TCT Asia带您纵览金属增材制造的20多年发展历史和格局

  谈到强度和耐用性,没什么能比得上金属3D打印。最早的金属3D打印专利是DMLS(直接金属激光烧结),由德国EOS在1990年代获得。从那时起,金属3D打印逐渐发展出了许多种类的打印工艺。

  增材制造的第一个实验装置和早期机器概念的提出可以追溯到20世纪6、70年代。然而,第一批商业化的系统是在80年代末才出现的。常被冠以发明“现代”3D打印机的人是查尔斯W.赫尔(Chuck Hull)。在1984年,他定义了专利术语StereoLithography Appearance(光固化成型技术,系统通过创建多个截面的方式生成三维物体对象,把设计转化成为实物)。这也标志着3D打印技术的产生。

  继SLA的商业化之后,DTM公司 (2001年被3D Systems收购)在1992年推出了第一台选区激光烧结 (SLS) 系统。这两种技术在今天仍被大范围的使用在聚合物的原型设计。随着材料和机器技术的加快速度进行发展,也被用来生产许多最终应用部件。

  进入21世纪后,金属3D打印技术逐渐被大众所接受,特别是在2010年之后,随技术的进步,金属3D打印除了在产品设计、建筑规划设计、工业设计、医疗用品设计等领域发挥作用外,在电影动漫、气象、教育、饮食业等领域也在不断发挥其独特的作用。

  现代激光粉床工艺(LB-BF)的祖先之一是EOS于1994年推出的直接金属激光烧结(DMLS)技术。当时,EOS已经在生产SLS机器。后来,他们调整了机器技术,在液相烧结过程中采用两种成分的混合金属粉末来打印金属零件。该工艺通过熔化钢颗粒周围的低熔点基体材料(通常是铜或青铜),实现了一步到位的AM制造。

  在90年代末,首次在增材制造工艺中使用高能光纤激光器,直接熔化单组分金属合金。从此,可用于金属增材制造的材料范围有了质的飞跃。

  1999年,FOCKELE & SCHWARZE两个人(至今仍在斯棱曼激光科技公司)推出了第一台选择性激光熔覆系统。很快,CONCEPT LASER、EOS和通快(Trumpf)在2003年都推出了利用激光能量直接熔化金属合金的系统。

  在欧洲,德国开展PBF业务的同时,总部设在美国的EXTRUDE HONE公司在1999年推出了第一个基于烧结的金属AM系统。该技术采用的是使用金属粉末的粘接剂喷射技术,在随后的烧结过程中,金属粉末致密成型,形成金属零件。

  金属增材制造技术在过去20多年时间里蒸蒸日上,可使用的材料更广泛,比以前快得多,并能生产出质量更高的部件。如今,市面上已有近20种不同的金属增材制造技术(如下图所示)。

  2013年,基于聚合物的熔融沉积成型(FDM)技术的专利到期,低成本的打印机开始步入消费市场。此后,关于增材制造的新闻报道大幅度的增加,上市的增材制造公司的股票在市场上买卖的金额暴涨,特别是LB-PBF系统被出售给许多充满好奇的工业用户和研发部门。在接下来的5年里,PBF系统的销售持续增长。第一个工业推动者是医疗设施行业,他们使用EB-和LB-PBF系统在批量生产环境中制造牙冠、髋关节杯和脊柱笼等植入体。

  2015年初,炒作3D打印的热度开始逐渐退却,从事增材制造业务公司的股票在市场上买卖的金额纷纷在这一年回落。然而,金属PBF系统的销售却依然保持强劲,因为更多的行业,如航空、能源、天然气和石油开始探索金属增材技术。

  2016年,Desktop Metal和惠普进入市场,推出了他们的金属BJ技术。与PBF相比,在生产力大幅度提高的承诺下,形成了第二次炒作。2019年,第一批系统已经在测试客户处安装。金属BJ对传统制造的真正影响还有待确定。特别是复杂的脱胶和烧结过程,将阻碍该技术被快速采用,并限制设计和应用的可能性。

  此外,国内厂商方面,铂力特从2014年开始研发多光技术,近十年来,已使用超大幅面、超多激光BLT设备为空天用户稳定交付零件。前不久,铂力特助力星际荣耀液氧甲烷发动机研制,星际荣耀液氧甲烷发动机的大尺寸零件将在TCT Asia 2023的展会现场亮相,更将有超多激光、大尺寸设备新品发布。

  而在国内,铂力特的创始团队1995年开始研究金属打印平台,2009年卖出了国内第一台商用化的金属3D打印设备。

  2023年初,铂力特正式对外发布了硬质合金增材制造成形工艺,解决了传统工艺难以成形复杂结构钨钢零件的问题。时隔半年,硬质合金工艺的新应用批量登场,来TCT亚洲展来展台H31一探究竟!

  将光纤激光用于SLS技术同样是一项创新,因为光纤激光对于高分子聚合物就没有吸收。光纤激光相比CO2激光器功率更高、光斑尺寸更小、稳定性更好,能够解决后者制约生产能力与制造质量的关键性技术难题。如果光纤激光可以在一定程度上完成超精细超高速烧结,高分子增材制造产能及制造水平将提升至新的高度。在该领域,华曙高科开发的Flight技术已成功实现商业化应用。

  华曙高科于2023年发布全新四激光金属增材制造解决方案FS350M,以大尺寸、小身材、高效率、低成本等优势,为鞋模、模具、航空航天、汽车等行业新应用带来增效降本优选创新方案。并将在9月12-14日TCT亚洲展K15展台展示金属增材制造解决方案FS350M,并现场开机运行。

  镭明激光也将于九月TCT亚洲展H19展台上全新推出选区激光熔化系列设备LiM-X800H,该设备为十激光多模式,成形尺寸为800mm x 800mm x 1660mm,在成形高度上实现新突破,是面向航空航天领域多元应用场景的高效金属3D打印设备。

  易加三维最新金属增材制造系统新成员EP-M1550将首次亮相TCT亚洲展K32展台。该设备是采用创新式四矩阵十六激光十六振镜配置,该设备支持钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金、模具钢、钴铬合金等多种金属粉末打印,成型效率最大可达540cm/h,实现了超大尺寸SLM增材制造的商业化运营,助力提升打印件市场竞争力,欢迎各位届时莅临TCT现场参观交流。

  如今,金属增材制造可以生产各种等级的不锈钢、钛、钴铬合金、镍和铝基等众多材料。PBF在各行各业已处于批量化生产的边缘,而BJT则刚刚起步。预计现有电子和激光束PBF系统制造商将着重发展要求严苛的高端市场,如医疗和航空业。PBF系统出色的材料性能和技术水平的高度完善,短期内粘结剂喷射技术不太可能受到高端市场的青睐。

  然而像汽车行业等大众市场将会慢慢将重心从LB-PBF技术转向粘结剂喷射技术上。由于价格潜力优势,金属原型和模具市场未来将会迅速使用金属FDM技术,并被占领。增材制造将取代部分传统制造,同时也将催生出全新的产品,助力终端应用的升级换代。

  TCT视角聚焦全球增材制造市场,洞察增材制造的商业经济价值,与我们探索更多增材制造带来的无限可能。

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