2023 年 3D 打印預(yù)測：零件批量生產(chǎn)或成金屬增材制造主流方向

隨著 3D 打印行業(yè)的成熟，我們可以看到一系列非常積極的發(fā)展正在展開。如今的行業(yè)正在遠離炒作和不切實際，而真正聚焦于將零件“落地”。

3D 打印技術(shù)非常復(fù)雜，并且具有新穎的零件生產(chǎn)方式。由于增材制造 (AM) 的本質(zhì)，每個打印組件的每個體素都是獨一無二的。3D 打印技術(shù)不是在切割已知的金屬塊，而是用粉末或噴射材料流建造。因此，該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)比其他制造過程中的挑戰(zhàn)更新和復(fù)雜得多。因此，我們在工業(yè)化增材制造方面的工作，特別是在金屬方面，還遠未結(jié)束。全球各地的制造商都在這方面進行努力，所以我們看到了更多的標準、更多的資格、更高的生產(chǎn)力，以及更多的 3D 打印工廠級部署。

然而，大規(guī)模生產(chǎn)的金屬增材制造仍然非常罕見。在本期文章中，南極熊總結(jié)了一些金屬 3D 打印領(lǐng)域的領(lǐng)先專家對該技術(shù)在 2023 年將如何發(fā)展的看法，并且專家們也提及了他們對 2023 年及以后的系列金屬增材制造的預(yù)測，內(nèi)容如下：

宏觀背景下的 3D 打印發(fā)展

Additive Industries首席執(zhí)行官Mark Massey專注于最高效和最苛刻的應(yīng)用，尤其是在更大的宏觀環(huán)境中：“我們認為，高通脹和大宗商品價格將影響客戶在查看增材制造批量生產(chǎn)時如何看待勞動力、能源和消耗品成本。隨著用戶對運營支出中的這些因素越來越敏感，人們將更加關(guān)注自動化和生產(chǎn)力，以及消耗品的回收利用。在我們看來，較高的利率不太可能對打印機的采購產(chǎn)生重大影響，盡管可能更感興趣的是升級而不是完全更換現(xiàn)場系統(tǒng)。就行業(yè)趨勢而言，隨著各國增加國防開支以補充庫存或提高應(yīng)對烏克蘭戰(zhàn)爭的能力，我們可能會看到增材制造在國防工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。能源行業(yè)也可能會因為化石燃料的更快轉(zhuǎn)換而受到破壞，這可能會在未來為更多的增材制造零件打開大門。總體而言，我們看到金屬增材制造零件的批量生產(chǎn)持續(xù)強勁的積極趨勢�！�

這是一種現(xiàn)實主義，不同于3D打印制造將替代一切的看法。對生產(chǎn)、成本和自動化的關(guān)注似乎確實很有可能發(fā)生。國防和能源也很受看好，并且現(xiàn)在可以看到這些細分市場增長非�？臁�Mark的答案的所有前提都是基于現(xiàn)實、實際零件和實際成本采用增材制造，這是增材制造行業(yè)內(nèi)正在解決問題而不是只提出問題的商人。

△可進行連續(xù)生產(chǎn)的Additive Industries Metal Fab G2

增材制造軟件的作用

設(shè)置、材料、軟件、機器和設(shè)計是 3D 打印部件的關(guān)鍵組成部分，如今的增材制造行業(yè)正在增加對軟件的重視程度。NASA 的Gradl 是馬歇爾太空飛行中心的總工程師，也是《推進應(yīng)用的金屬增材制造/Metal Additive Manufacturing for Propulsion Applications》一書的合著者，他表示：“我預(yù)計增材行業(yè)內(nèi)會接連出現(xiàn)各種輔助方法以提高金屬增材制造生產(chǎn)率，例如后處理自動化、原位和構(gòu)建后幾何和缺陷檢測技術(shù)，以及全過程數(shù)據(jù)捕獲和分析以創(chuàng)建數(shù)字孿生。至關(guān)重要的是，必須充分了解整個增材制造生命周期，才能進入生產(chǎn)階段并在每個階段保持可追溯性。輔助工具也必須隨著增材制造構(gòu)建過程本身而發(fā)展。我對金屬增材制造工藝的成熟感到非常興奮，這些工藝沒有受到太多關(guān)注，也沒有被用于關(guān)鍵的最終用途應(yīng)用。有了針對性軟件的助力，以前無法打印和加工的新金屬合金將實現(xiàn)更高的組件性能，并提高增材制造必須提供的經(jīng)濟效益�！�

