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金属3D打印技术发展现状及问题
信息来源:世界金属导报2016-11-01B01      时间:2016-11-02 11:52:36


3D打印技术作为创新性生产技术倍受期待。目前,树脂成型用3D打印机已经在家电零售店出售,普遍认知度也逐步提高。最近1-2年,全球范围内对金属用3D打印机的研发也在迅速推进,随着产品的尺寸和加工精度的变化,生产方式也逐步多样化。目前,欧美地区在金属3D打印机设备、材料两方面均走在前列,其他国家和地区也在迎头赶上。本文将对金属用3D打印机市场的最新形势进行介绍,探索未来的发展方向。

全球3D打印机制造企业现状

在铸造、切削、粉末冶金、喷射成型等各项技术已达到顶峰时,将粉末材料进行烧结、硬化,层叠塑型的3D打印机装置,作为在金属加工成型中产生新附加值的新技术而倍受期待。随着激光的高输出化和控制、调整技术的发展,新的3D打印机种相继出现。

据了解,金属用3D打印机的设备和材料在世界上已达3亿美元。尽管与先进的树脂用打印机相比,仅有1/10左右,但预计2020年将达到12亿-21亿美元。

整体上,引领3D打印机市场的是美国,而金属用3D打印机则是德国占有了绝对的市场份额,以最大的EOS公司为首,还有Concept Lasers公司、SLM公司等。日本尽管也有松浦机械制作所、索迪科公司等机械生产企业,但占有的市场份额有限,日本国内企业及研究机构采用的3D打印机基本上都是德国制造。

打印机规格多种多样。Concept Lasers公司为了减少加工件的残留应力,采用将加工数据分割为格子状,随机照射激光的方式,属于通用性良好的装置。SLM公司开发了可搭载多个激光的机种,可应对最长500mm的大型加工件的制造。

美国的3D Syst em公司采

用层叠后用辊滚压的方法减少微孔,适用于小型精密件加工。瑞典的Arcam公司通过真空下高输出高温造型,使得成型零件杂质小且应变极小,主要生产钛制品,已经被用于医疗、航空领域。进行试制的相关人员表示,最近的趋势是根据各自不同的加工内容和目的,各公司的设备都越来越具有针对性,逐渐形成不同群体。

2016年9月,美国通用电气公司(GE)宣布收购业内排名前列的德国SLM公司和瑞典Arcam公司,通过庞大的资本参与,进一步加速3D打印技术的开发。

日本的“复合加工”潮流

在日本,也于2014年以官民联合的方式,约有30余家企业、研发机构共同设立了国家级项目,把在2019年将高速度、高性能的3D打印机投放市场设为目标。同时,日本民间对3D打印机的开发热情高涨,机械制造企业及风投企业也纷纷加入其中。

现在日本面临的问题是如何切入欧美企业占领先机的市场。特别是在欧洲,由于在汽车产业的间接焊接等领域,激光3D打印的实用技术已经非常先进,要赶超其主体技术非常不易。因此,日本企业主要将目光投向欧美关注和投入较少的层叠塑性等后段工序。

金属用3D打印机的日本国内先驱——松浦机械制作所(福井市)的表面切削复合加工一体化的3D打印机率先投放市场。其他公司也追随其后,形成了日本企业擅长的结合机械加工和组装的“复合加工”的卖点。

对于3D打印的价值,业内人士指出,相对于欧美一直在试图制造出全新的产品,日本则是在探索能够将已有的加工产品以更低的成本制造出来,可以说是这种重视实用性的想法催生了“复合加工”的趋势。

日本企业同时还面临的一个课题就是生产效率问题。DMG森精机制作所已开始销售将金属粉末和氩气同时喷出到激光焦点的高端复合加工打印机。使层叠速度最高提高了10倍,大大提高了生产效率,加工范围也扩大到直径600mm、高400mm。该公司提出了“2020年赶上欧美”的目标。

生产喷墨打印机的武藤工业公司开始销售焊接金属丝的弧焊立体成型装置。据称,该装置的材料成本为3D打印机的1/10,生产速度为其10倍。这些新的方式,是日本追赶欧美先进技术的关键。

