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全面細說3D列印發展現狀

OFweek3D列印網訊 3D列印與增材製造(AM)是兩個可互換使用的術語。目前,3D列印行業發展態勢良好,世界各地的相關組織(包括許多國家的政府)正投入大量資源,用於3D列印技術的開發與應用。許多新的公司和部門正以該行業過去未曾見過的方式開發3D列印產品和服務。新型的3D印表機和列印材料正以驚人的速度不斷湧現。新的應用和進展表明,今後,3D列印將從過去主要用於原型製造演變為用於規模化生產。這一前景正激勵著全世界無數組織去探索如何才能成為這一高速增長和激動人心的行業的組成部分。
投資狀況
全球許多組織都在投資3D列印行業,有的投資額還相當大。例如,美國2015年初宣佈,將投資2.59億美元創建“先進複合材料製造創新研究所”。這是一個旨在將田納西州東部開發為3D列印中心的公私合作項目。美國能源部承諾注資7,000萬美元,其餘資金來自122家企業和大學組成的財團。
2015年9月,美鋁集團宣佈斥資6,000萬美元擴建一個研發中心,其中包括對3D列印方法和材料的開發。2015年10月,美國紐約州表示會投資1.25億美元建造3D列印設施,並將其作為公私合作項目投入運營,挪威的Norsk Titanium公司是其主要合作夥伴。
2016年1月,全球最大的骨科及醫療器械企業之一Stryker公司宣佈斥資近4億美元建造用於生產鈦金屬骨科植入物的3D列印設備。2016年2月,西門子公司宣佈投資2,140萬歐元在瑞典設立金屬3D列印設施。同月,總部位於英國的材料開發商Metalysis公司獲得了2,000萬英鎊(約合2,840萬美元)的投資,用於推動3D列印用金屬粉末(如鈦、鉭和定制合金)的開發和商業化應用。
2016年一季度,通用電氣(GE)斥資3,200萬美元,在美國賓夕法尼亞州匹茲堡開設了一家占地1.16萬平米、名為“增材製造技術進步中心”的研發中心,該中心將作為GE許多業務部門的測試基地。2015年12月,GE航空集團宣佈在LEAP航空發動機上開始採用3D列印技術生產安裝燃油噴嘴,該發動機於2016年開始投入使用。
據美國國家增材製造創新研究所(America Makes)所長Ed Morris介紹,截至2016年2月,全美已有163個組織成為該機構成員。而在一年前,其成員還只有120個。這一專注於增材製造(AM)技術的公私協作機構在AM研發項目上的投資超過8,700萬美元,有150個合作夥伴參與其中。2016年3月,一個由該所牽頭的專案又增加了大約1,000萬美元的投資。
新企業和新機型
數量驚人的企業正蜂擁進入3D列印行業。2015年10月在美國加州聖克拉拉市舉辦的“Inside 3D Printing”展會上,至少有25家新入行企業展示了3D列印產品和/或服務。全球有許多企業都在提供工業級3D列印系統(售價在5,000美元以上),儘管其中只有少數企業參加了該次展會。根據《Wohlers報告(2016)》的研究,2015年,世界各地有62家製造商生產和銷售工業級3D列印系統,而前一年這一數位僅為49家。
圖1 理光AM S5500P 鐳射燒結機
圖2 AdditiveIndustries公司的MetalFAB1 Beta系統
理光(Ricoh)公司與日本Aspect公司合作開發了AM S5500P鐳射燒結(LS)機(見圖1),並實現了商業化應用。該產品的列印空間為550mm×550mm×500mm,售價為7,500萬日元(約合65.8萬美元)。2015年9月,中國Farsoon公司與法國Prodways公司合作,在AM市場上推出了新型粉末熱床熔融印表機。2016年初,Prodways公司又推出了稱為“Prodways powered by Farsoon”的系列3D列印系統——ProMaker P系列。Prodways公司還銷售Farsoon公司的熱塑性粉末材料。
