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年終盤點:2020年3D打印10大應用、研究和重要事件 

2020-12-15 15:30
編者按:本文來自微信公眾號“3D打印技術(shù)參考”(ID:AMReference),3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

本文概述了2020年以來3D打印市場范圍內(nèi)比較重要的5項技術(shù)突破和應用,以及5項重要的市場事件。相比去年而言,引人關(guān)注的新技術(shù)較少,但關(guān)鍵應用增多;此外,幾項重大市場行為引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注,在突出顯示技術(shù)應用深化的同時,市場格局也在悄然發(fā)生變化。

1. 陶瓷燒結(jié)只需10秒鐘,速度提升1000倍


傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)通常需要借助昂貴的商業(yè)設備處理數(shù)小時時間。為了克服這一挑戰(zhàn),美國馬里蘭大學的研究人員發(fā)明了一種超快的高溫燒結(jié)方法,既可以滿足現(xiàn)代陶瓷的需求,又可以促進新材料創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)。在這項發(fā)明中,將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩根碳條之間,該碳條通過輻射和傳導(以103-104°C/min)快速加熱,能夠在不到10秒的時間內(nèi)達到高達3000°C的高溫環(huán)境,陶瓷粉末被迫快速凝固,比傳統(tǒng)的熔爐燒結(jié)方法快1000倍以上。
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快速燒結(jié)原理

研究人員指出,新工藝可防止由于燒結(jié)時間短而引起的揮發(fā)和不良擴散問題,可廣泛、快速地燒結(jié)各種陶瓷和金屬材料,包括3D打印的陶瓷和金屬生坯。將燒結(jié)時間從數(shù)十小時減少到幾分甚至幾秒鐘,將為陶瓷3D打印的發(fā)展,帶來極大推動。同時,這或許對太空陶瓷和金屬3D打印帶來新的機會。

2. 中美成功驗證多種太空3D打印技術(shù)


2020年5月,新一代載人飛船實驗船在軌飛行的2天零19小時內(nèi),以航天五院為代表的團隊完成了多項空間科學實驗和技術(shù)試驗,其中包括多種3D打印技術(shù)的太空在軌驗證。其中,中科院空間應用中心研究團隊研制的“在軌精細成型實驗裝置”,成功克服太空失重環(huán)境導致的打印材料流變行為,創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復合材料進行了微米級精度的在軌制造,為我國未來在軌制造零件提供了技術(shù)儲備。
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新飛船試驗任務成功在軌制造的8件陶瓷樣品

由529廠—西交大團隊共同研制的“連續(xù)纖維增強復合材料太空3D打印裝備”實現(xiàn)了國際首次連續(xù)纖維增強復合材料太空環(huán)境增材制造技術(shù)。連續(xù)纖維增強復合材料是當前國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料,密度低、強度高,開展復合材料空間3D打印技術(shù)研究,對于未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造具有重要意義。

12月初,美國Redwire也成功在太空在軌打印陶瓷零件。

3. 超多激光、超大型金屬3D打印時代到來

突破了持續(xù)許久的四激光限制,2020年當屬超多激光金屬3D打印時代到來的元年。

10月20日,Velo3D推出新一代具有“超大容量”的Sapphire XC 3D打印機,φ600*550mm的構(gòu)建體積配備了八臺1000W的激光器,是市面上第一款商用化的超多激光金屬3D打印機。

11月10日,SLM Solutions正式發(fā)布其下一代12激光金屬3D打印機,使打印速率提高到1000cc/h及以上成為現(xiàn)實。12激光系統(tǒng)的推出不僅對于增材制造業(yè)來說是一個顛覆性的突破,對于整個制造業(yè)來說也是一個重大的進步。
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多激光金屬3D打印機的基本特點

同月,3D Systems公布了其為美國陸軍正在開發(fā)的開發(fā)“世界上最大、最快、最精確的金屬3D打印機”的更多細節(jié),該系統(tǒng)配備9臺激光器,成型尺寸達到1*1*0.6m。

