铂力特近日发布2020年半年度报告，截止2020年6月30日，上半年公司实现营业收入6444万元，同比下滑39.72%；营业利润-1618.90万元，较上年同期下降 179.50%；实现归属于上市公司股东的净利润-928万元，较上年同期-233万元亏损增大。 铂力特历年营业总收入 收入下滑主要系受2020年上半年新冠肺炎疫情影响，虽积极采取措施应对，但客户延期复工，业务开展及订单受到一定程度影响所致。 报告指出，铂力特公司坚持以客户为中心，市场为导向，以研发创新为公司发展的驱动力。公司在研发上持续保持高投入，不断进行技术积累并保持持续的科研创新能力，2020 年上半年公司研发投入占营业收入比例达到39.38%（比例扩大系总收入降低影响）。公司紧跟制造业智能化、无人化的发展趋势，对增材制造设备、增材制造工艺、增材制造材料等进行研究开发，为公司加快健全产业链配套能力打下坚实基础。 铂力特研发人员情况 报告期内，铂力特获得ISO 14001:2015环境管理体系和ISO 45001:2018职业安全健康管理体系认证。同时承担了科技助力经济2020重点专项《高稳定性粉末床激光选区熔化增材制造工艺与装备项目》，针对航空航天发动机耐1100℃以上高温合金复杂构件增材制造需求，研发提高粉末床温度、降低热应力的技术措施和成形过程实时监控技术，突破1100℃以上高温合金激光选区熔化工艺；提升激光选区熔化设备的运动稳定性，实现耐1100℃以上高温合金复杂构件增材制造，推动增材制造技术在航天领域中的应用。 在研项目包括800mm大尺寸SLM设备研制、大型金属结构电弧增材制造设备研制、等离子（PAW）增材制造技术、堆内构件整体式反射层结构样件试制、多光设备激光重叠区域扫描路径优化等10余项。 风险因素 由于近年来增材制造新技术不断取得突破，报告书同时指出，公司在增材制造领域具有深厚的技术积累，并紧跟国际先进技术的发展趋势，但若公司未能持续保持技术先进性和不断开发新的更高品质的产品，可能面临公司竞争力下降，后继发展乏力的风险。 在经营方面，虽然航空航天领域是铂力特的主要客户来源，但由于增材制造技术在该领域的整体制造体系中占比还较为有限，若该领域增材制造应用成长速度不及预期，或由于公司产品质量、行业竞争等因素流失主要客户，将对公司的经营发展产生不利影响。同时，增材制造装备关键核心器件由于严重依赖进口，若发生出口贸易禁用、管制等因素，也将对公司的生产经营产生不利影响。 此外，由于目前我国尚未建立起涵盖设计、材料、工艺设备、产品性能、认证检测等在内的完整的增材制造标准体系，行业标准的缺失，一定程度上制约了增材制造技术成果的累积、固化和推广应用，未能架起技术和产业衔接的桥梁，减缓了产业发展进程。因此，如果增材制造应用领域市场的成长速度和所需发展周期不及预期，将对公司未来业务的发展和盈利能力的增长速度带来一定的影响。 注：本文内容源于铂力特2020年半年度报告，原文已上传。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.从数据看全球领先的3D打印公司的研发概况 2.上半年欧美3D打印企业营收普遍下降，唯SLM Solutions逆势增长 3.3D Systems、Stratasys营收下降近30％，开始大幅裁员 4.3D打印趋势报告2020：行业亮点与市场趋势

惠普公司自2016年正式商业化其增材制造技术以来，已推出了多款聚合物3D打印系统以及基于粘结剂喷射的金属3D打印技术。惠普对于占领未来12万亿美元制造业领域的下一个高地，开启了全速前进模式。 01 剑指3D打印 在惠普、Desktop Metal、Carbon进入3D打印领域以前，传统3D打印行业面临成本高、技术成熟度低和人才短缺问题。许多工业3D打印机在速度和效率方面仍然落后于传统设备，而且将该技术真正投入生产还面临巨大投资，这些都是影响3D打印普及应用的重要影响因素。后期，以惠普为代表的新势力推出了一系列革新3D打印技术的新工艺，从打印速度、成本以及零件质量方面共同推动3D打印进入了一个全新的生产模式。 