軟件顯然將在 3D 打印的產(chǎn)業(yè)化中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。The Barnes Global Advisors的首席顧問John Barnes將增材制造設(shè)計(DfAM)視為流程的關(guān)鍵：“我希望軟件和數(shù)字工作流程能夠跟上打印機的生產(chǎn)力，或者繼續(xù)簡化操作員和工程師操作的趨勢。毫無疑問，更廣泛地理解 DfAM 首先作為制造設(shè)計的一章對于批量生產(chǎn)是必要的。這些要求不會變得更容易，增材制造需要滿足這些要求。我經(jīng)常說，增材制造就像 Ginger Rogers。它必須像弗雷德阿斯泰爾那樣做傳統(tǒng)制造業(yè)所做的一切，但要倒退和緊跟其后。這意味著，它必須達到和/或超過現(xiàn)有制造解決方案的能力�！�

相比之下，Velo3D的 CEOBenny Buller 卻持相反的看法：“Velo3D 將在2023 年退出軟件設(shè)計領(lǐng)域，專注于成為最大的金屬增材制造設(shè)備供應(yīng)商。DfAM 正在我們眼前迅速消亡�！癇enny 認為他的公司最大的機會在于消除對 DfAM 的需求，而對于 John Barnes 來說，工作流程已經(jīng)完成任務(wù)并且需要 DfAM。無論您怎么看，軟件越來越成為批量生產(chǎn)最重要的推動因素。

△Velo3D的領(lǐng)先金屬3D打印解決方案—藍寶石XC1MZ

專注于硬件

Autodesk的增材制造總監(jiān)AlexanderOster認為 Fusion360 和其他軟件也是開啟增材制造工業(yè)化的關(guān)鍵推動因素。但是，他看到軟件已經(jīng)到了我們可以將注意力轉(zhuǎn)移回機器的地步，特別是在成本方面。他說：“我認為，金屬增材制造領(lǐng)域目前正在分裂為高端機器和大眾市場機器，前者的規(guī)模和資本成本都在增長（主要由航空航天應(yīng)用驅(qū)動），后者的資本支出和相關(guān)風(fēng)險較低，將推動低端應(yīng)用在特定質(zhì)量下需要低零件單位成本。

我們看到配備 8 到 12 個激光器的機器帶來了巨大的生產(chǎn)力提升，這正在推動大型組件生產(chǎn)和大量行業(yè)增長，Velo3D、Vulcan Forms 和 Seurat 都是其中的杰出代表。但是，該行業(yè)也發(fā)生了其他事情，那就是越來越多的公司正在影響低端金屬 3D 打印。一些成本較低的參與者也開始進入行業(yè)，它們提供的商品部件或質(zhì)量水平將充斥整個行業(yè)。因此，New Space 的人將擁有大型機器，但更多的普通用戶將能夠獲得更高性價比的打印系統(tǒng)。粉末床融合的商品化將是增材制造的巨大發(fā)展。

另一個以成本為中心的回應(yīng)來自DB Schenker的 Jochen Loock。這位前 Fraunhofer 增材制造專家現(xiàn)在正在尋求幫助將一家大型物流公司轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�用于維護、修理和大修 (MRO) 以及備件的 3D 打印強國。對于這些類型的銷量，Jochen 是通過成本的角度來看待市場的：“未來幾年成熟的關(guān)鍵推動因素正在緩慢但不斷地進行：由于規(guī)模經(jīng)濟、教育傳播和最佳實踐傳播以及標準化基礎(chǔ)正在建立，成本下降。批量生產(chǎn)將在鐵路、航空航天和醫(yī)療等利基和高價值市場進一步成熟和傳播。高端汽車批量生產(chǎn)和備件可能成為未來幾年的增長動力。增材制造領(lǐng)域最重要的功課是擺脫技術(shù)敘事，找到備件供應(yīng)鏈問題的有利可圖的解決方案。如果有任何創(chuàng)新突破即將發(fā)生，那將是通過改進工藝和材料相互作用，將 L-PBF 的工藝速度提高至少兩倍。”Jochen是嚴格依據(jù)實際成本和性能來評估這個行業(yè)。

