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增材制造技术:金属3D打印的技术变革

增材制造技术:金属3D打印的技术变革

更新时间: 2019-07-20 15:26:53  查看次数: 713    

       增材制造技术,或称3D打印技术,根据电脑设计模型、采用材料逐层累加的方法制造产品,被寄予全面革新制造业的厚望。然而,尽管获得媒体的广泛报道,增材制造尚未在实际生产实践中得到大规模应用。理论上,增材制造技术可以制造更好的产品,包括更多的产品种类、更优的产品表现、更长的使用寿命和更轻的单位重量。同时,该技术还将带来生产工艺和流程的简化,例如,交货时间由于生产周期的缩短大大加快,生产地点的选择更加灵活,生产工具得以简化,生产废料较传统工艺相比大大减少。增材制造行业正在快速发展,增速强劲。目前,全球增材制造市场规模约为70亿美元,预计未来6年年复合增长率将高达24%,2021年市场规模约为265亿美元。

金属3D打印变革传统制造方式


      增材制造市场一般以光聚合物和热塑材料为主,金属材料只占其中很小一部分,但近年来,金属打印这一细分市场高速发展,为工业品领域的零部件加工带来全新的可能。金属打印能否在生产效率、质量稳定性和成本控制上满足汽车等行业大规模商业化生产的需求,目前仍是未知数。但有理由相信,金属打印一旦得到大规模应用,必将为当前工业化生产带来变革。

      考虑涉足金属打印行业的厂商和投资者,应摩厉以须,迎接可能到来的行业变革。竞争策略的制定,应基于对金属打印技术的应用领域以及其价值链的洞察,如此,才有望把握住短期、中期和长期的行业转折点。尽管金属打印市场仍处于萌芽状态,GE、Siemens和Michelin/ Fives with AddUp等企业金属打印技术创新的成功并非个例。多类金属被广泛应用于航空航天、汽车、航海、医药和牙科等诸多行业。

       目前,金属3D打印技术主要应用于航空航天、医疗植入体等领域。郭超表示,在航空航天领域,激光3D打印有很多应用,“因为它可以制造一些轻量化的、复杂的结构,而电子束的一个‘杀手锏级’的应用,也是目前工业上非常经典的应用,就是航空发动机的低压涡轮叶片。”航空钛铝合金叶片的制造成本与精密铸造接近,而重量轻30%,“可以预见的是,未来十年,铸造行业传统工艺被3D打印替代是不可阻挡的潮流”。
        金属增材制造技术在航空航天领域的应用体现为高性能修复、极端复杂的结构件制造、功能强化、减重四个方面。以美国AeroMet公司为例,该公司采用金属增材制造中的激光立体成形技术使F15战斗机中机翼梁的检修周期缩短为1周,F15飞机腐蚀损伤零件的更换周期大幅度缩短。而瑞士洛桑联邦理工学院采用激光立体成形技术修复单晶涡轮叶片,单晶涡轮叶片修复中损伤叶片的激光修复时间仅为1~3分钟/片。

       然而,金属打印技术目前大多应用于中小型的复杂高值零部件,而这些零部件本身不需要大规模的产量,GE和Siemens的案例便是如此。其中一大原因在于,粉末床熔合技术 (Powder Bed Fusion) 仍是主流,通过热能选择性地熔化金属粉末层区域。市面上大多数(约80%)金属打印机所使用的都是这项技术。然后,一项新兴的金属打印技术,即定向能量沉积技术(Directed Energy Deposition),正在兴起。该技术与传统粉末床熔合技术相比,生产效率更高,能以更低的单位成本生产更大、更为复杂的零部件,将进一步推动金属打印技术领域的创新。

        短期内,金属打印技术用于大规模生产工业金属部件也许不大现实,也不大可能全面替代传统生产工艺,但技术的发展正在开拓更多的行业机会。未来,传统生产技术下的诸多环节将进一步减少和整合,带来整个行业价值链的精简。对于OEM厂商来说,拥有一套高成熟度的软件,对于产品设计和生产流程的优化很重要。拥有横跨整条价值链的全面能力也尤为重要,可以通过企业间的战略合作来完成。这将是一个渐进式发展的行业,需要厂商重新审视自己的商业模式,识别成功应用3D打印技术所需的核心竞争力。

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