金属3D打印的新发展.docx
金属增材制造正在进入产业化阶段。当现有增材制 造技术开始遭遇固有本钱限制时，新型增材生产概 念正在动摇市场。企业必须使自身处于最新开展的 前沿，积极参与技术路线的创造与维护。因此，需 要建立包含完整的增材制造解决方案的结构化方法。新机遇带来复杂性金属3D打印或增材制造市场正在开展，制造业企业需要 对此做出相应的举措。过去，增材制造是一种制作原型 昂贵的小众技术，而如今对于某些大规模生产应用而言， 增材制造的价格正变得更为企业所接受。这一突破不仅得益于激光粉末床熔化领域的开展，其是 一种在金属应用领域已经较为成熟的技术；还得益于替 代性增材技术的开展，例如直接能量沉积、粘合剂喷射、 金属喷射与金属挤制等。这些更新的技术正在刺激市场， 人们普遍认为这些技术有望降低增材制造的本钱。随着 这些技术的工业应用不再局限于燃气涡轮燃机、卫星电 机与定制假肢等高精尖零件的生产制造，增材制造也越 来越普及。能够受益于增材制造设计自由、小批量集约 化生产等特点的领域也在不断扩大。但这里就有一个问题。从工程经验中我们得知，许多企 业都在努力挖掘增材制造的新潜力。但其中太多企业都 在采取一种观望态度。一些相较活跃的企业通常也只关 注激光粉末床熔化和电子束粉末床熔化，偶尔关注直接 能量沉积。它们甚至忽略了需要三至五年，甚至更长的 时间来精心设计整体生产技术战略的需求。为何这么多企业踌躇不前？我们不难得出答案。是的， 新技术固然带来了新机遇，但也使局面变得愈加复杂。 新企业携最新技术进入市场，企业越来越难以保证掌握 最先进的技术，也越来越难以将有时过热的营销宣传与 新技术的真正能力区分开来。那么，企业应该对此做些什么？我们认为，所有的企业 都需要掌握市场动态，制定适当的战略。接下来，我将 详细地研究激光粉末床熔化技术，了解其在零件性能、 产量大小与本钱等方面的表现，以及将来如何开展变化。 然后，我们再转而研究替代技术，概述替代技术的作用 和在相同领域的表现。最后，为了帮助踌躇不前的企业 向前开展，我们提出了一个四步走流程的建议，供企业 用来制定全面的路线图，作为其未来技术战略的基础。激光粉末床熔化零件本钱不会下降到现价的十 分之一说到金属零件的增材制造，我们首先会想到激光粉末床 熔化。激光粉末床熔化一直是金属零件增材制造的核 心，在工业上广泛应用。金属零件的增材制造体系由德 国率先开发，目前市场仍由三家德国公司主导：EOS, SLM Solutions和Concept Lasero 自从Concept Laser 被 通用电气收购以来，已经成为了 GE Additive的一局部。激光粉末床熔化在制造高性能的小批量形状复杂的工业 生产中较为常见，典型的例子包括原型产品、用以航空 航天和竞赛中的轻量化零件，或是种植牙等定制化产品 等，这些都属于小众化的应用。激光粉末床熔化主要用 于制造相对较小的零件，对于这些较小的零件，小型的 成型包膜就已足够。批量大小那么在很大程度上取决于具 体的应用，通常从单一零件，如功能性原型或定制假体, 到几百个零件的应用。由于设备技术较为复杂，激光粉 末床熔化一直以来本钱较高。在罗兰贝格，我们用一个立方体来表示零件性能、批量 大小与本钱三个维度的复杂关系。图A表示的是激光粉 末床熔化技术在该三维立方体中的位置。可以清楚地看 到，立方体中还有很大的空间这些空间可能被其他 技术占据，我们将在下文中加以论述。金与传统生产制造相比，激光粉末床熔化技术仍然非常昂 贵。特别是在大批量应用中，其本钱与其他技术存在显 著差距。图B比拟了特殊金属零件的本钱，例如普通导还是空白，但技术的开展或转移与新技术的出现可能会 填补这些空白。企业应根据其对产品与组织的潜在影响 来评估每个分组，然后根据每个分组来制定技术路线图， 以明确在什么时间点以及何种条件下，对每个分组进行 增材制造的投资。F 一第四步定期更新机制。最后，建立一个定期的筛选流程，作为更新技术路线图 的基础。这就使得整个四步走方法成为一个循环的过程， 有助于企业掌握技术开展的最高水平，并考虑其更广泛 的意义。随着增材制造即将实现产业化，企业 需要了解现有增材制造技术的优点， 以及该项技术能在哪些领域满足企业 的需求。同时，它们必须密切关注新 兴的、替代性的技术，以防这些技术 可能与其特定业务更为息息相关。