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金属3D打印的新发展超越粉末床增材制造即将实现产业化2019年一月罗兰贝格聚焦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成本限制时，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发展的前沿，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发展，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发展，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发展，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成本。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。从项目经验中我们得知，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、产量大小与成本等方面的表现，以及将来如何发展变化。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发展，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成本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 Laser。自从Concept Laser 被通用电气收购以来，已经成为了GE Additive的一部分。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。批量大小则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成本较高。在罗兰贝格，我们用一个立方体来表示零件性能、批量大小与成本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。 A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，其成本与其他技术存在显著差距。图B比较了特殊金属零件的成本，例如普通导封面图片：FITAdditive Manufacturing Group2 罗兰贝格 聚焦 金属3D打印的新发展封面图片：FITAdditive Manufacturing Group从技术的角度而言，激光粉末床熔化的成本有望实现大幅降低。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，激光粉末床熔化的成本将会继续下降。但在接下来的三至五年中，现有订单的成本不会大幅下降。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，激光粉末床熔化的成本需要在多大程度上得以降低。短期内，零件成本预计不会出现突破性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，相对而言成本较高PBF-L: 激光粉末床熔化轨、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。 B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，成本不超过现有机器的两倍。这将使生产金属零件的成本降低20%至30%左右。但要实现真正的商业突破则至少需要将成本大幅降低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。资料来源：罗兰贝格批量大小零件性能成本金属3D打印的新发展 罗兰贝格 聚焦 3B: 成本对比 传统制造技术与激光粉末床熔化成本对比，假设以下集合形状表示数值 (欧元，示意图)注释:必要时，增材制造材料合适的替代品增材制造：后处理增材制造：金属与流程常规流程：流程常规流程：金属普通导轨 m = 1.1 kgv = 140 cm31.4307太阳齿轮m = 0.9 kgv = 110 cm31.7223普通导轨m = 3.1 kgv = 1150 cm33.32111,600大规模生产大规模生产小规模生产小规模生产大规模生产1,200150310400722760075055x70x45x8x0.8x资料来源：罗兰贝格风扇叶轮m = 2.9 kgv = 370 cm31.4832涡轮叶片m = 0.8 kgv = 90 cm3MAR-M-5094 罗兰贝格 聚焦 金属3D打印的新发展的下降。 C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。新型机器概念正在发展，为金属零件增材制造提供更高的成本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，部分取代激光粉末床熔化。 D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、批量大小与成本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项目的应用技术。 E 增材制造领域正在快速发展，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发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，企业应该着力发展哪些技术？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部分或全部取代仍有待观察。的确，从成本的角度来看，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，且生产零件的成本更低。