2018年3D打印发展趋势

国际金属加工网 2018年01月12日

2018年,世界将发生什么?这可能是难以预测的。但2018年3D打印将如何发展,我们已经有个一个大概的预测,因为我们已经与行业内的许多专家就2018年3D打印的看法进行了交流。

增加采用

据惠普公司3D打印商业扩张和开发全球负责人MichelleBockman介绍,用于全面制造的3D打印将获得更多的采用。根据Bockman的说法,这将会形成如下现状:“工业3D打印将扩展到许多新的国家,使其成为真正的全球转型。技术的进步将显着提高3D制作的速度、可靠性和能力。3D打印的规模经济将会持续改善,使得数字化制造在更多地方的更多类型的公司更具成本效益。越来越多的公司将进入3D材料市场,帮助推动创新,降低成本和增加材料的多样性。在汽车医疗航空航天、消费品、重工业等主要行业,3D打印的商业应用将变得更加明确,使得数字工业革命成为我们日常生活中越来越重要的部分。

Markforged首席执行官GregMark强化了3D打印技术的实际应用,强调其从原型设计转向最终用途部件。换句话说,过去几年来与3D打印有关的炒作现在正在实现。Markforged因其碳纤维和金属3D打印技术而闻名。

Mark说:“现在,我们终于实现了承诺,为现实世界的用例打印高强度部件。”他补充说:“利用Markforged打印机,公司能够打印足够强大的碳纤维增强复合材料,用于最恶劣的应用环境,而金属3D打印的价格更便宜。”这些创新相结合,大大拓展了3D打印的价值主张。Markforged客户通常看到三个月的碳纤维打印机投资回报。投资回收期非常快,31%的客户在第一年内购买了第二台打印机。

3DSystems高级应用程序开发副总裁PatrickDunne也认为3D打印将会被越来越多的人接受。“在2018年,我们将看到各个行业的所有配置文件的业务都向更深层次的采用增材制造(AM)。”Dunne说。“这项技术将推动小型企业的发展,使他们能够将自己的能力提升到一个更成熟的企业,这可能会引入新的竞争水平,新的商业模式和市场机会。同样,在设计阶段,大型公司将在此过程中采用AM技术,以支持整个端到端工作流程的成熟。”

根据Dunne的说法,3D打印不会被隔离到特定的应用中。相反,它将成为“许多现有的和新颖的生产流”的标准工具。

改进的设计

负责Autodesk增材制造业务发展和策略的DuannScott看到了明年设计的主要趋势。Scott说:“2018年,我们将开始看到人们真正明白,增材制造设计是从制造业的一小部分转变为经济的重要组成部分的关键。将现有的传统制造零件与AM复制品进行比较,在财务上很少有优势,但是将整个装配整合到一个AM零件中可以大大降低制造成本,完全压缩供应链,并在单一设计中提高性能。一旦工程师(及其管理者)在未来一年开始意识到这一点,我们预计在AM设计上将会有大量的投资。”

对于改进3D打印设计的重要贡献可能是全新的设计过程,例如生成式设计。这样就可以输入零件的特定参数,例如减轻重量,并允许软件自动更改零件的拓扑以满足这些要求。“我们可以通过创成式设计软件加速这一教育过程,在这个过程中,我们从现有设计中抽取一个子组件,定义约束条件和工程要求,让生成设计工具帮助工程师探索潜在的解决方案,装配一个零件,”Scott说。

新的和改进的金属3D打印

正如引言中所提到的,金属3D打印在降低成本和提高采用率方面正在迅速发展。3D打印服务提供商和软件开发商Materialise的首席技术官BartVanderSchueren在发表的声明中表达了同样的声音。

“金属正在蓬勃发展。我们知道金属3D打印将永远不会取代传统的制造业,但作为一种互补的制造技术,其地位正变得越来越重要,”VanderSchueren描述道,“在解决特定的制造难题时,金属3D打印将变得越来越必要,其可以创建定制的、复杂的最终用途产品。为此,我们今年收购了ACTech,一家专门从事高度复杂的金属原型铸造的德国制造公司。凭借他们在金属方面的专业知识和3D打印技术,我们准备将金属3D打印提升到一个新的水平。”

