生產(chǎn)和大量行業(yè)增長(zhǎng)，Velo3D、Vulcan Forms 和 Seurat 都是其中的杰出代表。但是，該行業(yè)也發(fā)生了其他事情，那就是越來(lái)越多的公司正在影響低端金屬 3D 打印。一些成本較低的參與者也開(kāi)始進(jìn)入行業(yè)，它們提供的商品部件或質(zhì)量水平將充斥整個(gè)行業(yè)。因此，New Space 的人將擁有大型機(jī)器，但更多的普通用戶(hù)將能夠獲得更高性?xún)r(jià)比的打印系統(tǒng)。粉末床融合的商品化將是增材制造的巨大發(fā)展。

另一個(gè)以成本為中心的回應(yīng)來(lái)自DB Schenker的 Jochen Loock。這位前 Fraunhofer 增材制造專(zhuān)家現(xiàn)在正在尋求幫助將一家大型物流公司轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)用于維護(hù)、修理和大修 (MRO) 以及備件的 3D 打印強(qiáng)國(guó)。對(duì)于這些類(lèi)型的銷(xiāo)量，Jochen 是通過(guò)成本的角度來(lái)看待市場(chǎng)的：“未來(lái)幾年成熟的關(guān)鍵推動(dòng)因素正在緩慢但不斷地進(jìn)行：由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)、教育傳播和最佳實(shí)踐傳播以及標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)正在建立，成本下降。批量生產(chǎn)將在鐵路、航空航天和醫(yī)療等利基和高價(jià)值市場(chǎng)進(jìn)一步成熟和傳播。高端汽車(chē)批量生產(chǎn)和備件可能成為未來(lái)幾年的增長(zhǎng)動(dòng)力。增材制造領(lǐng)域最重要的功課是擺脫技術(shù)敘事，找到備件供應(yīng)鏈問(wèn)題的有利可圖的解決方案。如果有任何創(chuàng)新突破即將發(fā)生，那將是通過(guò)改進(jìn)工藝和材料相互作用，將 L-PBF 的工藝速度提高至少兩倍�！盝ochen是嚴(yán)格依據(jù)實(shí)際成本和性能來(lái)評(píng)估這個(gè)行業(yè)。

除了大型機(jī)器和更好的設(shè)備，“過(guò)程和材料”的相互作用確實(shí)可以帶來(lái)顯著的收益，并導(dǎo)致使用相同設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性更好。這將真正提高利潤(rùn)率，降低組件成本，并成為影響我們行業(yè)的最重要的事情之一。

金屬后處理

另一件反復(fù)提到的一件事是后處理。Solukon首席執(zhí)行官Andreas Hartmann表示：“對(duì)于金屬生產(chǎn)，我們預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)更加注重后處理的趨勢(shì)，因?yàn)檫@是影響您是否真正進(jìn)行批量生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟。你可以隨心所欲地將一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化成系列化生產(chǎn)，但如果后續(xù)的后處理達(dá)不到同樣的高標(biāo)準(zhǔn)，就不會(huì)有真正的系列化生產(chǎn)。源自基于數(shù)字孿生的流動(dòng)模擬，我們的軟件模式除粉系統(tǒng)可確�？煽�、可重復(fù)和可預(yù)測(cè)的清潔結(jié)果。第二個(gè)趨勢(shì)是航天工業(yè)的批量生產(chǎn)。正如媒體所寫(xiě)，一些火箭公司成功地進(jìn)行了熱點(diǎn)火測(cè)試，我們距離發(fā)射帶有完全增材制造的燃燒室的火箭進(jìn)入太空只有幾個(gè)月的時(shí)間。這將是增材制造系列燃燒室和其他重要運(yùn)載火箭元件生產(chǎn)的啟動(dòng)。此外，大規(guī)模批量生產(chǎn)將使增材制造的生態(tài)足跡問(wèn)題更加緊迫。增材制造中的節(jié)能潛力、粉末回收和碳足跡問(wèn)題不僅將是一個(gè)形象問(wèn)題，而且還將成為增材制造公司在經(jīng)濟(jì)上重要的話題�！�

△Solukon de 打印腔室里的1 米零件。

金屬增材制造會(huì)改變聚合物的進(jìn)程嗎？

Prototek在增材制造方面有著豐富的整合經(jīng)驗(yàn)，該公司此前收購(gòu)了Steve Grundahl領(lǐng)導(dǎo)的聚合物打印公司Midwest Prototyping。對(duì)于金屬 3D 打印的快速發(fā)展是否會(huì)吸引他從“聚合物專(zhuān)家”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖饘俸途酆衔铩睂?zhuān)家，Steve表示：“作為專(zhuān)注于聚合物打印服務(wù)的公司，我們還沒(méi)有找到一個(gè)令人信服的理由來(lái)轉(zhuǎn)移我們?cè)诰酆衔锓矫娴膬?yōu)勢(shì)資源來(lái)冒險(xiǎn)。不過(guò)，目前粘合劑噴射領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)以及預(yù)測(cè)軟件和后處理技術(shù)的改進(jìn)讓我們添加金屬服務(wù)的希望很快就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。”

△打印頭沉積粘合劑。圖片來(lái)源：ExOne

聚合物和金屬 3D 打印服務(wù)和制造公司曾經(jīng)是完全不同的世界，只有少數(shù)公司在大規(guī)模制造中將它們結(jié)合起來(lái)。但是，從史蒂夫這里可以清楚地看出，Prototek 和 Midwest Prototyping 正在密切關(guān)注金屬以及這個(gè)市場(chǎng)正在發(fā)生的事情。他們將粘合劑噴射視為使金屬易于使用的技術(shù)。但是，他也再次提到了軟件是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。史蒂夫的考慮確實(shí)意味著，也許大量新的資金和產(chǎn)能將在短期內(nèi)涌入金屬行業(yè)。

△圖片來(lái)源：Digital Metal

總之，我們看到了 3D 打印行業(yè)的軟件化。通過(guò) DfAM、算法和工作自動(dòng)化工具，該行業(yè)將在連續(xù)零件的金屬增材制造方面取得重大飛躍。此外，還需要關(guān)注增材工作流程中所有移動(dòng)位的集成方法。設(shè)置、后處理機(jī)器和更好的吞吐量都應(yīng)該集中在成本上，同時(shí)保持質(zhì)量。我們正在進(jìn)行實(shí)際零件和實(shí)際成本計(jì)算，如果我們能夠滿足每個(gè)零件的成本，這將推動(dòng)優(yōu)化和采用。

真正滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的想法是我們?cè)谶@里看到的最大趨勢(shì)。人們看好汽車(chē)、國(guó)防、能源、鐵路和航空航天，而新空間似乎是目前推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的最大客戶(hù)力量。New Space、航空航天和國(guó)防購(gòu)買(mǎi)的大型機(jī)器似乎正在驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜、更大的票務(wù)設(shè)備和終端用途部件。對(duì)于其他人來(lái)說(shuō)，新一波的低成本機(jī)器可能是他們獲得更實(shí)惠系列零件的途徑。