SmarTech報告指出金屬3D打印的歷史機遇與挑戰
2017年金屬3D打印企業面臨著從銷售網絡到解決方案以及技術服務等一系列全線競爭。增材制造市場格局由溪流匯入大海，市場競爭由賽道競爭直接切換到賽場規模的競爭。
GE、GKN、美鋁這樣的企業對推動整個增材制造技術走向深化有著至關重要的作用。這也意味著，金屬3D打印進入到歷史上從未有過的階段。如何對機遇做好準備？市場研究公司SmarTech針對金屬3D打印從設備端到金屬粉末生產商競爭格局的變化，以及在應用端的發展前景做出了一系列的分析與預測。本期，3D科學谷與谷友共同領略SmarTech的觀點。
行業應用
金屬3D打印的應用在航空航天與醫療行業的應用前景已經比較明確，而SmarTech還預測了另外三個將保持高速增長速度的應用行業，包括汽車、牙科、石油天然氣行業。其中，SmarTech預測石油天然氣行業對金屬3D打印技術的引入在2017年達到80%以上的增長速度，這一速度在2018年及隨后雖然略有降低，但在2025年以前這一增長速度都維持在40%以上的水平。3D科學谷推測SmarTech之所以有這樣的預測，這與石油天然氣開采設備的小批量與復雜性緊密相連。
圖片：SmarTech關于金屬3D打印的主要應用領域增速預測
航空航天行業對金屬3D打印技術的引入在2024年以前都將保持在30%以上的年增長水平。這一點，3D科學谷認為是毋庸置疑的，2017年GE獲得批準的專利中，公開了用于制造渦輪機部件上的應變傳感器的方法。緊接著，GE于1月24日又獲批專利，內容包括燃料噴射器主體和冷卻系統的制造技術。如果說3D打印在航空領域越來越彰顯重要性，那么在航天領域，3D打印技術已然成為“頂梁柱”。NASA認為3D打印在制造液態氫火箭發動機方面頗具潛力,NASA的AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造驗證機項目在3年內，團隊通過增材制造出100多個零件,并設計了一個可以通過3D打印來完成的發動機原型。而通過3D打印，零件的數量可以減少80%，并且僅僅需要30處焊接。SpaceX、Blue Origin、馬歇爾太空飛行中心，Aerojet Rocketdyne，以及Rocket Lab在2016年再一次證明，3D打印不僅將提升火箭發射設備的性能，更能降低火箭發射的成本。
醫療領域，SmarTech預測在2018年前金屬3D打印的應用增長都保持在30%以上的高速增長水平，在2019年及2021年以后將進入20%左右的中速增長水平。我們看到在2015年-2016年期間，全球幾大著名骨科醫療器械制造商 Zimmer、Smith&Nephew、Stryker、強生陸續推出了3D打印產品，這些產品經過多年的研發與驗證，獲得了FDA的批準，并正式進入到醫療市場。
齒科方面，國內北京大學口腔醫院、成都登特牙科技術都在進行積極的應用。其中成都登特牙科技術將金屬3D打印技術用于制固定烤瓷冠橋、金屬冠橋的成型和樁核，并成功用于活動支架的成型。根據SmarTech的預測，這一行業對金屬3D打印技術的引入增速雖不如其他幾個行業火爆，但在2026年以前都將維持在10%以上的年增長水平。
汽車行業對金屬3D打印技術的引入將保持高速增長，根據SmarTech的預測，這一增長率在2026年以前將保持在30%以上的水平。在2021年則達到50%的爆發式增長速度。
銷量情況
根據SmarTech的報告，金屬設備的銷售金額在2014年為4.45億美金，金屬粉末的銷售金額為1.2億美金；2015年金屬設備的銷售金額為5.75億美金，金屬粉末的銷售金額為1.9億美金；2016年金屬設備的銷售金額為7.6億美金，金屬粉末的銷售金額為2.75億美金；2017年金屬設備的銷售金額預測達到8.2億美金，金屬粉末的銷售金額為3.8億美金。
圖片：SmarTech關于金屬3D打印設備及粉末銷量報告及預測