其他各種鐳射燒結(LS)3D印表機在市場上也層出不窮,瑞士Sintratec公司2016年推出其S1鐳射燒結機,該產品構建零件的列印空間為150mm×150mm×200mm,售價約為9,000歐元。波蘭Sinterit公司也推出Lisa鐳射燒結機,尺寸規格與Sintratec的產品類似,售價約為7,000歐元。同時,韓國的數控機床企業Sentrol公司推出一款售價約為30萬美元的大型鐳射燒結機,該機能夠列印生產各種塑膠、金屬和型砂(用於鑄造模具和型芯)零件。
其他大型3D列印設備也在不斷開發和上市。2016年3月23日,荷蘭的Additive Industries公司宣佈,其推出不到三個月的MetalFAB1Beta系統(見圖2)已經售罄。該系統的列印空間為420mm×420mm×400mm,最多可配置11個模組,並配備了自動化操作的列印平臺板、多餘粉末去除裝置和兩個列印室。該產品的基本價格為110萬歐元,其客戶包括空客APWorks、聯合磨削集團和荷蘭食品科技企業Dutch Kaak集團。以色列Massivit3D公司提供的3D列印系統能生產尺寸達1.2m×1.5m×1.8m的大型零件。由於該系統的解析度相對較低,因此不適合許多對零件精度要求較高的AM市場,但它可能對主題公園、電影、戲劇表演道具、大型雕塑、行銷/廣告(可能還包括傢俱)的製作人具有吸引力。
幾種生產光聚合物零件的快速3D印表機正在實現商業化應用。在過去一年中,該領域最受關注的企業是美國Carbon公司。該公司基於其連續液相介面生產(CLIP)技術推出了一種新機型,據說比其他3D印表機的列印速度快100倍。同時,韓國Carima公司也發佈了其連續增材3D列印技術(C-CAT),這種具有替代性的光聚合物生產工藝能以高達60cm/h的速度(在垂直方向上)列印零件,比Carbon公司CLIP工藝的列印速度快4倍。
其他正在開發快速光聚合物3D列印技術的企業還包括加拿大的NewPro3D公司、義大利的Nexa3D公司和澳大利亞的Gizmo公司。這三家公司都宣稱其各自採用的生產工藝具有很高的列印速度。
還有更多新型3D印表機即將面世。三家知名企業正準備推出各自的新產品,惠普(HP)公司在2016年底推出基於其多噴頭熔融(Multi Jet Fusion)技術的新產品,它生產的熱塑性零件與用鐳射燒結(LS)工藝生產的零件類似,但列印速度是LS的10倍。該公司還計畫開發可生產多種顏色和具有特殊物理性能(如導電性)零件的3D印表機。佳能(Canon)公司計畫在2017年左右將一種3D列印產品商業化,但尚未公佈該機的具體技術,預計用於列印聚醯胺、聚丙烯和其它熱塑性材料。美泰(Mattel)公司2016年下半年推出其基於材料擠出的新型ThingMaker 3D印表機,該產品售價為299美元,目標使用者是孩子。早在半個世紀以前(1964年),該公司就開始銷售益智玩具“爬蟲ThingMaker”,它利用小型金屬模具和稱為“Plastigoop”的液態塑性材料製作各種類似橡膠的爬蟲和昆蟲。
圖3 Mattel公司計畫推出基於材料擠出的新型ThingMaker
新材料
生產材料(尤其是金屬材料)的協力廠商企業也在快速湧入3D列印行業。其中,推出3D列印金屬材料的企業主要有Equispheres(加拿大)、Carpenter技術公司(美國)、FalconTech(中國)、H.C.Starck(德國)、H?gan?sAB(瑞典)、LPW技術(英國)、大阪鈦技術(日本)、Praxair表面技術(美國)和Sandvik材料技術(瑞典)。據Wohlers協會統計,共有34家公司提供用於3D列印的金屬材料。
儘管與3D列印金屬相比,3D列印聚合物的歷史要長大約15年,但很少有協力廠商企業提供用於工業3D列印的聚合物材料。這是因為一些AM系統的主要生產商鎖定了自己的3D印表機,防止使用其他列印材料。一些關鍵專利到期後,具有開放系統架構的新型3D印表機的開發使為這些機器提供聚合物的企業數量不斷增加。