但同时，竞争加剧也C: 近期内，零件成本不会出现革命性的下降 激光粉末床熔化增材制造与传统制造的成本演变(示意图)资料来源：罗兰贝格2014 2018 2020-22%-40%倍数 15-60机加工零件，低产量，高端部门机加工零件，高端市场后处理后的附加生产零件金属3D打印的新发展 罗兰贝格 聚焦 5D: 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)资料来源：企业信息、专家访谈、罗兰贝格粉末床熔化能量沉积金属喷射材料压铸粘合剂喷射 激光粉末床熔化电子束粉末床熔化激光直接能量沉积激光 / 等离子体 / 电子束制造原理粉末床的激光熔凝区热能粉末床的电子束熔凝区热能粉膜材料熔化过程中的熔融沉积过程中熔化金属丝的熔铸熔化金属液滴的沉积通过喷嘴分配材料形成 绿色部分用粘合剂连接粉末形成 绿色部分增材制造成熟度某些行业较为成熟某些行业较为成熟目前主要用于涂层，增材制造，仅限小众应用目前主要用于涂层，增材制造仅限小众应用生产能力显现原型生产能力显现小众应用较为成熟关键材料铝、钛、镍合金、 钴铬、钢钛、镍合金、钴铬钛、镍合金、钢、钴、铝钛、镍、钢、钴、铝、 钨、锆合金、铜镍合金铝、钢铜、镍钴合金、钢、(其他，包括钛等仍在开发)碳化钨、钨、钴铬、钢/铜、 钢、铜镍合金、非金属模具力学性能所需后处理热处理/热等静压、 机械加工、表面处理机械加工、表面处理热处理、机械加工、表面处理热处理、机械加工、表面处理热处理/热等静压、 机械加工、表面处理热处理/热等静压、 机械加工、表面处理热处理/热等静压、机械 加工、表面处理制造成本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航空航天、一般工业品相关业务精密工程、汽车、原型精密工程、汽车、原型精密工程、汽车、原型、医疗技术、艺术与设计设备供应商(摘选)Concept Laser, Trumpf, EOS, Renishaw, DMG MORI, SLM Solutions, Additive IndustriesArcam DMG MORI, Mazak, BeAM, PM Innovations, Trumpf, OptomecSciaky, OR Laser, Trumpf, Norsk TitaniumVader Systems, XJet Desktop Metal, Markforged, BASFExOne, Digital Metal, Desktop Metal现有技术挑战技术6 罗兰贝格 聚焦 金属3D打印的新发展所需程度较高所需程度较低低高概念证明全速生产粉末床熔化能量沉积金属喷射材料压铸粘合剂喷射 激光粉末床熔化电子束粉末床熔化激光直接能量沉积激光 / 等离子体 / 电子束制造原理粉末床的激光熔凝区热能粉末床的电子束熔凝区热能粉膜材料熔化过程中的熔融沉积过程中熔化金属丝的熔铸熔化金属液滴的沉积通过喷嘴分配材料形成 绿色部分用粘合剂连接粉末形成 绿色部分增材制造成熟度某些行业较为成熟某些行业较为成熟目前主要用于涂层，增材制造，仅限小众应用目前主要用于涂层，增材制造仅限小众应用生产能力显现原型生产能力显现小众应用较为成熟关键材料铝、钛、镍合金、 钴铬、钢钛、镍合金、钴铬钛、镍合金、钢、钴、铝钛、镍、钢、钴、铝、 钨、锆合金、铜镍合金铝、钢铜、镍钴合金、钢、(其他，包括钛等仍在开发)碳化钨、钨、钴铬、钢/铜、 钢、铜镍合金、非金属模具力学性能所需后处理热处理/热等静压、 机械加工、表面处理机械加工、表面处理热处理、机械加工、表面处理热处理、机械加工、表面处理热处理/热等静压、 机械加工、表面处理热处理/热等静压、 机械加工、表面处理热处理/热等静压、机械 加工、表面处理制造成本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航空航天、一般工业品相关业务精密工程、汽车、原型精密工程、汽车、原型精密工程、汽车、原型、医疗技术、艺术与设计设备供应商(摘选)Concept Laser, Trumpf, EOS, Renishaw, DMG MORI, SLM Solutions, Additive IndustriesArcam DMG MORI, Mazak, BeAM, PM Innovations, Trumpf, OptomecSciaky, OR Laser, Trumpf, Norsk TitaniumVader Systems, XJet Desktop Metal, Markforged, BASFExOne, Digital Metal, Desktop Metal现有技术挑战技术金属3D打印的新发展 罗兰贝格 聚焦 7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部分，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，发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、批量大小与成本的要求，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建技术路线图。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“为了在广泛的用例中使成本相较传统制造更有竞争力，增材制造的成本至少要降低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成本降低的迹象，但下一个巨大变革正在酝酿之中。” Bernhard Langefeld8 罗兰贝格 聚焦 金属3D打印的新发展E: 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MJ: 金属喷射BJ: 粘合剂喷射EXT: 材料压铸PBF-EB: 电子束粉末床熔化PBF-L: 激光粉末床熔化DED-wire: 激光直接能力沉积金属丝DED-powder: 激光直接能量沉积粉末批量大小零件性能成本金属3D打印的新发展 罗兰贝格 聚焦 9F: 部分组合的评价与归类 第二步与第三步 (示范图与示例图)资料来源：罗兰贝格第二组：要求中等至高性能、小到中等批量、中等成本(例如：激光直接能量沉积)第三组：要求低性能、大批量、低成本(例如：粘合剂喷射)第一组：要求高性能、小批量、可以接受高成本(例如激：光粉末床熔化)零件组合：潜在增材制造用例批量大小零件性能成本批量大小零件性能成本三维插图：Padraic Rapp10 罗兰贝格 聚焦 金属3D打印的新发展