惠普多射流熔融技术（MJF）基于塑料粉末通过墨水和加热实现熔融成型，借助该技术，惠普推出了聚合物粉末床3D打印的新标准。作为明星产品，多射流熔融技术极大挤占了传统SLS技术的市场，并号称具有更一致的机械性能、更快的处理速度和更高的精度。 在比较MJF和SLS零件的成本时，在线制造市场Xometry发现，使用MJF技术生产的零件成本比SLS技术低30％。由于惠普MJF打印机能够同时打印多个零件，因此随着零件体积的增加，这种差异也会增加。 02 迈向聚合物3D打印工业化 惠普从一开始就致力于功能原型设计和批量生产，MJF技术在多方面都具有革命性的意义。该公司于2016年底推出的首个HP Jet Fusion 4200 3D打印系统已成为粉末床技术类别中最好的小批量生产机器之一。4200系统由打印机、冷却站和两个构建单元（打印缸）组成，旨在最大程度简化打印和后处理步骤。 打印缸可置换目前已成为SLS及MJF技术的标准配置，当打印完成之后，可以直接将其送至后处理站进行冷却和清洁，同时打印机更换新粉缸继续打印，从而提高工作效率。 HP Multi Jet Fusion 4200 由于专注于生产和质量，该系统在市场上受到好评。3D Hubs《2018年第2季度数字制造趋势报告》根据打印机的质量评级，将惠普4200打印机排名第2，而该机在当年生产的零件数量方面排名第一。 在应用方面，4200系统从功能原型到工具，再到短期使用的最终用途零件生产，可用于多种用途。 惠普通过与齿科品牌SmileDirectClub合作，为后者安装了49套MJF系统，每天可生产50000多个牙模。2018年，惠普在中国建立3D打印批量化定制中心，当年中国境内的MJF打印机就已经达到50台。此外，惠普还在美国、西班牙和新加坡等地均建有先进制造中心。   进入全彩色3D打印领域 在没有彩色3D打印的情况下，工艺人员往往需要花几个小时甚至更长时间对SLA或其他工艺打印的样品进行上色，制造商自然很想拥有能够负担的起的彩色3D打印机。然而事实却是，全彩色3D打印在业内极其昂贵。   惠普全彩3D打印 在4200打印机发布后，惠普在2018年推出了全彩色3D打印机系列Jet Fusion 300 /500。该产品补充了其现有工业3D打印机的产品系列，并为中小型产品开发商提供了低成本选择。 与此同时，惠普基于全新工艺的全彩3D打印机，又与Stratasys和3D Systems的现有产品展开了直接竞争。 推动3D打印实现批量制造 据报道，2018年基于MJF技术生产的零件已经达到1000万个，而惠普希望将3D打印的批量生产提升到更高水平。 在过去几年中，采用3D打印进行批量生产已成为行业发展的重要趋势之一。而且随着应用数量的增加，开发能够适应产量不断增长的新解决方案已经势在必行。 在同类型技术领域，当前的激光烧结方案与惠普MJF技术相比还是有些差距，后者通常具有更高的吞吐量。2019年对于惠普来说又是重要的一年，其推出了以生产为重点的新5200系列MJF 3D打印机。 面向生产应用的HP Jet Fusion 5200系列 500/300系列3D打印机以功能原型为目标，4200系列则以小批量生产为目标，5200系列则为其实现制造业的雄心再往前迈进了一步—以堪比注塑成型的精度和可重复性进行批量生产。 5200系列最显著的进步是生产率提高了40％，并为高温材料的3D打印开辟了可能性。目前，已有多家公司购入该系列打印机用于生产，其行业涉及风力发电、体育运动等领域。新系统大大扩展了惠普的增材制造业务能力，使其客户能够在生产中真正实现数字制造。 03 创新3D打印材料 惠普的3D打印技术已逐步从原型设计和小批量生产转向批量增材制造。尽管硬件在这一进步中起着重要作用，但如果不进行新材料开发，要充分利用MJF技术也将会是极其困难的。 MJF技术于2016年首次推出时仅能打印PA12，目前，惠普逐渐将其材料组合扩展到包括更多种类的热塑性塑料，如PA11、玻璃微珠复合PA12以及柔性TPU材料。此外，惠普还为其最新的5200系列专门开发了聚丙烯（PP）材料。 