為工業3D列印系統提供聚合物材料的協力廠商公司主要有Arkema(法國)、DSM Somos(美國)、Evonik(德國)、Farsoon(中國)和Rhodia(法國)。據估計,現在共有23家公司提供用於工業3D列印系統的聚合物材料,而幾年前這種公司只有很少幾家。
新興應用
應用3D列印技術製造模型和原型零部件已非常成熟。該行業對此類重要應用的工藝技術和加工流程的開發和完善已有28年的歷史。下一個技術前沿和巨大機遇是用3D列印來製造滿足規模生產品質的最終零部件,而這正是最近一段時期該行業的關注焦點和投資重點。
以色列Nano Dimension公司生產的3D印表機可用於製造印刷電路板(PCB)。2016年1月,該公司在德州達拉斯舉辦的SolidWorksWorld 2016展會上展出了樣機和列印的PCB樣品(見圖4)。這種雙打印頭3D印表機採用材料噴塗技術來沉積作為基材的光聚合物,並用銀納米顆粒油墨作為導電跡線。打印頭將銀沉積在厚度為2 m的層中。列印一塊尺寸為38mm×38mm的電路板大約需要75min,因此該公司目前主要針對原型製造和小批量應用。該機利用光來實現光聚合物的完全固化和銀的燒結。
圖4 Nano Dimension公司3D列印的電路板
2015年初的報導顯示,總部位於上海的WinSun公司實現了3D列印多層建築物。過去已經發表過不少3D列印整幢房屋的文章,但其中大多數被認為並不可信。不過,WinSun的報導包括了許多詳細的圖片,表明其很有可能是真實的。
仔細檢查後發現,只有牆體部分是3D列印並現場製作,然後在建築結構位置進行組裝。地板、天花板、屋頂、樓梯、廚房和浴室固定裝置則是用常規材料和方法構建的。同樣,管道、電氣和採暖通風空調(HVAC)設施,以及隔熱層、窗戶、門、外部覆蓋物(如壁板、磚和灰泥)和內部覆蓋物(如灰板/石膏板)也是如此。
在這一特定案例中,很難得出採用3D列印技術構建房屋可以節省時間或金錢的結論。考慮到一台體積龐大、價格不菲、便攜性差的3D印表機所增加的成本,這些3D列印牆體可能比常規牆體更昂貴、更耗時。採用3D列印可能有利於行銷宣傳和博人眼球,但其作用僅此而已,至少目前還是如此。
FDM現象
自21世紀初以來,熔融沉積成型(FDM)(ASTM和ISO標準更正式的術語是材料擠出)是全球最流行的3D列印工藝。據《Wohlers報告(2004)》的研究, Stratasys公司2003年銷售的FDM印表機數量幾乎與所有其他3D印表機一樣多;2006年,Stratasys公司銷售的FDM印表機(1723台)占到全部3D印表機銷售量的54.7%。
雖然當時還很少有人意識到,但2007年成為了FDM技術的轉捩點。當年,一個專注於FDM技術的開源項目——RepRap開始獲得有力的推動。這與由Stratasys持有的FDM關鍵性基礎專利的到期時間正好吻合。2007年共售出66台低成本(售價在5,000美元以下)的仿製FDM印表機,而根據《Wohlers報告(2016)》的研究,到2015年,估計此類產品的銷售量已增長到278,385台。2015年銷售的工業級3D印表機(售價在5,000美元以上)為12,558台。
自從Stratasys公司在1991年售出第一台FDM印表機以來,情況已經發生了很大變化。很少有人預見到了過期專利和開源RepRap專案的巨大影響。雖然有如此多的企業試圖圍繞FDM建立自己的業務,但尚不清楚最終有多少企業能存活下來。雖然家庭中的普通消費者很少使用這些低成本3D印表機,但各種規模的企業將其用於基本建模和原型製造的需求正在推動其發展。此外,各個層級的教育機構也在大量購買這些3D印表機。
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