金属3D打印在新技术方面将会有所改善,同时也会改善已有的技术。例如,3DSystems最近宣布扩大其金属3D打印生产线,并采用大型自动化系统。

Dunne谈到这一发展,说:“更广泛的金属将被优化直接金属打印。从原材料到成品的转换将在2018年出现显着增长。硬件将同时发展,从部件尺寸和过程控制两方面都变得更加强大,像3DSystems公司最近宣布的DMP8500这样的解决方案。机器可以打印500毫米的XYZ,这是业界最大的制造‘无缝’部件能力。这类发展将巩固技术在卫生保健和航空航天等行业的主流地位。在后者中,例如,用AM表示的零件设计优化来创造新的几何结构,仅通过提高强度重量比,就有可能单独节省数千美元的燃料消耗。”

另一方面,Markforged则是引进新型金属3D打印工艺的创新者之一,该公司已经发布了一种能够以比以前更低的成本生产金属3D打印部件的技术,并且更易于使用。MetalX3D打印机打印与热塑性材料粘合在一起的金属粉末棒,以类似于熔融沉积造型的方法制造零件。然后在将“褐色”部分放入烧结炉中以形成几乎完全致密的金属部件之前,将“生坯”部分的粘合材料冲走。

机械工程正在复兴。2018年是金属打印成为主流设计师和工程师可行的选择,”Markforged首席执行官GregMark说道。“我们新的MetalX3D打印机比现在的金属打印机成本低10倍。低成本的易用性将推动业界的采用浪潮。”

Mark补充说:“机械工程师将变得更有效率。有200万机械工程师可以在几小时内设计一个零件,但是需要等待四到六个星期才能把零件拿出来。此后,这一情况将得到改变,并加速创新。”

凭借其低成本系统,Markforged将世界重新引入间接金属3D打印,已经可以使用失蜡铸造等工艺。3DSystems的Dunne指出,“2017年,用于铸造用途的塑料和蜡的增长,珠宝行业蜡的超高保真直接喷墨广泛采用蜡,”Dunne说。“这将持续到下一年,同时,我们将看到在工业投资铸造工作流程中使用蜡的明显扩大。我们可以预期AM将成为创造金属铸件的标准模式来源。”

虽然像Markforged这样的公司正致力于通过开发新的金属3D打印工艺来降低金属3D打印的成本,并且更加便于用户使用,但橡树岭国家实验室(ORNL)正在以各种方式改进现有的金属3D打印技术。

该实验室的制造演示设施(MDF)是新型3D打印技术的早期研究领域的领导者,其中最引人注目的是大规模大面积添加制造(BAAM)碳纤维聚合物3D打印机,并且已经开始研究金属。MDF的代表表示,到2018年,实验室将重点发展“通过建模、模拟、表征和残余应力的大规模金属制造”。研究将增加工艺规模和沉积速率,提供新的量身定制的材料,并应用数据驱动分析进行零件鉴定和认证。

特别是,中密度纤维板将通过一个新的过程来提高3D打印金属部件的资格和认证,这一新的过程可以在正在进行的3D打印过程中实时采集图像的自动化,基于人工智能的分析,从而创建检测和记录缺陷的能力。这种方法可能是采用金属AM的关键,金属AM存在重复性和质量控制问题。

中密度纤维板也将开发大规模金属AM,类似于与BAAM的工作。MDF主任BillPeter在谈到这个项目时说:“我们正在把从我们的大规模聚合物沉积系统中获得的知识转移到类似规模的金属系统上。”

ORNL也在研究旨在提高能源效率的新型高温轻质金属。特别是,新型高温镍合金“将导致更高效的能源生产的燃烧应用”,新铝合金“将提高在车辆发动机的高温应用中使用这些材料的能力。

粘结剂喷射金属3D打印,其中金属粉末被绑定,然后烧结和渗透额外的金属,是ORNL2018年的另一个重点。该实验室正在探索如何将这项技术应用于3D打印注塑模具和锻造模具,并采用“共形冷却通道”来缩短生产周期。金属3D打印已经被至少一家公司PROTIQ用于这种目的。