采用MJF技术打印的聚丙烯零件 聚丙烯是一种多功能、耐用且耐化学腐蚀的热塑性塑料，由惠普与巴斯夫合作开发。采用MJF技术3D打印的聚丙烯可媲美注塑成型的效果，基于这些特性，该材料特别适合用于汽车、工业、消费品和医疗领域。 实现材料高度可重复使用 在聚合物粉末床工艺中，每一层粉末都会经受高温照射，这会造成材料化学结构的变化，同时也使得烧结特性难以预测。然而在一次成型过程中，并不是所有粉末都会变成零件，总有一些粉末会被重复多次使用，可化学结构的变化也导致材料注定无法100％完全可用。这对于使用该工艺的用户来说不仅造成了材料浪费，还会带来成本负担，更何况现阶段材料仍然非常昂贵。 克服此问题的唯一方法是将新旧粉末混合使用。在SLS工艺中，只能回收大约30-50％的粉末（也有厂商重复使用70%），而使用MJF技术最多可重复使用80％的粉末。惠普称这种高水平的粉末可重复使用性是通过材料创新实现的。惠普PA12材料在长时间高温暴露过程中可减轻分子结构变化，被称为中低反应性材料，其重复使用率达到80％而不会降低质量。 惠普还计划进一步扩大材料种类，提供更广泛的热塑性塑料系列，包括具有阻燃特性的热塑性塑料、弹性体、聚酰胺、商品塑料和高性能材料等。而惠普Multi Jet Fusion开放平台将是这一进展的关键，该平台邀请化学公司在材料开发方面进行合作，以加速材料创新。 04 新领域：金属3D打印 惠普进入聚合物3D打印领域的时间虽然不长，但已经搅动了整个市场。而通过推出用于批量化制造的Metal jet金属3D打印技术，则进一步改变了业内的竞争格局，更推动了产业发展。 Metal Jet 3D打印技术于2018年推出，通过有选择的在粉末床上喷射粘结剂并最终实现零件成型。惠普引入该技术的独特优势在于其创新的打印头和粘结剂技术。 惠普Metal Jet 金属3D打印系统 虽然粘结剂喷射技术本身就很快，但惠普仍然对打印头进行了改进使其更快。Metal Jet系统配备6个打印头，每个打印头有5280个喷嘴。惠普称，如此多的喷嘴可以为打印机带来更高的生产率和可靠性。 此外，惠普利用其在墨水技术方面的专业知识，开发了一种创新的粘结剂，可以使烧结过程更快、成本更低。在金属注射成型过程中，通常需要烧掉10％以上重量的粘结剂，而新技术的比例不到1％，一个数量级的降低使烧结过程更简单、速度更快、成本更低。 Metal Jet技术原理 通过将这些先进技术相结合，惠普希望将金属3D打印实现与传统技术相当的经济性和生产效率。同时，粘结剂喷射成型技术可能不仅有助于实现金属3D打印的批量化生产，还可能实现环境保护、经济性等可持续发展的价值主张。 大众汽车使用Metal Jet技术3D打印定制的变速杆…

在日趋成熟的3D打印行业中，材料开发和认证正在不断取得进步，市场规模持续稳定增长。AMFG发布的《2020年增材制造前景报告》指出，预计今年增材制造材料市场规模将突破20亿美元大关，聚合物和金属领域都将实现强劲增长；工业增材制造设备和材料综合数据信息提供平台Senvol Database 在2020年提供的材料信息数量达到了2245种，相比去年的1700种增长了约30％。 在应用方面，聚合物仍然是领先的3D打印材料，占整个市场的82%。全球知名的3D打印服务商Sculpteo的年度3D打印状况报告也有类似的信息披露，超过80%的受访公司使用聚合物3D打印材料。 Wohlers 2020采纳Senvol Database的数据指出，截至2020年预计有1095种不同类型的聚合物材料可用于3D打印，其中45%为光敏树脂，基于挤出工艺的材料数量占比38%。 2017-2020年3D打印材料种类数量变化 金属3D打印材料市场发展也非常迅猛，据估计2019年金属粉末的消费量已达到5.2亿美元，其中最大的用户群体是3D打印服务商。基于金属粉末床熔融技术的材料种类最为多样化，目前有不少于800种的粉末种类和牌号。其中，钢、镍和钛基合金是最常用的金属3D打印材料，铝合金的使用量也在不断增长。 传统制造领域对金属3D打印的需求在持续增长，40%的公司希望将标准合金用于其3D打印应用，31%的用户则选择使用高性能合金。