日本产粉末材料

3D打印机用的金属粉末包括特殊钢、不锈钢、钛、铝等,日本国内目前使用的这些材料几乎均为欧美生产。这固然是由于进口打印机设备的制造商推荐进口材料而不得不使用,但据使用日本国内企业生产的某种粉末样品进行试制的人士透露,与进口材料相比,从成本上来看差异明显。

使用金属粉末的3D打印机是在平台上将粉末材料涂覆成50-100μm的金属镀层,边用激光或电子束照射、熔解,边逐层累积,如此反复作业。应用最多的激光式打印机所用的粉末尺寸为50μm以下,且为提高流动性需要保证均匀性和球形。尽管日本国内粉末生产企业也可采用气体雾化技术来进行生产,但存在成本上的问题。

粉末制造企业有关人员表示,3D打印机用粉末的大部分成本来自分选和成材率的损失。以钛合金为例,激光打印机用钛合金粉末平均粒径为20-50μm,更为严格的也有要求粒径在30-45μm的(见左图)。由于不符合要求的均需剔除,因此只要不是该粒径专用设备,就无法避免成本增加的问题。生产3D打印机的欧美生产企业,如最大型的德国EOS公司,就有专门的3D专用粉末制造企业。尽管目前日本国内的粉末生产企业销售量有所增加,但均为小批量试用,如果订单量达不到目前的10倍就不是经济可行。尽管欧美3D打印机企业瞄准新市场相继参与到粉末材料领域,但由于前景并不明朗,大部分日本企业并未下定决心进行该业务的先期投资。

钛合金

钛合金粉末可以说是日本国产粉末的一个例外领域。在3D打印领域,钛合金粉末是有望在航空、医疗领域推进应用的矿种,由于熔点高,既可用激光式也可用电子束式。如果采用电子束,低熔点的金属会蒸发或汽化,而钛合金则是用电子束熔化铸锭,相容性方面不存在问题。最近发售了3D打印机用钛合金粉末的日本大阪钛技术公司,从20年前就开始从事球状钛粉末的生产。原来该公司主要生产喷射成型(MIM)用的纯钛粉末,目前将该技术用于生产3D打印用粉末的生产,产品规格齐全,包括激光用45μm以下、电子束用45-100μm等钛合金粉末。该公司具有世界最大的150吨钛合金粉末年产能,同时还拥有独有的无坩埚熔解的量产方式,在成本竞争力方面具有优势。

尽管一般情况下设备提供方对不使用自己推荐的材料而发生的故障不进行任何补偿,因此用户所使用的粉末材料也受到限制,但用户也在寻求品质相当而成本更低的替代产品。相对于获得高门槛的设备制造商的认证,直接向用户推广更为快捷。在这种现实情况下,粉末制造企业对成本的控制是不可避免的课题。

3D打印技术存在的问题

尽管金属用3D打印机受到很高期待,但存在较多技术性问题。例如,将成型件用线切割方式从板上割离,完成的工作并非如想象的简单。有时,在打印金属制品时需要将起到支撑作用、防止变形的粉末材料同时成型,而在成型结束后就需要将这些多余的支撑材料去除。在国外,一般采用人工作业完成这一步骤,但如果是钛等难加工材料,则需要大量的劳动。

又如,对于平台上没被熔化的粉末材料反复使用的问题,虽然据称可使用10次左右,但如果想要追加材料,却无法跟踪追加时间,关于这一问题,甚至有相关人士断言,这是3D打印最大的缺陷。此外,在产品质量方面,由于空气或水分卷入而导致的3D打印机内部空隙或热应变发生机制等尚有许多不明之处。

但是,也有人乐观地表示,尽管3D打印技术是一个限制条件苛刻、要求技术精细的领域,但对于善于改进和完善的日本而言,金属用3D打印技术即将迎来黎明。不过,值得指出的是,材料制造企业对需求的应对程度是扩大市场应用范围的关键。

(孟群)

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