除了大型機器和更好的設(shè)備，“過程和材料”的相互作用確實可以帶來顯著的收益，并導(dǎo)致使用相同設(shè)備的經(jīng)濟性更好。這將真正提高利潤率，降低組件成本，并成為影響我們行業(yè)的最重要的事情之一。

金屬后處理

另一件反復(fù)提到的一件事是后處理。Solukon首席執(zhí)行官Andreas Hartmann表示：“對于金屬生產(chǎn)，我們預(yù)計會出現(xiàn)更加注重后處理的趨勢，因為這是影響您是否真正進行批量生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟。你可以隨心所欲地將一個生產(chǎn)過程優(yōu)化成系列化生產(chǎn)，但如果后續(xù)的后處理達不到同樣的高標準，就不會有真正的系列化生產(chǎn)。源自基于數(shù)字孿生的流動模擬，我們的軟件模式除粉系統(tǒng)可確�？煽�、可重復(fù)和可預(yù)測的清潔結(jié)果。第二個趨勢是航天工業(yè)的批量生產(chǎn)。正如媒體所寫，一些火箭公司成功地進行了熱點火測試，我們距離發(fā)射帶有完全增材制造的燃燒室的火箭進入太空只有幾個月的時間。這將是增材制造系列燃燒室和其他重要運載火箭元件生產(chǎn)的啟動。此外，大規(guī)模批量生產(chǎn)將使增材制造的生態(tài)足跡問題更加緊迫。增材制造中的節(jié)能潛力、粉末回收和碳足跡問題不僅將是一個形象問題，而且還將成為增材制造公司在經(jīng)濟上重要的話題�！�

△Solukon de 打印腔室里的1 米零件。

金屬增材制造會改變聚合物的進程嗎？

Prototek在增材制造方面有著豐富的整合經(jīng)驗，該公司此前收購了Steve Grundahl領(lǐng)導(dǎo)的聚合物打印公司Midwest Prototyping。對于金屬 3D 打印的快速發(fā)展是否會吸引他從“聚合物專家”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖饘俸途酆衔铩睂＜遥琒teve表示：“作為專注于聚合物打印服務(wù)的公司，我們還沒有找到一個令人信服的理由來轉(zhuǎn)移我們在聚合物方面的優(yōu)勢資源來冒險。不過，目前粘合劑噴射領(lǐng)域的競爭以及預(yù)測軟件和后處理技術(shù)的改進讓我們添加金屬服務(wù)的希望很快就會成為現(xiàn)實。”

△打印頭沉積粘合劑。圖片來源：ExOne

聚合物和金屬 3D 打印服務(wù)和制造公司曾經(jīng)是完全不同的世界，只有少數(shù)公司在大規(guī)模制造中將它們結(jié)合起來。但是，從史蒂夫這里可以清楚地看出，Prototek 和 Midwest Prototyping 正在密切關(guān)注金屬以及這個市場正在發(fā)生的事情。他們將粘合劑噴射視為使金屬易于使用的技術(shù)。但是，他也再次提到了軟件是一個關(guān)鍵的推動因素。史蒂夫的考慮確實意味著，也許大量新的資金和產(chǎn)能將在短期內(nèi)涌入金屬行業(yè)。

△圖片來源：Digital Metal

總之，我們看到了 3D 打印行業(yè)的軟件化。通過 DfAM、算法和工作自動化工具，該行業(yè)將在連續(xù)零件的金屬增材制造方面取得重大飛躍。此外，還需要關(guān)注增材工作流程中所有移動位的集成方法。設(shè)置、后處理機器和更好的吞吐量都應(yīng)該集中在成本上，同時保持質(zhì)量。我們正在進行實際零件和實際成本計算，如果我們能夠滿足每個零件的成本，這將推動優(yōu)化和采用。

真正滿足實際生產(chǎn)需要的想法是我們在這里看到的最大趨勢。人們看好汽車、國防、能源、鐵路和航空航天，而新空間似乎是目前推動行業(yè)發(fā)展的最大客戶力量。New Space、航空航天和國防購買的大型機器似乎正在驅(qū)動更復(fù)雜、更大的票務(wù)設(shè)備和終端用途部件。對于其他人來說，新一波的低成本機器可能是他們獲得更實惠系列零件的途徑。