对于高性能聚合物和标准塑料的使用要求则略低，这两组数字分别是35%和17%。 材料成本和种类仍然是3D打印应用进一步发展的主要限制因素。安永的调查数据显示，所有被调研企业中有90%认为高昂的材料成本阻碍了采用3D打印或进一步扩大使用范围。尽管近年材料价格已经有所下降，但3D打印材料的价格仍然是传统材料价格的数倍。 采用3D打印的主要限制因素（来源：安永） 塑造3D打印材料市场的3大趋势 1. 开放的材料开发模式 索尔维全球产品与应用经理指出，“即便是竞争对手，我们也期望彼此能够在整个价值链上进行更多合作，如果能够融入EOS和Stratasys这样的非开源系统，无疑会增加3D打印材料的多样性。” 虽然这些合作取得了一些进展，但3D打印材料的开发仍比人们预期的要慢。其主要原因是当前非常多的3D打印材料受到专利保护，3D打印机制造商往往会为自己的设备开发专用材料，这限制了客户使用第三方材料的机会；另一方面，这种操作不利于材料的多样性开发。 专利保护通常会造成材料价格高昂和新材料创新速度的减慢。克服这些限制的一个解决方案是开放其材料体系，这种模式能够鼓励主要的材料生产商与3D打印机制造商合作开发新材料。 被供应商绑定的意愿调查（来源：Essentium） 这种方式有两个主要好处，它不仅有助于扩大最终用户的材料选择，还将加快材料的开发进程。事实上，99%的制造业高管认为，开放的生态系统对于大规模推进3D打印非常重要（Trends in 3D Printing at Scale，Essentium，2020）。 目前看来，3D打印设备商也正逐渐接受开放材料的模式，惠普、Ultimaker、Origin、Essentium和Prodways等便是业内典型的例子。在未来几年内，预计会有越来越多的公司采用这一战略，从而推动3D打印材料市场更具活力。 2. 全球材料公司正在进入市场 在见证了3D打印行业的快速增长之后，许多大型化学公司和金属粉末生产商已经进入3D打印市场，材料公司在增材制造价值链中的地位越来越高。2020年3D打印材料市场将继续深度整合，一些大公司将在战略上收购一些3D打印企业，特别是服务提供商（案例：巴斯夫收购Advanc3DMaterials和Sculpteo，前者为3D打印材料公司，后者则为知名的3D打印服务商），而另一些公司则将重组部门以进推动增材制造业务的发展。 较为知名的3D打印材料提供商（来源：AMFG） 赢创、3M、igus和山特维克等传统材料制造公司正在推出越来越多的3D打印材料，这为OEM创造了机会，后者将帮助他们实现新材料的稳定生产。随着新材料的不断开发和对新材料生产设备的投资，许多合作伙伴关系不断涌现，这些合作将为材料生产公司开拓新的市场并扩大其材料的覆盖范围。 3. 对高性能聚合物的需求不断增长 虽然PLA、ABS等普通材料仍然占据聚合物市场的主要地位，但终端用户对能够承受恶劣环境和耐高温、高强度的功能性材料的需求越来越多。实际上，35％的公司对3D打印高性能聚合物有迫切的需求。 为了响应这一趋势，许多先进材料的化学公司如威格斯、索尔维和赢创等开发了多种高性能热塑性塑料，如PEI、PEEK和PEKK以及复合材料等。 2017-2020年高聚物3D打印材料种类数量变化 高性能热塑性塑料的开发对于工业3D打印技术的发展至关重要。它们将加快该技术在医疗和航空航天等关键行业中从打印原型到实现高级应用的过渡。 END Wohlers Report 2020指出，全球增材制造材料市场规模在2019年已达19亿美元，而未来五年这一市场有望突破45亿美元。在这一巨大市场增长的驱使下，材料供应商尤其是巨型化学公司和金属材料生产商，越来越多地参与该行业，除了开发新材料外，它们还为3D打印技术的产业化做出了巨大贡献。而促进技术更加广泛的使用和进步，则需要多方位的通力合作，为材料的多样性做出努力。 本期上传：1.安永2019全球3D打印报告2.ESSENTIUM增材制造规模化生产利益相关者调查欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2019年3D打印材料市场的演变：趋势和机遇（聚合物篇） 2.2019年3D打印材料市场的演变：趋势和机遇（陶瓷金属篇） 3.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战 4.民航领域可用3D打印材料、工艺和案例，及民航专家的适航认证启示

