导读:有这么一批3D打印技术,前期研发非常烧钱,在国外已经逐渐发展壮大,甚至成为潮流,但中国几乎空白,南极熊颇为担忧。所以对这些中国缺少的3D打印技术进行盘点,希望引发大家的关注和重视。
2022年4月,南极熊整理发布了一则报告《2017-2021年中国3D打印机出口数据:飙升了5年,能否继续?》,2021年中国的3D打印机出口数量已超过280万台;同时国内的市场也正在高速增长。但是其中一个网友的留言,非常值得业内人士反思:“看金额说明是消费级机器,说明我们目前在该领域还只能向国外输出整体偏低端的产品,附加值比例太低。”
从全球3D打印产品库http://product.nanjixiong.com/中,南极熊发现,近几年中国很少出现大幅革新的3D打印技术产品,通常都是老技术的完善和升级;但是,国外却不断涌现出一个又一个新的3D打印技术和产品,非常值得我们思考。下面,我们对这些国内缺少的20项3D打印技术产品进行盘点,希望引起关注。
金属篇
一、粘结剂喷射金属3D打印系统及后处理工艺
粘结剂喷射金属3D打印技术在规模批量生产金属零件上有着巨大的成本优势、效率优势,因而近几年得到汽车等工业领域的重视。在国外,美国Desktop Metal、美国ExOne、美国HP、美国GE、瑞典Digital Metal等,已经开始陆续实现商业化运营;但国内商业化的速度较慢,例如武汉易制、北京三帝、长沙墨科瑞等,因为涉及到多学科交叉的诸多问题,例如金属材料、粘结剂、软件控制、脱脂烧结工艺等,商业化应用难度非常大。
全球厂商的粘结剂喷射金属3D打印系统中,其中最为引人注目的是美国Desktop Metal的大规模金属3D打印机Production System™ P-50
使用粘合剂喷射binder jetting和单程喷墨技术single-pass inkjet technology的的3D打印机Production System™,可能是进行大规模3D打印金属零件的最快方法。具有最先进的打印喷头,上面有16384个喷嘴,每秒能够喷出15亿滴墨滴,具有1200x1200 DPI的原始分辨率,出色的可靠性和双向单程打印,可以快速3D打印复杂的金属零件,堆积效率可达12,000cm3/小时,每天多达10,000个零件。
单程粘合剂喷射金属3D打印技术原理
在Single Pass Jetting™(SPJ)的支持下,Production System™具有双向3D打印功能,移动一次,即可打印一次,不浪费一遍路程。具体工作流程如下
△视频:单程粘合剂喷射金属3D打印技术工艺原理
①3D打印。对于双向单程3D打印,每次打印遍及整个构建区域,都将应用打印过程的所有步骤(粉末沉积、铺展、压实、弹道抑制ballistic suppression、和粘合剂喷射)。一层一层地沉积金属粉末和粘合剂,直到整个构建体被零件部分和周围的散装粉末填满为止。
②脱粉。构建完成后,将移除构建箱,并用新箱子替换下一个构建。完整的成型箱被移至清粉工位,在那里去除粉末,并准备烧结零件。
③烧结。脱粉的零件装入工业炉中,在那里将加热到接近熔化的温度。除去剩余的粘合剂,使金属颗粒融合在一起,并使零件致密。
详细介绍http://www.nanjixiong.com/thread-153243-1-1.html
二、无支撑金属3D打印系统VELO3D
美国加州VELO3D是直接金属激光烧结(DMLS)增材制造系统和打印准备软件的开发商,发明了SupportFree Geometries无支撑金属3D打印技术。成立于2014年,最初4年默默研发,2015年获得A轮融资2210万美元;于2018年在国际制造技术展(IMTS)上首次披露了其蓝宝石DMLS系统。蓝宝石系统的关键是VELO3D的智能融合技术,它可以模拟和预测零件变形,消除支撑结构。智能融合工艺通过调整零件设计来平衡变形,并配合前馈闭环熔池控制和原位计量数据来实现,生产出的零件几乎没有支撑结构。
VELO3D与现有的粉末床熔接解决方案不同,具有独特的能力,可以打印低角度和低至0°(水平)的悬垂,以及大直径和高达100mm的内管,而无需支撑。这不仅省去了后处理的麻烦,而且克服了 45°法则——角度小于45°的就需要支撑。VELO3D让设计师可以自由地构建,释放出大量可以3D打印生产的设计。
△VELO3D是太空行业最大的3D打印机供应商之一。图片来源:VELO3D公司
自2021年上市以来,这家位于加州的金属3D打印机制造商见证了市面上对打印系统持续增长的需求,特别是对大建造量金属机的需求。2021年,它总共出货23套系统实现2740万美元的营收;而2020年仅有13套,增加了77%,包括向10个新客户出货。最后,随着2021年34套系统的预订,VELO3D对2022年创收8900万美元的业绩目标越来越有信心。
