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金屬材料增材制造的發展現狀與未來挑戰

發表時間:2019-07-09 14:31

增材制造技術的發展迄今已經超過30年,過去該技術更多被用于產品試制階段的原型制造,因此從未得到廣泛關注。但是在最近五年中,對增材制造技術的關注度快速提高,我認為主要原因包括以下幾點:

第一,產品設計趨勢的變化提升了對增材制造技術的需求。近年來,隨著制造業的整體產能發生全球性的過剩,市場競爭日漸加劇。為了在細分市場中取得競爭優勢,制造企業開始改變傳統的“設計-制造-銷售”模式,轉而采用“用戶參與設計”與“制造服務化”相結合的方式。競爭的關鍵從價格變為用戶的“總擁有成本(TCO)”。為了降低總擁有成本, 如輕量化、功能集成化和可定制化的產品設計開始流行,而增材制造技術恰好是實現這類設計的最佳工藝之一。

第二,技術的成熟度提升促使企業的接受度提升。2018年10月,GE慶祝其使用增材制造工藝生產的LEAP發動機燃油噴嘴正式交付第30000件。幾乎同時,西門子也宣布其一臺SGT700燃氣輪機上采用增材制造生產的燃油噴嘴無故障運行超過8000h。而在汽車行業,BMW也于2018年底正式宣布其i8 Roadster的頂棚支架的量產將完全采用增材制造工藝。這些經典案例充分證明了增材制造工藝的成熟度已經達到了量產級別。

第三,成本的持續下降進一步激活了市場需求。隨著越來越多的材料供應商進入市場,競爭日趨激烈。在過去的五年間,金屬增材制造所用材料的市場價格平均下降超過了40%,個別鐵基材料的市場價格更是下降超過70%。與此同時,設備和工藝穩定性的提升也使得服務商可以開發一些量產工藝,減少材料和惰性氣體的浪費,并充分利用設備產能。在這些因素的作用下,增材制造的綜合成本也在顯著下降。成本的下降開始吸引更多的工業企業思考增材制造的商業價值。

增材制造技術優勢明顯

從字面意義上來講,增材制造的加工過程中材料是通過各種手段逐層堆積出來的,這與傳統制造中先形成坯料再采用減材方式去除材料的過程是不同的。這種方式最大的優勢,同時也是終端用戶關注的重點在于:

第一,實現了對設計自由度的釋放。受傳統工藝的限制,過去的產品設計往往不得不犧牲一些使用性能或者不得不提高裝配復雜度。而使用增材制造逐層堆積的方式,一些非常復雜的結構也具備了一次性制造的可行性,從而帶來了巨大的潛力。

第二,支持按需定制。傳統開模具后批量制造的模式無疑仍然是成本最優的方式,然而隨著“多品種小批量”的趨勢日益明顯,能夠支持按需定制的免模具制造方式變得越來越有吸引力。比較典型的案例包括極致盛放的定制化禮品、MINI的定制款車輛內外飾件,還有各種定制化的醫療用植入物等。而對于模具本身這種很典型的按需定制化產品,增材制造無疑是非常有優勢的,從制作鑄造用的砂型或臘模,到為注塑或者壓鑄模具制造隨形水路,增材制造方式已經證明了其巨大的商業價值。

第三,降低供應鏈總成本。增材制造正在改變產品的MRO(Maintenance Repair Operating)方式。在傳統制造方式下,為了提升對售后服務需求的響應速度,供應鏈中的企業不得不背負巨大的備件庫存。而利用增材制造技術,可以快速實現零件的修復甚至重新制造,從而幫助制造企業縮短備件交期,從而降低庫存成本。在當前國際貿易保護主義抬頭的大環境下,部分跨國企業甚至開始探討利用增材制造來規避實物進出口的物流成本和關稅成本。

中國市場的應用現狀

按照Gartner技術成熟度曲線的定義,我認為增材制造在中國正在經歷第三個階段,即泡沫化的谷底期。在這個階段,許多加工服務廠商在早期資本推動下投入的產能正處于艱難的發展過程中,問題在于多數訂單仍然是試制件,而不是穩定而持續的量產件。這說明制造業總體上對金屬增材制造仍處于觀望的狀態。這種觀望是可以理解的,一方面現有的金屬材料增材制造技術,包括選區激光熔化(SLM)、電子束選區熔化(EBM)、激光近凈成型(LENS)和電弧增材制造(WAAM)等在內的技術,在成型尺寸、材料、加工精度、加工效率和成本上各自存在局限性,而且如多射流熔融(MJF)等這樣的新技術也在不斷涌現。另一方面,中國制造企業的創新研發能力尚有不足,如果產品在設計階段沒有突破,增材制造工藝的價值將無法顯現出來。

當然,機會也正在蘊育中,在技術方面,新材料、新設備和工藝正在不斷出現;在商業方面,一些領先的設備和服務廠商正在通過資本進行資源整合。經歷過這個階段后,預計中國的增材制造應用將在3~5年內進入穩步上升的光明期,尤其是在航空航天和醫療領域。

金屬增材制造技術的發展前景

對于金屬材料的增材制造來講,材料、設備和工藝是影響最終產品質量的三個基本要素,未來所有的技術發展都將圍繞這些基本要素。相關領域的研發重點包括:

第一,更多樣化的材料以及現有材料的改性。相對于傳統金屬材料上千個牌號,目前適用于金屬增材制造的材料牌號僅有數十種,這也從某種程度上限制了增材制造的應用。近年來隨著市場關注度的提高,材料供應商和解決方案供應商開始聯合進行新材料以及針對性工藝的開發,例如近年來出現的針對純銅材料或者鎢合金材料的開發。

此外,通過對現有材料進行改性,可以幫助提高加工質量或者降低成本,例如經過改性的鈦合金材料可以減少對熱等靜壓處理的依賴,而如果新的采用傳統粉末冶金材料的增材工藝通過驗證,預計可以將材料成本降低10倍以上。

第二,更廣的成型尺寸范圍?,F有的金屬材料增材制造工藝已經可以覆蓋比較大的零件尺寸范圍。然而針對一些微小尺寸或者是超大尺寸的結構時仍然存在較大的局限性。面對微小尺寸結構,由于后續加工的難度較大,用戶往往希望利用增材制造工藝一次完成,這對加工精度和表面質量提出了很高的要求。而面對超大尺寸結構時,結構的熱變形往往較大,導致合格率顯著下降。為解決這樣的問題,需要從產品設計、材料、設備和工藝多角度入手來解決。

第三,替代工藝和/或工藝優化。以雙激光的SLM工藝為例,其加工效率在2017年就已經可以超過100 cm3/h,但是這個效率仍然無法滿足部分工業企業的需求。在設備廠商采取了各種手段后——例如增加到四激光、提高激光功率并增加鋪粉層厚、加快鋪粉速度等,加工效率已經接近理論極限了。為了進一步提升加工效率,替代工藝——例如多射流熔融(MJF)——將會是熱門的選項之一。

針對現有工藝的優化也是現階段技術發展的重點之一,其中就包括基于虛擬仿真的工藝優化設計。利用虛擬仿真軟件,工程師可以在制造前優化擺放方向、合理設計支撐結構、嘗試不同的能量源掃描路徑等,從而提高加工質量、提高效率且降低成本。