作者吳志瑋 輝銳集團 研發工藝總監增材製造技術在過去的30年間，經歷了飛速的發展。20世紀80年代時，增材製造還只是一個非商業化的技術，到2014年，它已經擁有了超過40億美金的市值，預計到2020年，全球增材製造的市值會超過200億美金。從最初的原型件製造，到模具製造，再到當前最終零件的直接增材製造，這些跨越式的發展，不僅僅來自於技術本身的進步與創新，也得益於技術人員對應用市場的不斷開拓，以及上下游支撐技術及產業的成熟與完善。起源增材製造(Additive Manufacturing, AM)的歷史基礎幾乎可以追溯到150年前，當時人們利用二維圖層疊加來成型三維的地形圖。20世紀60年代和70年代的研究工作驗證了第一批現代AM工藝，包括20世紀60年代末的光聚合技術，1972年的粉末熔融工藝，以及1979年的薄片疊層技術。然而，當時的AM技術尚處於起步階段，幾乎完全沒有商業市場，對研發的投入也很少。到20世紀80年代和90年代初，AM相關專利和學術出版物的數量明顯增多，出現了很多創新的AM技術，例如1989年麻省理工學院的3D列印技術（3DP），與90年代的鐳射束熔化工藝。同一時期，一些AM技術被成功商業化，包括光固化（SL）技術、固體熔融沉積技術（FDM），以及鐳射燒結技術（SLS）。但是在當時，高成本、有限的材料選擇，尺寸限制以及有限的精度，限制了AM技術在工業上的應用，只能用於小量快速原型件或模型的製作。20世紀90年代和2000年代是AM的增長期。電子束熔化（EBM）等新技術實現了商業化，而現有技術得到了改進。研究者的注意力開始轉向開發AM相關軟體。出現了AM的專用檔案格式，AM的專用軟體，如Materialise的Magics開發完成。裝置的改進和工藝的開發使3D增材製造產品的質量得到了很大提高，開始被用於工具甚至最終零件。2000年代後期，金屬的AM技術在眾多AM技術中脫穎而出，成為了市場關注的重點。金屬增材製造技術的裝置，材料和工藝相互促進發展，多種不同的金屬增材技術互相競爭，互相促進，不同的技術特點開始展現，應用方向也逐漸明朗。發展金屬增材製造技術發展至今，可以根據其原料供給的方式不同，簡單分為兩個大類：鋪粉式的3D列印技術，如選區鐳射熔化技術（SLM）和送粉送絲式的增材製造技術，鐳射金屬直接沉積技術或電弧熔絲沉積技術。SLM裝置與工藝示意圖前者能夠實現傳統金屬加工方法無法實現的複雜形狀，包括內流道、懸空結構等，且成型件的效能優於傳統鑄造件，尺寸精密度高、表面質量好，因此特別適合用於製造複雜性高，傳統加工成本高，或者定製化程度高的金屬產品，目前主要的工業化應用與發展領域是航空航天、生物醫療與工業模具。美國的通用電氣（GE）在金屬3D列印的航空應用方面，做了開創性的工作，2018年10月，GE在其位於阿拉巴馬州的奧本工廠，順利生產了第3萬個3D列印燃油噴嘴頭。這一新的設計與製造方法將傳統噴嘴的20個部件變成了一個精密整體，實現了減重與耐用度的提高，同時降低了製造成本。在鋪粉式3D列印技術方向上，最具有代表性的裝置與服務提供商有德國的EOS、SLM Solutions、 Siemens、英國的Ranishaw、美國的3D system、Exone、中國的鉑力特與華曙高科等；在噴油嘴的成功之後，美國的通用電氣公司一舉收購了義大利Arcam和德國Concept laser，也從3D列印最大使用者轉變為最大裝置供應商。粉床式的3D列印技術，還可以細分出直接熔化金屬成型的裝置（代表的製造商如EOS）和噴粘結劑粘結成型後再燒結處理的技術（代表的裝置製造商如Exone）。直接熔化金屬的優勢在於成型件的緻密度高、力學效能優、成型精密度高，一般應用於航空、醫療等對產品效能要求很高的行業，而粘結噴射成型技術勝在效率高、裝置成本低，在汽車、模具等一般工業領域有很廣泛的應用前景。