上周，3D打印龙头企业3D Systems和Stratasys纷纷发布2020年第二季度和上半年财务业绩。由于受到新冠疫情的持续影响，两家企业营收出现大规模下滑，均计划裁员并减少研发投入。 3D Systems Q2收入同期下降28.7％，计划裁员20% 3D Systems第二季度净收入为1.121亿美元，比2019年第二季度报告的1.573亿美元减少了28％。在2020年上半年，该公司的总收入为2.468亿美元，与2019年上半年的3.093亿美元相比下降了20％。 3D Systems收入来源于两方面：产品和服务。其中，产品包括3D打印机、软件和材料，二季度产生了6140万美元的收入；服务包括公司的医疗保健解决方案以及一般按需制造项目，二季度共收入5050万美元。整个2020年上半年，3D Systems的产品部分营收1.403亿美元，相比去年上半年的1.861亿美元，减少了24％；服务部分也从2019年上半年的1.231亿美元减少至1.064亿美元，下降了13.5％。 3D Systems二季度及上半年应收 在此情况下，3D Systems已经开始减少其运营费用，以应对病毒持续流行引起的需求下降。该公司的总运营成本从2019年第二季度的9240万美元下降到2020年第二季度的6900万美元，其中研发费用下降18.3%至1700万美元。下一步，3D Systems将进行重组，以专注于其医疗保健和垂直行业，与公司新战略不符的业务部门可能会被剥离。该公司希望将其运营成本降低1亿美元，作为重组计划的一部分，3D Systems将裁员20％，希望明年实现盈利。 3D Systems通过重组以期在未来18个月内节省1亿美元 季报发布之后，3D Systems股价下跌11％，从7.06美元跌至6.12美元的低点。该公司临时宣布了一项股票发行计划，价值约1.5亿美元。同时，3D Systems打算将销售所得款项用于偿还其长期债务。 Stratasys Q2营收减少28%，但同时完成了几笔大合同 Stratasys在今年6月宣布，为减少疫情的影响，将在全球范围内裁员10%以“精简”业务，即便必须支付约600万美元的遣散费，但此举以及其他降低成本的政策预计将为公司每年节省约3000万美元的运营费用。 Stratasys二季度收入为1.176亿美元，相比去年同期1.632亿美元营收减少28%。2020年上半年，该公司整体收入为2.505亿美元，与2019年上半年的3.185亿美元相比下降了21%。 Stratasys二季度及上半年应收 Stratasys的收入也来源于产品和服务。产品部门包括3D打印机和材料，占其收入的大部分，二季度收入7380万美元，相比去年同期1.103亿美元下降了33％；整个上半年产品部门总收入为1.57亿美元，相比去年同期2.15亿美元下降了26％。Stratasys的服务部门是指按需制造和咨询产品，二季度收入4,370万美元，相比去年同期的5280万美元下降了17％；整个上半年，Stratasys服务收入从2019年上半年的3.184亿美元下降至2.505亿美元。 虽如此，Stratasys对业务和行业的发展方向仍然保持乐观，二季度该公司完成了几笔大合同。意大利包装机械制造商Marchesini Group SpA安装了10台Stratasys FDM 3D打印机以及两台PolyJet多材料3D打印机；航空航天公司BAE Systems也将Stratasys纳入了其“未来工厂”计划的一部分，从而增加了F900打印机的产品组合。此外，通用汽车在本月新增17台Stratasys FDM打印机。 通用汽车投追加17台STRATASYS 3D打印机 END 由于美国疫情持续流行，客户对新设备和生产制造的需求大为降低，收入的减少无法避免，降低成本不得不成为3D打印企业业务发展的重点。