洞悉金属3D打印的技术发展趋势，离进入汽车行业还有多远？
根据3D科学谷的市场观察，谈到汽车行业，3D打印目前仍然主要局限在原型和小批量零件的应用领域，但我们想改变这一点，那么要将3D打印尤其是金属3D打印技术纳入到汽车领域的大批量生产，使其成为适合汽车生产的经济可行的技术，面临的挑战有哪些呢？
汽车行业需要利用增材制造的具体优势来提升产品设计，但是当谈到用于经济性的生产，以便将产量从小批量的十几个增加到每年100万个。在业界能够打破这个百万产能障碍之前，3D打印对于进入到汽车的生产线方面将一直处于死胡同。
技术快速进化带来新机遇
目前增材制造对于汽车生产来说太慢了，考虑到与相互竞争的其他制造方法相比，冲压机每六秒钟可生产一个零件，而粉末床金属熔融技术则需要几个小时才能生产一批小零件。
3D科学谷
幸运的是3D打印技术在飞速的进化，除了更多的激光器，Fraunhofer的futureAM项目还开发了比传统LPBF系统至少快十倍加工速度的下一代金属3D打印技术。
在迈向效率提升的目标之路上，除了粘结剂喷射金属3D打印技术，业界近几年还诞生了一些新的技术，包括修拉Seurat Technologies 的区域打印方法，Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技术通过模具打印与金属填充打印的结合以最大化生产力，Aurora labs的MCP多点同时熔化金属3D打印技术，通过洞悉金属3D打印的新发展，可以直观的感受到3D打印技术的整体发展正在与汽车行业产业化一致的方向发展，追求汽车行业所追求的制造效益。
金属3D打印技术进入到产业化领域的局限性包括速度、成型尺寸、成本、质量一致性等等，根据MTC大会，当前3D打印的产品价格中高达70%的成本来自设备成本，而材料也占据了30%的成本。而在传统制造工艺中，材料成本不超过产品成本的3%。
突破当前局限，迈向更高的速度，更好的过程控制，更适合的材料，全世界的3D打印玩家无不是向这个方向在发力。
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Fraunhofer的futureAM – 扫描振镜和线性轴系统的同步运动
亚琛Fraunhofer ILT已经开发出用于LPBF（基于粉末床的金属熔化3D打印技术）的下一代新型加工解决方案，该解决方案具有可扩展性，可以生产比传统LPBF系统至少快十倍加工速度的大型金属部件。目前LPBF系统样机提供了大的，有效可用的构建体积（1000毫米x 800毫米x 500毫米）。
为了提高系统的生产率，实现了扫描振镜和线性轴系统的同步运动。增强的激光粉床熔化（LPBF）加工策略的另一个亮点是软件，用于控制粉末材料熔化时的能量输入，可以为每个熔体轨迹分别设置工艺参数，以提高部件质量和制造速度。
© 德国亚琛Fraunhofer ILT
不仅仅局限在设备的加工速度、精度方面的开发，Fraunhofer的futureAM项目包含了更多“柔性”的增材制造技术，例如在线过程控制技术的开发，工艺稳健性的开发，以及基于数字孪生的网络化流程链的开发等。根据弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT，增材制造现在处于工业实施的门槛上，而从FutureAM项目中共同获得的专业知识现在将转移到工业应用中。
修拉Seurat Technologies 的区域打印方法
Seurat Technologies 发明了一种新颖的区域打印方法，有可能突破当今金属增材制造的限制。这项新技术并没有增加激光源的数量，而是使用一种全新的光束操纵方法来增加每次熔化的体积。虽然通常的金属 AM 系统的光斑直径为 100 微米，但 Seurat 系统可将 200 万个激光点传送到粉末床区域中，每个光点的直径约为 10 微米。使用这种方法，Seurat 可以同时大幅提高构建速度，同时还可以提高分辨率。与其他单一激光系统相比，Seurat TechnologiesTM 将构建速度提高了 1000 倍。
根据3D科学谷的市场观察，这种技术孵化于LLNL国家实验室。使用光寻址光阀（OALV-optically-addressable light valve）作为光掩模，一次性打印整层金属粉末。使用多路复用器，激光二极管和 Q开关激光脉冲来选择性地熔化每层金属粉末。近红外光的图案化是通过将光成像到光寻址光阀-OALV上实现的。
在基于二极管的增材制造工艺中，激光由一组四个二极管激光器阵列和脉冲激光器组成。它通过可寻址光阀，对所需制造的3D模型的二维“切片”图像进行图案化。激光随后闪烁一次打印整层金属粉末，而不是像传统的选择性激光熔融系统一样通过激光扫描策略来完成逐点的金属粉末熔化。
Seurat 的区域打印技术通过将生产力提高到任何现有金属 3D 打印技术的极限之上，从而增强了广为人知的 L-PBF 方法。它的构建速度甚至比电弧沉积还要高，但它保持了激光粉末床融合的精度和分辨率，并有可能进一步提高表面质量和零件灵活性。
作为高产量和面向消费者的行业，成本是汽车行业的主要因素。例如，铸造工艺，虽然增材制造可以将许多零件组合在一起一次完成，但铸造几乎可以便宜两个数量级。增材制造将不得不与过去50年来经过不断优化的流程相竞争，并提供额外的价值以取代它们。