除此之外,弗勞恩霍夫研究所開發(fā)的5激光器原型機成型尺寸為1*0.8*0.5m,Additive Industries明年將推出10激光金屬3D打印機建造尺寸為0.6*0.6 *1m。

4.國內(nèi)大型金屬和非金屬構(gòu)件實現(xiàn)關(guān)鍵航空航天應用


2020年5月8日,由中國航天科技集團空間技術(shù)研究院抓總研制的我國新一代載人飛船試驗船返回艙,在東風著陸場預定區(qū)域成功著陸!此次試驗船飛行任務的圓滿成功,實現(xiàn)了我國超大尺寸整體鈦框架3D打印制造的首次航天應用。

載人飛船返回艙防熱大底框架結(jié)構(gòu)是氣動力熱作用下最主要的承力部件,由航天五院總體部主導研制的直徑達4米的超大尺寸整體鈦框架全部采用鑫精合公司的3D打印工藝制造,成功實現(xiàn)了減輕重量、縮短周期、降低成本的目標。新一代載人飛船試驗船的成功返回標志著我國超大尺寸關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件整體3D打印技術(shù)通過大考。
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新一代載人飛船試驗船返回艙及采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架實物

2020年7月23日,長征五號運載火箭搭載“天問一號”火星探測器成功點火起飛。這是長征五號運載火箭首次執(zhí)行應用性發(fā)射,運載火箭上的一個重要部件——級間解鎖裝置保護板,由中國運載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所通過采用華曙高科連續(xù)增材制造系統(tǒng)HT1001P解決方案加工而成。
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級間解鎖裝置保護板

級間解鎖裝置保護板直徑達5米,單批次加工件數(shù)較少,加工頻次較低,如采用傳統(tǒng)注塑方式需要使用模具,模具成本高,且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術(shù),則無需開模、一體成型。研制單位將保護板拆分成50件分別打印,每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm,最后將零件拼接而成,耗時僅48小時。該部件的成功應用,實現(xiàn)了國產(chǎn)新型大幅面增材制造裝備的應用驗證。

5.3D打印為歐美對抗疫情發(fā)揮重要作用

自歐美爆發(fā)疫情以來,3D打印為這些地區(qū)快速提供物資發(fā)揮了巨大作用,多家3D打印公司將本公司的技術(shù)用于用于醫(yī)療領域。

Carbon每周生產(chǎn)的鼻咽拭子和防護面罩分別超過100萬支和18000個;Formlabs則使用250多臺內(nèi)部3D打印機,每天生產(chǎn)多達15萬支檢測拭子,Markforged的生產(chǎn)規(guī)模也擴大到了每天10萬只;英國的Photocentric公司則采用光固化技術(shù)進行呼吸器兼容閥門的打印,每周的生產(chǎn)量達到4萬個。除此之外,巴黎醫(yī)院緊急安裝了60臺Stratasys F123打印機,生產(chǎn)各種用于救援工作的產(chǎn)品,包括面罩、口罩、電動注射泵、插管設備以及呼吸閥等。
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3D打印批量制造鼻咽拭子

面對疫情,3D打印快速制造的優(yōu)勢解決了一些國家產(chǎn)品供應短缺的問題,這些例子說明在緊急情況下3D打印可以快速反應。

6.投資超1億元人民幣的寶馬增材制造中心正式開業(yè)

6月,總投資超過1500萬歐元的寶馬增材制造中心正式開業(yè)。該中心匯集了寶馬集團迄今為止所有關(guān)于該技術(shù)的專業(yè)知識,囊括了當今市場范圍內(nèi)幾乎所有最為先進的3D打印裝備和最廣泛的技術(shù)門類。此舉將加強寶馬創(chuàng)新先鋒的地位,保持其在汽車增材制造領域的發(fā)展。
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寶馬新增材制造中心內(nèi)景

據(jù)統(tǒng)計,寶馬集團使用3D打印超過27年,已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)百萬個零件,成為3D打印領域的深度玩家。寶馬集團力圖在單個組件、小批量生產(chǎn)及大規(guī)模生產(chǎn)零部件的多個領域,都能夠提供最佳的技術(shù)和生產(chǎn)工藝鏈條。高大上的3D打印制造、未來數(shù)字化生產(chǎn)的新方向成為寶馬集團生產(chǎn)系統(tǒng)中非常重要的組成部分,在大批量生產(chǎn)方面擁有巨大潛力。