根据公司目前的预测,2022年他们将有24个新客户,发货47至49套系统。首席财务官BillMcCombe说,他预测2022年上半年将占VELO3D年度收入目标的37%到43%。
(备注:南极熊粗略算了一下,2021年出货23套金属3D打印机,营收2740万美元,平均单套设备价格约为120万美元,约800万人民币;2022年预计交货48套,预计收入达8900万美元,平均单套设备价格约为185万美元,约1200万人民币。从这里可以看出,大尺寸金属3D打印机的订单量大幅增加,导致平均单价从800万元飙升到1200万元。而且,考虑到高价格的设备型号被平均了,实际上单台金属打印机的价格肯定会超过200万美元)
△Sapphire XC
2021年12月23日宣布已交付了首个Sapphire® XC,这款机器具有8个1kW激光器,是Velo3D目前最新、最大的金属3D打印机,能够实现更快的生产,制造更大的金属零件。与前一代Sapphire打印机相同,Sapphire XC也使用Flow™打印准备软件、Assure™质量控制软件和IntelligentFusion制造工艺。
三、200万激光点的金属“区域3D打印”技术,理论速度提升1千倍
美国硅谷金属3D打印创业公司Seurat Technologies “区域打印工艺”使用200万个激光点来实现部件的大规模3D打印。这与EOS此前发布的近百万个二极管激光器来融化材料看起来很相似。
△Seurat200万个激光的“区域打印工艺”,可以打印金属件
这个技术的颠覆性在于:
200万个激光点,速度比传统激光3D打印技术快1000倍,让单个零件的制造成本大大降低;
更高分辨率和精度,光斑直径可小至10微米;
区域处理速度突破扩展性的限制。
Seurat的这种新技术不是增加激光源的数量,而是使用一种全新的光束处理方法来增加每次的熔化量。常规的金属增材制造系统的光斑直径为100微米,对于单激光系统,就是使用直径100微米的激光进行扫描打印。而Seurat系统将200万个激光点射向15平方毫米的方形区域,每个光点的直径大约为10微米,也就是说一次打印一个区域。详细技术介绍http://www.nanjixiong.com/thread-147596-1-1.html
南极熊剖析一下,可能你会更容易理解这个技术的厉害之处:
在激光打印照射效率上,Seurat的光斑面积相当于15平方毫米,而常规单激光100微米直径的光斑面积仅仅为0.0078平方毫米,两者相差近1000倍,也就是说最多可以实现单激光系统1000倍以上的熔融效率;
在激光打印精度分辨率上,Seurat的精度却能达到传统单激光的10倍。
现有的金属增材制造中效率比较高的两种工艺是:电弧熔丝和粘结剂喷射。电弧熔丝使用基于金属丝的焊接工艺来沉积材料。然而,电弧熔丝的打印精度很低,能打印的最小特征尺寸在5-10毫米之间。粘合剂喷射法是基于喷墨打印技术,以高生产速率打印毛坯部件,然而打印之后还需要进行烧结,两步法也使这项技术难以掌握。目前,使用这两种技术方法可以实现400-1,500立方厘米/小时的打印速度。
Seurat的区域打印技术的生产力远远超过任何现有金属3D打印技术。它的打印速度甚至高于电弧熔丝,但它保持了激光粉末床熔融的精度和分辨率,并有可能进一步提高表面质量和零件的灵活性。
△激光粉末床熔融、电弧熔丝、粘结剂喷射、区域打印技术四种工艺在最小特征尺寸和打印效率方面的对比
Seurat公司首席执行官兼联合创始人James DeMuth说:"Seurat正在将一项革命性的技术推向市场,引入新的金融和战略投资者将极大地帮助公司在商业化方面迈出下一步。
自2015年成立以来,Seurat公司一直致力于开发“区域打印工艺”,并打算推广给汽车、消费技术和工业客户。与现有技术相比,"区域打印 "将200多万个激光点聚焦到金属粉末床上,实现快速打印最终用途的部件。
在汽车领域,Seurat公司认为他们的技术可用于生产汽车备件和下一代电动汽车的原型部件。同时,这项技术因为具有可扩展性和无飞溅性,可以成为生产工业应用大尺寸部件的理想选择。
由于Seurat技术的生产效率高,可以帮助用户有效的降低成本。Seurat的区域打印技术突破了每个零件成本的现有障碍,他们的第一代系统与今天的增材制造技术相比,已经可以降低50%的成本。而且将进一步提高效率,未来几代机器的目标是在2030年击败传统压铸工艺的制造成本。这将标志着增材制造作为一种主流技术的突破。
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