最 后，通过上述四步走流程开发技术路 线图，有助于企业制定未来的技术战 略。A:激光粉末床熔化增材制造的三个维度 激光粉末床熔化性能较高，相对而言本钱较高零件性能本钱 PBF-L：激光给末床熔化 PBF-L：激光给末床熔化小资料来源：罗兰贝格轨、制动钳、太阳齿轮、风扇叶轮与涡轮叶片等。举例 而言，制造涡轮叶片时，使用激光粉末床熔化技术的成 本比传统方法高出70倍。星激光粉末床熔化技术的生产率与同时激活的激光数量密 切相关。一家激光粉末床熔化设备制造商目前正准备推 出一种新型激光粉末床熔化机器，其激光数量是目前设 备的三倍，本钱不超过现有机器的两倍。这将使生产金 属零件的本钱降低20%至30%左右。但要实现真正的商 业突破那么至少需要将本钱大幅降低90%。只有这样，激 光粉末床熔化才有能力与诸如高压压铸与熔模铸造等技 术竞争，并实现大规模应用。从技术的角度而言，激光粉末床熔化的本钱有望实现大 幅降低。例如，一个具有创新性的解决方案是，亚琛的 Fraunhofer ILT公司正与行业伙伴合作开发多点阵列技 术。然而，该系统仍处于研发阶段，小型结构零件的质 量还有待评估。毫无疑问，激光粉末床熔化的本钱将会继续下降。但在 接下来的三至五年中，现有订单的本钱不会大幅下降。 图C显示了激光粉末床熔化技术从2014至2020年间的成 本变化轨迹，明确与熔模铸造加工等中等至大批量应用 的传统制造相比，激光粉末床熔化的本钱需要在多大程 度上得以降低。短期内，零件本钱预计不会出现突破性B:本钱比照传统制造技术与激光粉末床熔化本钱比照，假设以下集合形状表示数值（欧元，示意图）：. 1,600!" 400 I>1,200注释：必要时,增材制造材 料合括的替代品常规流程：金属第规流程：流程增材制造：后处理增材制造：金属与 流程晋通导轨m = 1.1 kgv = 140 cm31.4307晋通导轨m = 1.1 kgv = 140 cm31.4307晋通导轨m - 3.1 kgv = 1150 cm33.3211麻太阳齿轮m = 0.9 kgv =110 cm31.7223礴风扇叶轮m = 2.9 kgv = 370 cm31.4832涡轮叶片m = 0.8 kgv = 90 cm3MAR-M-509资料来源：罗兰贝格C:近期内，零件本钱不会出现革命性的下降 澈光粉末床熔化增材制造与传统制造的本钱演变（示意图）后处理后的附加生产骞件 机加工零件,低产量,高端部门 机加工零件.高端市场资料来源：罗兰贝格的下降产£替代性增材制造技术当然，除了激光粉末床熔化及其姐妹科技电子束粉磨床 熔化技术之外，增材制造还有许多其他技术，如图D所 示。新型机器概念正在开展，为金属零件增材制造提供 更高的本钱效率与更大的批量规模。其中一些技术，诸 如直接能量沉积，已经可以在小众应用中投入生产。其 他产品预计将在2019年或更晚一些投入商业生产，包括 材料喷射、材料挤制与粘合剂喷射等。目前，这些技术可以在激光粉末床熔化技术尚未覆盖的 小众市场上进行补充。然而，从长远来看，这些技术可 以扩大应用范围，局部取代激光粉末床熔化。R将这些其他技术与激光粉末床熔化一起放在立方体中， 我们发现了一些有趣的见解。每种新技术在零件性能、 批量大小与本钱方面都占据着自己的一席之地。企业可 以以此为基础，选择最适合某个特定工程的应用技术。增材制造领域正在快速开展，未来每项技术如何在立方 体中游移或扩大仍有待观察。开发技术路线图上述技术的开展对金属制造业的未来有着重大的影响。 增材制造即将实现工业化。企业面临的问题是，哪些技 术终将在立方体中占据主导地位？换言之，企业应该着 力开展哪些技术？作为高性能应用的核心技术，激光粉末床熔化是否会被 新型有竞争力的技术局部或全部取代仍有待观察。确实， 从本钱的角度来看，新技术无需如此昂贵的设备，且技 术复杂度较低，或许将凭借这种优势赶超激光粉末床熔 化。新技术可能比激光粉末床熔化速度快100倍甚至更 多，且生产零件的本钱更低。