7.飛而康規(guī)劃50臺華曙金屬3D打印機,欲打造一流增材制造超級工廠

近年,國內(nèi)航空航天事業(yè)迅猛發(fā)展,增材制造的應用不斷深化,而專注于航空航天增材制造服務的飛而康因此也迎來了歷史上難得的發(fā)展機遇。2019年,飛而康與華曙高科達成戰(zhàn)略合作,雙方致力于航空航天最新設備研制和飛而康材料及工藝研發(fā),打造基于華曙高科金屬解決方案的“飛而康金屬增材制造產(chǎn)業(yè)化超級車間”。車間列裝華曙高科超大型、大型、中型金屬設備,已支持多項國家重點型號工程的研制,涉及數(shù)十個航空航天器型號任務。

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飛而康增材制造車間局部

為滿足快速增加的訂單需求,飛而康進一步擴充車間產(chǎn)能。今年5月,飛而康發(fā)布消息,將規(guī)劃產(chǎn)能再翻四倍,將華曙高科金屬設備的列裝數(shù)量將會擴充至50臺,屆時車間的加工能力將躍上一個新的臺階,成為名副其實的增材制造超級車間。10月初,飛而康已經(jīng)收到第20套金屬3D打印系統(tǒng),其中19套是大幅面的 FS621M和FS421M系統(tǒng),飛而康將繼續(xù)打造其超級增材制造工廠。

8. 鉑力特中標4600萬元金屬3D打印項目,產(chǎn)業(yè)化應用加深加快

據(jù)中化商務電子招投標平臺11月消息,西安鉑力特中標北京動力機械研究所3300萬元高尺寸、大幅面激光選區(qū)熔化成形設備和1300萬元中小規(guī)格激光選區(qū)熔化成形設備項目。招標人隸屬中國航天科工集團第三研究院,具有明顯的航空航天背景。如此大金額購買相關(guān)設備,定是基于明確的應用需求以及對設備質(zhì)量的絕對信心,而這種信心也定是來源于長時間的驗證。

鉑力特2020年推出了多款金屬3D打印機。據(jù)官方介紹,鉑力特于3月發(fā)布BLT-S450,可滿足我國大推力重型運載液體火箭發(fā)動機關(guān)鍵部件大尺寸、復雜曲面精密結(jié)構(gòu)成形要求,為航天液體動力領域高質(zhì)量發(fā)展賦能;6月發(fā)布BLT-S600,突破了四光束聯(lián)動掃描與拼接等關(guān)鍵技術(shù),成形尺寸、成形精度處于國際先進水平;8月發(fā)布BLT-S510,首次在全球?qū)崿F(xiàn)單向1000毫米級大尺寸金屬3D打印,填補了國內(nèi)外空白,達到國際先進水平。

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BLT-S600市場價格1000萬以上

除中國供應商獲得較大訂單之外,無支撐金屬3D打印的領導者VELO3D,于今年6月宣布獲得航空航天客戶2000萬美元的訂單,這也是迄今為止該公司獲得的最大訂單。通過這三項市場行為,3D打印技術(shù)參考認為,航空航天領域?qū)?D打印技術(shù)的應用正在進入快速發(fā)展時期。

9. Stratasys 1億美元收購可編程光固化創(chuàng)業(yè)公司,完善聚合物3D打印體系

Stratasys公司以FDM技術(shù)起家,其基于該技術(shù)的工業(yè)級3D打印機在各行各業(yè)廣泛使用, 在該市場具有領導地位。2012年,Stratasys與以色列Objet公司合并,從而將Polyjet技術(shù)收入囊中,基于該技術(shù)的彩色3D打印機具有業(yè)內(nèi)最高的精度和最優(yōu)秀的表面質(zhì)量,繼續(xù)奠定了其在業(yè)內(nèi)的領導者地位。2014年,Stratasys 4億美元收購MakerBot,彌補了其在大眾消費級市場的短板。