不同的研究機構數據或有出入，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達到了2.5億美金，高于預測。而3D打印金屬粉末市場將保持高增長的態勢，IDTechEx預測到2025年達到50億美金的市場規模，年復合增長率39.5%。
根據Wholers與VDW報告，金屬增材制造市場份額大約只占所有增材制造的10%左右，然而這一比例有望在2023年達到51%左右。
新技術
SmarTech 指出不同的金屬3D打印技術存在著一定層面的競爭或互補關系。新的金屬3D打印技術包括Nano Particle Jetting(納米顆粒噴射），原子擴散增材制造（Atomic Diffusion Additive Manufacturing)，平鋪激光熔融工藝（ Tiles Laser Melting）。競爭的主旋律圍繞著在提供高度的精度以及零件復雜性的同時，滿足更高的效率和更低的成本。
圖片：SmarTech關于金屬3D打印技術特點分析
Nano Particle Jetting(納米顆粒噴射）：代表企業Xjet
每秒鐘噴射出上千滴“油墨”，聽起來有點像大幅面數碼打印 以及紡織品的打印，Xjet的特別之處在于其噴射頭多次經過相同區域，每次具有小的偏移，使得每個噴嘴在若干略微不同的位置噴射。
Xjet的碳化鎢/鈷油墨組合物中包括作為載體起作用的液體媒介物，作為亞微米顆粒、納米粒子的碳化鎢(WC)和鈷(Co)。鈷也可以在油墨中以前驅體(precursors)的形式存在，例如可溶解的有機鈷化合物、鹽或絡合物。
這種油墨在完成Xjet的3D打印之后，生坯被送去經受燒結過程，在真空和低溫度(幾百攝氏度)下加熱，其中有機材料被除去(脫結合階段)，隨后是在接近于Co的熔點的溫度進行的液相燒結。在燒結之后，可達到切割刀具所需要的機械強度和硬度。
Xjet關鍵詞包括：納米金屬射流技術、金屬混合油墨、新型噴墨裝置和噴射方法（高溫處理）、出色的分辨率、高于SLS激光燒結5倍的速度。
原子擴散增材制造（Atomic Diffusion Additive Manufacturing)：代表企業Markforged
Metal X使用的是一種被稱為原子擴散增材制造（Atomic Diffusion Additive Manufacturing，ADAM）的突破性技術。該技術適用于從鈦到鋁的材料，會逐層打印出部件，但與FDM不同的是，它使用的是一種被塑料粘合劑包裹的金屬粉末，打印完成后粘合劑會被去除。隨后，3D打印件會被燒結成工程金屬。有趣的是，ADAM技術會一次性燒結好整個部件，并允許金屬晶體穿過粘結層，從而實現強度的最大化。最終您得到的是一個完整構造的致密金屬部件，可用于工業、汽車、醫療和航空航天領域。
平鋪激光熔融工藝（ Tiles Laser Melting）：代表企業Adira
歐洲鈑金加工設備企業Adira的新型復合機床同時將粉末床熔融(PBF)和直接能量沉積(DED)這兩種激光增材制造技術以及激光切割技術結合在了一起，Adira復合機床中集成的新技術稱為平鋪激光熔融工藝（ Tiles Laser Melting），該工藝將現有的工作區按照順序分為幾個小片段，最終制造出大于制造腔室的單個大型零部件或若干個小型零部件。通過將激光掃描器運動與離焦能力相結合，可為零部件的細節和高度復雜的輪廓形狀建立不同掃描策略，以提高生產率和處理速度。
Adira復合機床采用了模塊化給料系統，這種獨立的雙料斗給料系統，可提供2種不同的加工材料，由用戶來選擇最終所需要的材料。在進行給料設備的清潔和準備的同時機床仍可以進行加工，這一工作原理將最小化設備的停機等待的時間。
新的競爭格局
GE本身是3D打印的下游應用企業，而收購了Arcam，Concept Laser以后，GE成為其上游3D打印設備廠商中的一員。并提出將在2到3年內提高3D打印的速度，在更長遠的時間內，GE希望達到現在速度的100倍。通過GE下游業務部門的應用發展需求，不斷反哺GE上游設備的研發，無論是資金方面還是know-how方面，其收購的設備品牌都獲取了其他企業難以獲得的優勢。