但同时，竞争加剧也D:金属增材制造的现有技术与挑战技术几种新型金属增材制造技术随粉末床熔化或直接金属沉积技术一同出现简化概述（示意图）制造原理增材制造成熟度关键材料粉末床熔化激光粉末床熔化粉末床的激光熔凝区热能电子束粉末床熔化粉末床的电子束熔凝区熬能能量沉积激光直接能量沉积粉膜材料熔化过程中的熔融某些行业较为成熟铝、钛、银合金、 钻珞、钢某些行业较为成熟钛、锲合金、钻珞目前主要用于涂层，增材 制造，仅限小众应用钛、镁合金、钢、钻、铝力学性能所需后处理热处理/热等静压、 机械加工、外表处理机械加工、外表处理热处理、机械加工、 外表处理制造本钱核心应用产业航空航天、涡轮、医疗技术、 牙科、汽车航空航天、涡轮、医疗技术航空航天、一般工业品相关业务设备供应商（摘选）Concept Laser, Trumpf, EOS, Arcam Renishaw, DMG MORI, SLMSolutions, Additive IndustriesDMG MORI, Mazak, BeAM, PM Innovations, Trumpf, Optomec现有技术资料来源：企业信息、专家访谈、罗兰贝格激光/等离子体/电子束金属喷射沉积过程中熔化金属丝的熔铸熔化金属液滴的沉积目前主要用于涂层，增材制造仅限小众应用生产能力显现钛、银、钢、钻、铝、 鸨、倍合金、铜银合金铝、钢热处理、机械加工、 外表处理热处理/热等静压、 机械加工、外表处理航空航天、一般工业品 相关业务Sciaky, OR Laser, Trumpf, Norsk Titanium精密工程、汽车、原型Vader Systems, XJet材料压铸通过喷嘴分配材料形成 绿色局部原型生产能力显现铜、锲钻合金、钢、（其他，包 括钛等仍在开发）粘合剂喷射用粘合并雇接粉末账成绿色局部小众应用较为成熟碳化铐、铐、钻络、钢/铜、钢、铜锲合金、非金属模具热处理/热等薛压、 机械加工、外表处理热处理/热等静压、机械 加工、外表处理精密工程、汽车、原型Desktop Metal, Markforged, BASF挑战技术费需程度较富需程度较低精密工程、汽车、原型、医疗 技术、艺术与设计ExOne, Digital Metal, Desktop Metal全速生产概念证明“为了在广泛的用例中 使本钱相较传统制造更 有竞争力，增材制造的 本钱至少要降低90%。 到目前为止，增材制造 技术的现有组合中，我 们尚没有看到这种结构 性本钱降低的迹象，但 下一个巨大变革正在酝酿之中。”Bernhard Langefeld可能刺激现有激光粉末床熔化机器制造商进行创新，从 而对现有技术进行优化，帮助其保持目前的主导地位。我们认为，最有可能的情况是，并非单一技术占据主导 而是一系列技术共存，不同的技术满足不同的客户需求 随着增材制造整体格局迅速变化并开辟出新的机遇，制 造业企业需要评估其对业务产生的影响。为了帮助企业 开发技术路线图，作为其反映增材制造技术多样性战略 的一局部，我们建议企业采用以下论述的四步走方法。第一步筛选完整的解决方案。第一步是对现有可用或接近成熟的技术进行筛选。重要 的是，详细了解各项技术的功能，判断其是否与自己的 特定业务相关。上述图D中的信息有助于这一操作。第二步评估用例。一旦企业掌握了技术领域，就应系统地审视产品组合， 开掘在整个价值链上增材制造的潜在用例。根据这些用 例对零件性能、批量大小与本钱的要求，在立方体中绘 制这些用例（参见图F左边的立方体）。确保既考虑到特殊 零件的生产，同时也考虑到其从原型到售后的工程应用 软件算法可以某种标准扫描零件和装配图纸，以协助识 别适合增材制造的零件，但企业仍须考虑到增材制造对 业务的战略影响。第三步用例分组并创立技术路线图。第三步是将第二步中的用例在立方体中分组（参见图F右 方的立方体）。值得注意的是，一些用例可能在立方体中金主要增材制造技术的现状立方体中的金属增材制造技术（示意图）资料来源：罗兰贝格 PBF-L:激光粉末床熔化 PBF-EB:电子束粉末床熔化| DED-powder:激光直接能沉积粉末DED-wire:激光直接能力沉枳金属丝 MJ:金属喷射 BJ:粘合剂喷射EXT:材料压俑ddeccgejped 一困ffi®川E局部组合的评价与归类第二步与第三步（示范图与例如图）零件性签本钱批大小资料来源：罗兰贝格零件组合：潜在增材制造用例第一组：要求高性能、小批、可以接受高本钱（例如激：光粉末床熔化）第二蛆：要求中等至高性能、小到中等批、中等本钱（例如：激光直接能量沉积）.第三组：要求低住能、大批、低本钱（例如：粘合剂喷射）