然而,隨著3D打印獨角獸企業(yè)Carbon的崛起,CLIP、HARP等高速光固化制造技術(shù)受到廣泛關(guān)注,并日益顯示出批量制造的優(yōu)勢。本月,Stratasys宣布將以1億美元(約合6.5億人民幣)的現(xiàn)金加股票,收購基于光固化3D打印技術(shù)來大規(guī)模生產(chǎn)零件的美國初創(chuàng)公司Origin,希望步入光固化樹脂3D打印批量化生產(chǎn)的大潮流中。Origin憑借專有的高速P³技術(shù),可以使3D打印盡可能的實現(xiàn)自動化和可擴展,同時提供針對速度和批處理進行了優(yōu)化的打印技術(shù)和材料,以可預測的和具有競爭力的成本擴大規(guī)模。此次收購預計將于2021年1月完成,屆時 Stratasys將 鞏固其在聚合物和3D打印生產(chǎn)應用領域的領導地位。

10. 國際巨頭2020營收喜憂參半,伴隨大幅裁員

2020年上半年,3D Systems總收入2.468億美元,與2019年上半年的3.093億美元相比下降20%。即便第三季度有所好轉(zhuǎn),但前九個月營收仍比去年同期降低17.8%至3.81億美元。在此情況下,3D Systems于二季度開始減少其運營及研發(fā)費用,并開始重組計劃,以專注于其醫(yī)療保健和垂直行業(yè),與公司新戰(zhàn)略不符的業(yè)務部門將會被剝離。該公司希望將其運營成本降低1億美元,作為重組計劃的一部分,3D Systems計劃裁員20%,希望明年實現(xiàn)盈利。截至目前,公司"戰(zhàn)略再聚焦 "和削減成本的努力正在取得成效。

Stratasys在今年6月宣布,為減少疫情影響,將在全球范圍內(nèi)裁員10%以“精簡”業(yè)務,即便必須支付約600萬美元的遣散費,但此舉以及其他降低成本的政策預計將為公司每年節(jié)省約3000萬美元的運營費用。Stratasys在今年前九個月收入3.94億美元,相比去年同期降低14%,公司業(yè)務自第三季度開始改善,自二季度為通用汽車安裝了17臺FDM打印機后,8月份又獲得了公司有史以來最大的航空訂單——為AM Craft安裝4臺F900系統(tǒng)。

巨頭公司Materialise的收入增長情況與3D Systems和Stratasys類似,而SLM Solutions在今年前九個月的總收入則呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢,同比比去年增長37%,尤其在其他公司開始裁員、削減開支的第二季度,該公司卻逆勢增長90%,成為上半年歐美增材制造行業(yè)的唯一亮點。SLM Solutions自去年5月開始進行企業(yè)重組,此后逐步向盈利方向邁進。

在其他公司方面,Voxeljet在第三季度恢復增長10%,Exone的系統(tǒng)銷售額也翻了一番。國內(nèi)方面,鉑力特財報顯示前三季度收入1.3 億元,同比下降25%,凈利潤虧損0.13億元。受下游航空航天訂單確認周期的季節(jié)性影響,預計業(yè)績將集中于四季度釋放(如關(guān)鍵點8)。而華曙高科則透露,其在2020年前三季度收入相比去年翻番,其強勁的收入增長來源于2019年的大量訂單積壓以及在2020年獲得的幾筆大合同,對于具體金額,該公司并未透露。

END

總體來說,在最新3D打印技術(shù)的研發(fā)進展方面,2020年并沒有太多可圈可點之處,即便3D打印技術(shù)參考搜遍了nature和science論文,研究也多聚焦于非常細小的應用領域,對技術(shù)的整體發(fā)展貢獻不多。另一方面,3D打印技術(shù)在航空航天應用方面則表現(xiàn)突出。最后,由于受到疫情的持續(xù)影響,國際范圍內(nèi)的頭部企業(yè)受到了重創(chuàng),而國內(nèi)則依賴強大的內(nèi)需,獲得較為良性的發(fā)展。

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