粘結噴射成型裝置與工藝過程：1) CAD檔案構建前處理，根據零件幾何和材料自動生成支撐和控制引數；2) 逐層列印由擠出蠟和聚合物粘合劑結合金屬粉成形毛坯零件；3) 將毛坯件浸入脫粘液中，溶解主粘合劑 ；4) 加熱燒結，使部件緻密化達到96%-99.8％。送粉/送絲式的增材製造技術，成型的複雜性與精度要略遜一籌，但是在生產效率上卻有極大的優勢，且能夠處理的金屬件尺寸在理論上沒有限制，也更易與傳統加工方式相結合，實現增減材混合製造的高效生產，DMG Mori公司推出的增減材混合製造系統，是這一技術發展方向的典型代表。開放性的裝置特點，使得這類增材製造技術不僅可以用於製造新品，也可以對各類複雜零件，甚至處於工作位置的金屬零件實現修復再製造，由此帶來了更廣闊的應用前景，但同時也對裝置提出了更多定製化的需求。儘管市場上也有一些標準化的產品，例如美國optomec的Lens系統，國內鉑力特的LSF系統等，但是更多的工程化應用需要定製化的裝置與服務，具有系統設計開發能力與工藝研發能力的公司才能真正推動技術的應用落地。Optomec的Lens系統國內的輝銳集團在這一領域具有代表性，針對送粉式鐳射增材技術的工程化應用，輝銳陸續推出了應用於航空精密零件製造與修復的環境箱熔覆裝置與工藝。在滿足應用需求的基礎上，輝銳也一直致力於裝置的去進口化，目前90%以上的裝置零部件都實現了中國產化，關鍵部件如鐳射頭、送粉器、粉末噴嘴等更是實現了100%自主產權。困惑儘管已經取得了令人矚目的成果，金屬的增材製造技術還遠未成為一個成熟的製造技術，仍有許多問題與挑戰需要解決，也還有許多的工業應用領域值得去探索。在技術上，需要在熱量輸入、應力累積等方面實現更有效的過程控制，降低工藝開發的難度，提升產品效能與精度；在工程應用上，還需要考慮如何進一步降低裝置與材料成本，提高成型效率，提高裝置與工藝的穩定性，真正實現傻瓜式裝置與交鑰匙工程。所有這些，以及對創造性新技術的追求，都將是金屬增材製造技術未來繼續發展的方式。=========分界線========光電匯-光電產品一站式導購服務平臺
作者吳志瑋 輝銳集團 研發工藝總監增材製造技術在過去的30年間，經歷了飛速的發展。20世紀80年代時，增材製造還只是一個非商業化的技術，到2014年，它已經擁有了超過40億美金的市值，預計到2020年，全球增材製造的市值會超過200億美金。從最初的原型件製造，到模具製造，再到當前最終零件的直接增材製造，這些跨越式的發展，不僅僅來自於技術本身的進步與創新，也得益於技術人員對應用市場的不斷開拓，以及上下游支撐技術及產業的成熟與完善。起源增材製造(Additive Manufacturing, AM)的歷史基礎幾乎可以追溯到150年前，當時人們利用二維圖層疊加來成型三維的地形圖。20世紀60年代和70年代的研究工作驗證了第一批現代AM工藝，包括20世紀60年代末的光聚合技術，1972年的粉末熔融工藝，以及1979年的薄片疊層技術。然而，當時的AM技術尚處於起步階段，幾乎完全沒有商業市場，對研發的投入也很少。到20世紀80年代和90年代初，AM相關專利和學術出版物的數量明顯增多，出現了很多創新的AM技術，例如1989年麻省理工學院的3D列印技術（3DP），與90年代的鐳射束熔化工藝。同一時期，一些AM技術被成功商業化，包括光固化（SL）技術、固體熔融沉積技術（FDM），以及鐳射燒結技術（SLS）。但是在當時，高成本、有限的材料選擇，尺寸限制以及有限的精度，限制了AM技術在工業上的應用，只能用於小量快速原型件或模型的製作。20世紀90年代和2000年代是AM的增長期。電子束熔化（EBM）等新技術實現了商業化，而現有技術得到了改進。研究者的注意力開始轉向開發AM相關軟體。出現了AM的專用檔案格式，AM的專用軟體，如Materialise的Magics開發完成。裝置的改進和工藝的開發使3D增材製造產品的質量得到了很大提高，開始被用於工具甚至最終零件。2000年代後期，金屬的AM技術在眾多AM技術中脫穎而出，成為了市場關注的重點。