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,没有什么能比得上金属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。

80年代末增材制造的首次商业化

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广泛用于聚合物的原型设计。随着材料和机器技术的快速发展,也被用于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,随着技术的进步,金属3D打印除了在产品设计、建筑设计、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、食品行业等领域也在不断发挥其独特的作用。

金属增材制造的发展与演变

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多年时间里蓬勃发展,可使用的材料更广泛,比以前快得多,并且可以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)。

金属增材制造技术的全景图,图片来源:Ampower

跨行业批量化生产的边缘

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进入消费市场。此后,关于增材制造的新闻报道大幅增加,上市的增材制造公司的股票价格暴涨,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备行业,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价格纷纷在这一年回落。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。

HP Metal Jet S100 3D打印解决方案

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。

星际荣耀试验现场图

2023年初,铂力特正式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!

钨钢嘴尖/管(产品将在TCT亚洲展现场展示)

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几乎没有吸收。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。如果光纤激光能够实现超精细超高速烧结,高分子增材制造产能及制造水平将提升至全新高度。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。

全新四激光金属增材制造解决方案FS350M

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。

选区激光熔化系列设备LiM-X800H

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540cm³/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,欢迎大家届时莅临TCT现场参观交流。

金属增材制造系统EP-M1550

总结

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。

*部分资料来自:洞察金属增材制造