Peter说:“粘结剂喷射技术也将用于3D打印先进材料,如用于汽车和采矿应用的轻质金属基体/碳化物复合材料。随着这些努力,ORNL正在开发新的软件‘模拟通过粘结剂喷射在金属粉末部件烧结过程中的收缩和变形’。”据实验室宣称,“这些工具将有利于多种行业,包括AM、粉末冶金和金属注塑”。

来自Autodesk的DuannScott认为,虽然金属AM将继续成熟,但明年还不会完全成熟。“2017年是金属AM从成为一个有潜力的孩子开始发展成为一个尴尬的青少年的一年,但2018年将不是AM成为一个全面运作的成年人的一年。随着AM成熟,仍然会有相当大的成长痛苦,”Scott说。

Scott指出了制造商在扩大3D打印设备生产时可能面临的问题。“金属AM机器的销售量从每个订单1-5个增长到40-70个,生产规模从一个面包箱的大小到一个冰箱的大小,随着初创企业的扩大,材料选择板块不断扩大,主要材料公司以新的材料配方进入AM空间。随着AM的优化,生成设计和仿真工具的进入,软件生态系统变得越来越广泛和深入。由于潜在客户的拉动,这种增长可能会大大增加,但硬件公司需要从每年数百台到数千台机器规模学习,材料公司需要开始处理散装物流,而软件公司将拥有不断增加的机械和材料组合的数量,以优化和模拟,虽然有巨大的增长潜力,但整个行业可能会遇到成长的痛苦。

Scott说,软件将帮助进一步增强这些金属技术。“我认为我们将在3D打印硬件方面看到更大、更快的延续,并在2018年继续关注软件方面的生成设计和仿真。通用电气的Atlas系统,Adira的TiledLaserMelting和一系列机器人定向能量沉积(DED)电池正式上市,这些承诺将为我们提供更大的部件。例如,更快的添加剂包括DesktopMetal的生产系统,其速度是激光金属系统的100倍,Spee3D超声波金属冷喷涂工艺可以快速生产近净成形零件,模拟可能成为所有金属系统的AM工作流程的基础,而生成设计将帮助工程师理解如何设计每种AM技术固有的自由度和约束条件。

聚合物和其他3D打印材料

虽然金属一直在等待3D打印的急需增长,但塑料也随着技术的发展而不断发展。也有新材料正在开发,特别是陶瓷。

3D打印商业媒体首席执行官兼创始人、高级分析师DavidSher强调了3D打印材料的增长。“对于热聚合物3D打印,PEEK3D打印功能的可用性将有巨大的增长。”Sher说,台式SLS将开始提供可行的解决方案,有四到五个不同的制造商。

Sher特别强调的Smartech公司,计划将重点放在几个新趋势上:铝合金AM,汽车AM部件生产,贵金属AM、陶瓷AM的发展和先进热聚合物(PEEK、PAEK、PEKK和PEI)3D打印功能的扩展。

3DSystems已经与Sher的预测相匹配。根据Dunne的说法,该公司将推出一系列新型工业级SLS塑料,包括阻燃尼龙12。称为DuraFormProXFR1200,这种材料符合商用航空航天工业要求的内部机舱部件的阻燃性阈值,符合FAR25.853标准。此外,该材料符合AITM烟密度和毒性要求。

ORNL也将扩大BAAM3D打印机的材料功能。实验室现在正在与机器制造商CincinnatiIncorporated合作,修改BAAM以同时存放多种材料。这可以改善工具和模具以及其他产品的功能。

ORNL还正在开发用于BAAM和大型金属3D打印机的闭环控制,这可能迎来一个全自动3D打印的时代。其他进展包括用连续纤维如碳纤维打印,以及多材料3D打印,例如泡沫与完全致密的基材的组合。

Sher表示,他也相信“建筑3D打印将在采用方面取得巨大的飞跃”。虽然我们已经看到许多项目进行技术演示,但很少有公司使用3D打印的可用结构。有几个例外,特别是在迪拜的未来办公室。