金屬增材製造技術的裝置，材料和工藝相互促進發展，多種不同的金屬增材技術互相競爭，互相促進，不同的技術特點開始展現，應用方向也逐漸明朗。發展金屬增材製造技術發展至今，可以根據其原料供給的方式不同，簡單分為兩個大類：鋪粉式的3D列印技術，如選區鐳射熔化技術（SLM）和送粉送絲式的增材製造技術，鐳射金屬直接沉積技術或電弧熔絲沉積技術。SLM裝置與工藝示意圖前者能夠實現傳統金屬加工方法無法實現的複雜形狀，包括內流道、懸空結構等，且成型件的效能優於傳統鑄造件，尺寸精密度高、表面質量好，因此特別適合用於製造複雜性高，傳統加工成本高，或者定製化程度高的金屬產品，目前主要的工業化應用與發展領域是航空航天、生物醫療與工業模具。美國的通用電氣（GE）在金屬3D列印的航空應用方面，做了開創性的工作，2018年10月，GE在其位於阿拉巴馬州的奧本工廠，順利生產了第3萬個3D列印燃油噴嘴頭。這一新的設計與製造方法將傳統噴嘴的20個部件變成了一個精密整體，實現了減重與耐用度的提高，同時降低了製造成本。在鋪粉式3D列印技術方向上，最具有代表性的裝置與服務提供商有德國的EOS、SLM Solutions、 Siemens、英國的Ranishaw、美國的3D system、Exone、中國的鉑力特與華曙高科等；在噴油嘴的成功之後，美國的通用電氣公司一舉收購了義大利Arcam和德國Concept laser，也從3D列印最大使用者轉變為最大裝置供應商。粉床式的3D列印技術，還可以細分出直接熔化金屬成型的裝置（代表的製造商如EOS）和噴粘結劑粘結成型後再燒結處理的技術（代表的裝置製造商如Exone）。直接熔化金屬的優勢在於成型件的緻密度高、力學效能優、成型精密度高，一般應用於航空、醫療等對產品效能要求很高的行業，而粘結噴射成型技術勝在效率高、裝置成本低，在汽車、模具等一般工業領域有很廣泛的應用前景。粘結噴射成型裝置與工藝過程：1) CAD檔案構建前處理，根據零件幾何和材料自動生成支撐和控制引數；2) 逐層列印由擠出蠟和聚合物粘合劑結合金屬粉成形毛坯零件；3) 將毛坯件浸入脫粘液中，溶解主粘合劑 ；4) 加熱燒結，使部件緻密化達到96%-99.8％。送粉/送絲式的增材製造技術，成型的複雜性與精度要略遜一籌，但是在生產效率上卻有極大的優勢，且能夠處理的金屬件尺寸在理論上沒有限制，也更易與傳統加工方式相結合，實現增減材混合製造的高效生產，DMG Mori公司推出的增減材混合製造系統，是這一技術發展方向的典型代表。開放性的裝置特點，使得這類增材製造技術不僅可以用於製造新品，也可以對各類複雜零件，甚至處於工作位置的金屬零件實現修復再製造，由此帶來了更廣闊的應用前景，但同時也對裝置提出了更多定製化的需求。儘管市場上也有一些標準化的產品，例如美國optomec的Lens系統，國內鉑力特的LSF系統等，但是更多的工程化應用需要定製化的裝置與服務，具有系統設計開發能力與工藝研發能力的公司才能真正推動技術的應用落地。Optomec的Lens系統國內的輝銳集團在這一領域具有代表性，針對送粉式鐳射增材技術的工程化應用，輝銳陸續推出了應用於航空精密零件製造與修復的環境箱熔覆裝置與工藝。在滿足應用需求的基礎上，輝銳也一直致力於裝置的去進口化，目前90%以上的裝置零部件都實現了中國產化，關鍵部件如鐳射頭、送粉器、粉末噴嘴等更是實現了100%自主產權。困惑儘管已經取得了令人矚目的成果，金屬的增材製造技術還遠未成為一個成熟的製造技術，仍有許多問題與挑戰需要解決，也還有許多的工業應用領域值得去探索。在技術上，需要在熱量輸入、應力累積等方面實現更有效的過程控制，降低工藝開發的難度，提升產品效能與精度；在工程應用上，還需要考慮如何進一步降低裝置與材料成本，提高成型效率，提高裝置與工藝的穩定性，真正實現傻瓜式裝置與交鑰匙工程。所有這些，以及對創造性新技術的追求，都將是金屬增材製造技術未來繼續發展的方式。=========分界線========光電匯-光電產品一站式導購服務平臺