Seurat的区域打印技术突破了现有的单件成本障碍。与当今的增材制造技术相比，第一代系统的成本已经降低了 50%。然而，根据3D科学谷的了解，Seurat独特的技术原理有可能进一步降低成本。Seurat未来几代机器的目标是到 2030年制造成本赢过传统压铸工艺，这将标志着增材制造成为主流技术的突破。
Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技术
3D科学谷曾在《烧结变形、几何形状受限…间接金属3D打印的短板正在消失》一文中分享到Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因为烧结温度低于其他类型的金属3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加。
▲ 间接金属3D打印适用的材料范围
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可以说以Binder Jetting为代表的间接金属3D打印技术是面向批量经济型金属零件的打印应用市场而诞生的。
目前汽车领域可用的合金通常是用于铸造或锻造产品的合金，而对于3D打印来说，合金的开发则需要考虑增材制造工艺中经历的快速加热和冷却速率因素。
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尤其是，与PBF金属3D打印技术不同的是，间接金属3D打印对材料的适用性非常广。不过，间接金属3D打印技术本身也包含着不同类型的打印技术。Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技术来自于弗劳恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所的技术授权，通过模具打印与金属填充打印的结合以最大化生产力。根据3D科学谷的市场观察，MoldJet所面向的应用市场在3D打印技术大家族中，与其最相近的正是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术。
MoldJet的工艺包括模具打印，模具填充和干燥-逐层重复进行，直到生产出所需的零件为止。每个单独的模具层的布局都可以灵活，独立地调整。这样就可以生产内部结构和通道以及带有90°悬垂式悬垂的零件。不过根据3D科学谷的了解制造过程并非完全自由无限制，例如需要避免完全封闭的内部通道，否则以后就无法去除模具材料。
MoldJet的工艺除了与Binder Jetting工艺都有Jetting-材料喷射这个过程，与Binder Jetting相区别的是，MoldJet工艺还具有Mold打印模具的过程。MoldJet®工艺的两个基本的工艺步骤是打印模具，使其成为所需零件几何形状的框架，并用金属浆料填充该模具。这两个过程步骤彼此交替。随后的脱脂与烧结过程则与Binder Jetting技术所对应的后处理过程类似。
Aurora labs的MCP多点同时熔化金属3D打印技术
澳大利亚金属3D打印机制造商Aurora Labs经过多年的开发，推出了将速度与精度结合的MCP多点同时熔化金属3D打印技术。Aurora Labs的RMP1 Beta打印机的打印床尺寸为450 mm x 400 mm，通过Multi Concurrent Printing（MCP）多点同时熔化金属3D打印技术，比以前的测试机器显着提高速度。
Aurora优先考虑优化速度提升和打印质量，这是Aurora战略的关键支柱，Aurora Labs还与巨型工程和采矿服务集团Worley Parsons达成协议，成立合并的3D打印和咨询合资企业，名为AdditiveNow。AdditiveNow提供的服务包括协助客户增加制造计划和进行优化研究，提高可操作性和可制造性以提升效率。合资公司将为客户提供增材制造相关的工程服务，如零件设计，定制金属3D打印，零件优化和零件认证服务。
当然效率的提升并不意味着3D打印就可以无缝切入到汽车零件大批量生产的轨道上，除了制造效益的提升，3D打印迈向汽车产业化的过程中还存在一系列的难题，其中包括：通过信息管理系统来管理增材制造数据流；工艺可重复性、零件到零件的可重复性；成熟的认证和质量检测方法。
汽车行业对于标准的需求是3D打印技术所面临的另外一个挑战，随着针对增材制造的标准开始浮出水面。这些标准本身还需要获得在整个行业中集体发展，因为拿通用汽车来说，每年需要数以亿计的部件，每个机器制造商都有其独特的粉末是不可持续的 – 汽车行业的要求不允许这样做。而更何况粉末标准仅仅是冰山一角，3D打印行业的厂家需要协调起来站在行业发展的角度看待如何可以共同支持增材制造的发展，并打破所有重要的障碍。
不过无论如何，从行业发展的角度来看，新的3D打印技术的出现，新的制造效益标杆的设立，对于催生整个行业出现更多的创新起到了积极的作用，而无论是哪一种技术拔得头筹，对于3D打印在制造领域发生深刻影响来说，都具积极意义。
知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关3D打印在增材制造领域的更多分析，请持续关注3D科学谷上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》。
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