透视金属3D打印的现状、挑战与下一步市场格局 _透视金属

根据MarketsandMarkets的最新研究报告，2019年全球3D打印金属市场估计为7.74亿美元。这家研究公司预测，到2024年，市场规模将超过31亿美元，从2019年到2024年，年均复合增长率为32.5％。推动这一增长的原因是航空航天、国防和汽车终端对3D打印金属的需求不断增长。
虽然目前增材制造系统供应商仍然在市场上面临技术局限以及进入到量产方面的各种挑战，不过值得欣慰的是2020年金属3D打印各方面将取得重大市场进展。本期3D科学谷与谷友结合国际与国内的发展来共同领略金属3D打印的现状、挑战与下一步市场格局。

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保时捷3D打印发动机活塞，来源：保时捷
金属3D打印的破与立
理解金属3D打印的现状与下一步发展，就需要先理解金属增材制造在生产中可行性的要求是什么？

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走向产业化的金属3D打印，来源：SAE
- 必须是可预测的：您无法花费数小时或数天的时间来通过反复试验为了制作第一个合格的零部件。
- 必须更快：优先考虑减少构建时间，这就是多激光3D打印设备越来越多地用于生产的原因。
- 必须准确：在更高的速度和更复杂的零件上，需要更好的过程控制来始终如一地生产高质量的零件，同时减少后处理或返工。
- 必须稳定：在生产环境中，激光器几乎一直处于开启状态，以提供必要的通量，这些激光器需要可靠且易于维修。
质量监控与保证
金属3D打印加工过程中质量监控和保证必须成为解决方案提供商的重点。检测表面缺陷和孔隙度对于零件质量至关重要，影响金属3D打印增长的一个关键因素是质量保证：金属增材制造（AM）3D打印设备必须能够始终如一地生产出高质量的可重复零件。在这方面，Velo3D认为谁能为关键任务组件做到这一点，谁就会赢。
质量控制方面，行业呼唤强大的软件，Sigma Labs一直希望通过从金属性能的变化角度来标准化金属3D打印的质量控制，最终受益的不只是小企业，更是整个3D打印行业。

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PrintRite3D的热能量密度算法。来源：Sigma Labs
金属3D打印在逐层铺粉的过程中由于在熔融过程中有超过50种不同的因素在发挥着作用，像材料尺寸和形状误差、熔融层中的空隙、最终部件的高残余应力，以及对材料性能——包括硬度和强度等各种变量相互关系的研究不足导致了3D打印工艺难以量化控制，这极大的制约了金属3D打印技术的应用范围。”
质量挑战是基于粉末床的金属3D打印技术发展的“主要障碍”，Sigma Labs的PrintRite3D 5.1这样的软件与硬件结合的技术将帮助金属3D打印最终改变制造格局。Sigma Labs目前有六家用户-三家3D打印设备制造商和三家最终用户在使用其解决方案，预计将在2020年初完成测试和评估阶段。Sigma Labs的技术提供实时、逐层分析，以确保符合生产规格的要求。

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PrintRite3D 。来源：Sigma Labs
根据3D科学谷的市场观察，除了Sigma Labs，来自德国亚琛的科学家们正在研究监视金属3D打印的新方法，以提高过程的鲁棒性。在构建平台中使用结构传感器时，将来会检测到关键错误，例如支撑结构撕裂的时间。此外，通过超声波传感器可以用于分析空气传播中的声音，以确定组件的质量。基于激光的超声测量的研究将在未来走得更远：脉冲激光将在部件中感应出结构传播的噪声，然后由激光测振仪检测到。这使得在构建过程中发现微小的毛孔，以便能够立即进行干预。而原位测量过程可以通过另一个曝光顺序对问题区域进行返工。
技术突破与重新确立
根据MarketsandMarkets的预测，预计PBF粉末床选区金属熔化3D打印将成为3D打印金属市场中最大的部分。MarketsandMarkets还预测，在未来四年中，钛合金的3D打印占3D打印金属的最大份额。
当然，技术层面还有很多急需提升的空间，尽管近年来在材料和加工技术方面取得了重大进步，但仍需要更多的改进。市场期待增加更多的非焊接材料，例如Stellite 6和Inconel738；LPBF（粉末床选区激光熔化）工艺需要在表面光洁度、变形控制和后期加工成本方面取得更多进步；电子束熔化（EBM）技术的加工精度还需要得到进一步提高；定向能量沉积（DED）3D打印技术还需要可以应用到更大的零件制造而不会发生弯曲；Binder Jet粘结剂喷射金属3D打印技术还需要更好地控制收缩。