圖片：SmarTech關于GE的Concept Laser與Arcam設備銷售情況預測
淺紅色代表GE內部消耗的金屬3D打印設備銷量預測
深紅色代表GE對外銷售的金屬3D打印設備銷量預測
預測到2026年GE將占據金屬打印設備市場16%以上的市場份額
而美鋁也宣布將3D打印業務從粉末到打印服務單獨成立一家公司Arconic，Arconic公司可以為用戶提供從航空技術到金屬粉末生產乃至產品認證的專業服務。依靠美鋁公司的技術實力，Arconic在傳統金屬制造技術和3D打印領域都將成為獨具實力的強勢品牌。
另外一家公司，GKN圍繞著強大的航空航天業務與動力車輛業務版圖，GKN打造了三個增材制造卓越中心：GKN美國辛辛那提增材制造卓越中心，GKN 瑞典Trollhätten增材制造卓越中心，GKN英國Filton增材制造卓越中心。
控股Realizer的同時，DMG MORI也宣布開設新的開源創新數字化軟件：ISTOS（ Innovative Software Technologies for Open Solutions）。目前，DMG MORI擁有ISTOS85%的股份。ISTOS的研發中心位于德國杜塞爾多夫，主要負責開發DMG MORI和其他合作伙伴的數字化生產項目。ISTOS將為連接DMG MORI的網絡設備和集成的數字工廠之間起到紐帶作用。
圖片：SmarTech認為頗具歷史價值的金屬3D打印新生態系統
金屬粉末
金屬粉末的一大市場應用領域是航空航天，尤其是鎳基高溫合金，鈷鉻合金，鈦合金。合金粉末最常用的是鈦合金Ti6Al4V或者叫Ti64，SmarTech預測鈦金屬的消耗量（按體積計算）占所有金屬粉末消耗量的30%左右。
鈦合金令人難以置信的多才多藝，通常用于許多行業，由于其高強度，可比鋼，但幾乎是鋼一半的重量，所以用途廣泛，成為最流行的合金之一。這種合金實際上主要有兩個檔次，更常見的是Grade 5級，和超低間隙Grade 23級。后者有更嚴格的控制氧和氮含量的要求。
圖片：SmarTech關于金屬粉末在不同的行業應用變化描述
圖片：SmarTech列出的高速年復合增長率的金屬粉末與其對應的行業應用
圖片：SmarTech關于鈦合金與鋁合金的消耗量與增長率
“多才多藝”的合金是鈷鉻鉬合金，簡單稱為鈷鉻，在牙科部門最為普遍。這是ISO 5832合金的衍生物，或ASTM F75，歷史淵源為鎢鉻鈷合金?合金，它最初是作為整形外科植入物用鑄造合金。但是用于牙科的合金不同于用于植入物的鈷鉻合金，因為它含鎳（Ni）的自由基，并有更多的鎢（W）的成分。牙科合金具有很好的強度（＞1300MPa,消除應力后），并且具備很好的生物相容性，與陶瓷涂層不易的分離。3D金屬打印可以將這種材料制成牙橋、牙冠等產品，與傳統制造技術相比具有縮短制造流程、提高精度、降低成本的優勢。不過，SmarTech預測鈷鉻的應用領域將由以醫療和牙科應用為主轉為以航空航天行業為主。
銅是一種導熱性和反射性極佳的材料，這一屬性也使選擇性激光熔化 3D打印銅合金粉末充滿了挑戰。銅金屬在激光熔化的過程吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制。SmarTech預測在10年內，銅在航空航天領域的應用將保持49.35的年復合增長率。
鋁合金占所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車行業的10年復合增長率在51.2%。鋁硅AlSi12-鋁硅12是一種具有良好的熱性能的輕質增材制造金屬粉末。典型的應用是薄壁零件如換熱器，或其他汽車，航空航天和航空工業級的原型及生產零部件。而AlSi10Mg-硅/鎂組合帶來顯著的強度和硬度的增加。這種鋁合金適用于薄壁，復雜的幾何形狀的零件，是需要良好的熱性能和低重量場合中理想的應用材料。零件組織致密，有鑄造或鍛造零件的相似性。
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