不过,Sher的预言也许是对的。那些追求建筑3D打印的是ORNL的MDF。该实验室正在进行大规模混凝土3D打印。具体而言,该实验室正在研究“建造一个大规模的灵活系统,即使在不规则的地形上,也可以在几个小时内完成自动化施工。”

提高速度和生产力

AM目前是缓慢和昂贵的。然而,新技术正在使这项技术更快,通过提高3D打印的吞吐量潜在地降低每个部件的成本。

Sher说:“就整体工艺流程而言,所有主要(金属粉末床熔合、聚合物粉末床熔合、光聚合和挤出)技术平均增长10倍,这意味着3D打印零件的数量增长10倍。这将通过更高的3D打印速度和更高的工作流程(以及后期处理)自动化来实现,这将导致汽车和一些消费市场等领域的更多采用”。

Carbon和3DSystems已经开发出以更快的速度3D打印塑料部件的聚合物工艺。两种工艺都依赖于一种数字光处理(DLP)形式,在这种形式中,光照射在树脂桶中,由于使用了特殊的膜,因此可以比传统方式更快地产生层数较少的各向同性部件。

Dunne认为,3D打印过程的速度将在2018年全面增长。“从硬件角度看,整个行业的打印机速度将会越来越快,原型和生产时间将为小型企业和企业带来新的经济效益。”Dunne说。

提高生产力的关键也是行业内正在开发的自动化技术。Materialise公司的VanderSchueren设想通过软件来执行这项工作,他表示:“随着3D打印技术的日益成熟,重点将转向精简前后期生产流程。这样做的最简单方法是自动化流程中最耗时的部分。我们如何预测这一趋势的一个例子就是新推出的金属化Materialisee-Stage,这是一个软件模块,可让用户完全自动地生成金属3D打印的支撑结构。”

硬件也将是自动化的关键。3DSystems和Carbon都在开发自动化连续DLP技术的方法。例如,3DSystems展示了其使用工业机器人手臂的Figure4系统,可以在打印过程中自动地从各个工位移动部件,将完成的部件从打印工作台上移除,将其装入UV固化平台以进一步加固,然后放置到最后清洗的平台。最后,部件可以在最终资格站自动检查。

3DSystems也正在开发一种自动化的金属3D打印技术,在这种技术中,金属粉末可以自动加载到机器中,零件可以自动从打印机中取出并进行后期处理。其他从事类似方法的公司还有ConceptLaser。

未来的愿景

3D打印所提供的未来愿景之一就是大规模定制,即一次性生产大批客户特定的产品。Dunne认为,这样的过程正在慢慢实现。

Dunne反映说,到2018年,3D打印将继续向受益于设计者和工程师的轨迹迈进,优化设计和整合产品,以满足严格的工业要求。他特别强调了技术在设计验证和后来的小批量生产,患者和客户特定产品以及“大规模复杂制造”方面的基础将如何影响未来使用。

Materialise的VanderSchueren也认为,大规模定制正在慢慢成为现实。“经过几十年的统一大量生产的产品,我们看到了消费模式的变化。顾客需要的产品就像它们一样独特,适合他们的特定需求。这也适用于工业客户,因为专业产品需要定制机器。3D打印是实现大规模定制的完美技术。”

从整体角度来看,2017年是发展的一年。从3D打印的角度来看,这些发展可能被认为是更积极的。其中包括Markforged的MetalX3D打印机,DesktopMetal的两种新工艺,XactMetal的廉价金属3D打印机和SPEE3D的高速金属3D打印机。Formlabs推出了台式选择性激光烧结(SLS)系统,而Carbon则推出了新型3D打印机和部分清洗套件。3DSystems的新任首席执行官开始实施他的公司愿景,而惠普则将其MultiJetFusion融入了市场。我们也不能忘记GEAdditive对行业的影响。

而2014年标志着泡沫破灭,特别是消费者3D打印,2018年似乎指向实现许多3D打印的承诺。不管好或坏,2018年是新的一年,如果我们要追求技术发展的话,我们应该把这项技术用好。



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