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3D打印玩转传统制造业,谁是幕后推手?

来源:互联网 时间:2019/5/21 8:30:02

近几年3D打印无论在技术、材料还是应用方面都一直不断取得突破,市场规模持续增长。这些成就使得传统制造业对这一技术充满信心,尤其在2018年,一些公司陆续开始大规模采用该技术,而仍然有很多公司继续采取渐进式措施来应对市场变化。本期,我们来介绍哪些技术的进步推动了3D打印在制造业中的发展。



3D打印市场预测偏低


3D打印市场的预测其实很困难。目前的许多预测都有不同的时间框架,有的侧重于3D打印的特定部分,有的则将技术细分为行业。这些差异使得评价趋势如何演化变得困难。以下是有关3D打印市场的一些评论。


根据SmarTech Publishing的3D打印市场前景和总结报告,3D打印行业在2018年增长了24%,总市值达到93亿美元,而聚合物3D打印销售额增长至55亿美元。

Wohlers Report 2019显示,2018年增材制造市场达到98亿美元,相比2017年73亿美元的规模增长33.5%。

MarketsandMarkets.com表示, 3D打印整体市场预计到2024年将从2018年的99亿美元达到348亿美元,复合年增长率将达到23.25%。

根据Frost&Sullivan的数据,预计到2024年,航空航天领域的3D打印技术和材料市场将增加到5.311亿美元。


这些统计实际上并未基于3D打印的潜在应用进行预测,很多公司因为对应用挖掘不够尚未发现这项技术的更多优势。例如,采用3D打印进行零部件修复的应用经常被忽视,而全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失达7000亿美元,全球商业航空业每年需要花费近1000亿美元的费用用于维修,因此看来,3D打印所面对的市场规模是否会更广阔呢?




3D打印用于零件修复

目前,航空航天和汽车工业正在帮助推动3D打印市场规模的增长,医疗行业也在不断更新3D打印的新应用。展望未来,不仅是新技术和新材料将推动3D打印市场的发展,标准化和数字制造的趋势也将深化这一新型制造形式的应用。

标准、检测和在线监控的发展

航空航天、汽车和医疗是被高度管制的行业。为了让3D打印在这些领域真正发展,除了技术本身,工程师还需要检测手段来验证质量。从原料、设备以及每个零件的工艺参数直至交付,这需要完整的认证过程,确保零件符合标准和法规。


福特和Carbon联手使用3D打印技术生产成品零件,双方的合作促进了福特生产数字化的发展

制造质量的稳定性是3D打印面临的重要问题,对于金属3D打印尤其如此。整个行业有无数多个粉末供应商和不同的打印机提供商,所有这些因素都可能会导致不同的制造质量。事实上,即使是相同的材料和设备,不同打印批次甚至同一批次的结果也会不同。例如,采用选择性激光熔融(SLM)工艺,即使使用同一批粉末和同一台设备,AlSi10Mg的屈服强度也会在235-290Mpa之间变化。




3D打印的铝合金部件

为了推进3D打印应用,必须使用在线或自动化流程,检查和验证所有潜在的影响因素。这将使3D打印行业面临更多的检测设备。3D扫描仪、逆向工程软件、CT扫描和全数字流程将为标准化过程带来巨大价值,然而这并不会降低产品制造的效率。

事实证明,CT扫描是检查塑料零件的一种很好的方法,它有可能被应用到生产线上。将CT技术与视觉检测软件结合可以实现自动化。而金属零部件的检测仍存在困难。


使用3D打印可以让公司实现定制生产并提高灵活性

Sigma实验室正致力于过程视觉的研发,它可以在线监控打印过程,确定打印质量是否偏离标准太远,并停止生产。

在检测到错误时停止进程是非常重要的。速度慢是3D打印的重要缺陷,而且金属粉末也并不便宜。如果一个零件在打印早期出现质量问题,而工程师可能要等到生产后期才能知道。如果监控软件在开始时便发现并终止制造,便可以节省材料,防止浪费时间,并提前调整生产计划。

材料和技术的进步
       

3D打印材料成本和制造成本的降低正在加快技术应用,当前塑料3D打印可以提供多种具有成本效益的选择,而金属3D打印则在大规模使用方面发展缓慢。尽管像HP Metal Jet和Desktop Metal这样的打印机看起来能够实现成本降低和大规模生产,但这类金属同样也存在局限性。粘结剂喷射制造的零件在强度方面无法比拟其他工艺,不过仍然有很多非承重部件和低强度部件需求,因此粘结剂喷射工艺已经引起了业界的关注。随着工程师对3D打印的熟悉程度越来越高,未来可能会找到更多解决方案。

 



粘结剂喷射技术制造的零件

并非所有的颠覆性影响都是金属打印带来的,近几年碳纤维3D打印同样取得了重要进展。Markforged是第一家实现碳纤维3D打印商用的公司,2018年Stratasys也发布了类似技术的打印机。碳纤维的3D打印制造相对于传统的密集手工劳动过程兼具自动化和效率优势,可以更快的速度制造复杂、轻质、高强度的部件。 

航空航天和自动化制造领域占据了碳纤维3D打印的大部分市场,在这些领域,部件的重量和强度都很重要,能够降低碳纤维部件的成本将是打破传统碳纤维行业的重要一步。




Stratasys推出的Fortus380碳纤维3D打印机应用于航空航天行业

Arevo是一家专注于超强度聚合物复合材料增材制造的公司,其用于优化打印部件材料属性软件算法,可将碳纤维布置在最佳方向,根据零件的使用方式提高零件强度。Arevo开发的新型打印机有一根连续碳纤维预埋在聚合物线材中,在打印过程中按照零件界面进行布置。与碳纤维短纤的随即分散提高整体强度不同,控制纤维走向可以钛合金三分之一的重量达到其五倍的强度。




3D打印碳纤维可替代部分金属零件

新材料为原始设备制造商提供了更强、更灵活的聚合物材料,这些新型材料的上市,无疑会使制造企业的打印机发挥更多作用。

新材料的发展无疑深化了3D打印应用,而一些新技术的诞生则使该技术实现了跨越式发展。Carbon在几年前开发的连续液面生产(CLIP)技术在汽车行业取得的成功显示出大规模数字制造的巨大前景;同时,该技术还在阿迪达斯运动鞋的批量制造中,成功引领了制鞋领域的创新进程。




光固化立体成型技术

如果说SLA仍然是基于二维截面的Z轴层叠制造,那新近诞生的多激光立体光刻和计算机轴向光刻则真正实现了三维截面的建造过程。该过程从不同的角度使用像DLP一样的二维图像同时曝光,材料暴露在足够的能量下快速固化成所需的几何形状。相对于传统的3D打印过程,该技术无疑会进一步提高生产速度。

END

3D打印的大规模应用势必会成为趋势,然而这离不开新材料的开发和打印技术的进步,也离不开打印效率和制造质量的提升,以及相关标准和法规的完善。但无论怎样,3D打印的规模化应用确实已经初漏端倪,未来更是值得期待。

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