但不得不说，瘦死的骆驼比马大，两家公司的营收仍然是目前国内公司所无法企及的。除3D Systems和Stratasys外，HP的营收也受到极大影响。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.从数据看全球领先的3D打印公司的研发概况 2.零件质量、标准、设计及数据处理能力如何影响3D打印落地应用 3.主流汽车制造商正在如何使用增材制造技术 4.点播：Materialise如何运用增材思维优化设计

SpaceX龙飞船逃生系统的发动机采用3D打印制造，凭这一点就可以看出其对该技术的应用有多激进。前日，SpaceX发布了一项关于增材制造工程师的招聘需求，表明该公司正在扩大增材制造业务，来帮助生产出更有效、更低成本的部件。接下来我们来看看SpaceX招聘增材制造工程师有哪些职责和要求。 职位信息 能够为运载火箭金属增材制造应用开发贡献力量，通过开发和改进构建过程参数，升级和改进3D打印系统以最大限度的提高性能，能够充分利用增材制造技术的优势进行运载火箭零部件设计，最大限度提高客户满意度，缩短交付时间并降低整个制造过程的成本。主要责任包括： 1.实施新的制造技术并快速开发迭代，提高生产效率，实现先进的应用设计，降低成本并提高质量。 2.优化增材制造设备和软件，减少操作负担提高打印能力，实现高标准的一致性和可靠性。根据需要对设备进行结构优化并推动项目进行，必要时和原始设备制造商合作。 3.开发工艺参数，提高零件的整体机械性能、表面质量和几何精度。致力于提高现有材料的生产效率，开发新材料的工艺参数。与材料工程部合作，通过金相评估和机械测试确定新参数。 4.与设计师和相关工程师合作，利用SpaceX增材制造的优势，在适用的情况下推动零件减重和零件整合。发现并证实新的设计概念和特定几何结构的制造参数，以改善部件和系统性能，克服制造极限。 5.为各增材制造设备制定优化的粉末床熔融技术的构建文件，制定激光扫描路径，实现最佳的零件质量和一致性。 6.与操作人员合作，高效率实现生产，负责零件鉴定，和负责工程师和操作人员共同跟进，不断改进。 7.进行生产权衡研究和产能分析，努力以最佳方式表征总制造成本和约束条件，使用数据驱动技术最大化的利用增材制造技术。 8.在整个增材制造团队内部有效记录和分享与开发活动有关的信息，推动改进并促进培训。 9.与开发团队合作，在打印过程中实施监控，并与材料和工艺部门进行协调，对新工艺进行认证，以期在可行的情况下消除后续检测（如校准、尺寸、外观和无损检测等） 基本资格 机械工程或其他工程学科的学士学位 3年以上金属增材制造专业经验 有激光粉末床熔融设备的操作经验 优先考虑 1.机械工程或其他工程学科的硕士学位2. 有“增材制造设计”经验3. 具有开发和表征激光参数和扫描路径的经验4. 有在多个增材制造平台上创建构建文件的经验5. 能够使用工程基础进行权衡研究6. 有实施激光粉末床熔融技术监控工具的经验7. 了解高斯激光光学和高速激光扫描系统相关知识8. 有建立和运行多因素实验设计（DOE）的经验9. 精通可压缩和不可压缩流动、热力学、热化学、力学、材料和电路的基本原理10. 优秀的沟通技巧和简洁的表达能力11. 对推动商业航天业和载人航天事业的热情12. 能够在协作团队环境中良好工作13. 自我激励能力强，能够在高压环境中确定优先级并执行任务其他要求：愿意加班。这项招聘需求表明SpaceX与增材制造技术相关的工作流程已经非常成熟，它涉及的内容非常广泛，从零件设计、工艺开发、性能检测，到多部门协作、设备改造、提高零件可靠性和一致性，再到综合成本控制和不遗余力的提高生产效率。所有这些都针对实际最终用途零件生产，SpaceX正在积极开发增材制造技术的潜力，而能够进入该公司工作，想必会是众多增材制造工程师的梦想。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.SpaceX龙飞船成功携带宇航员返回地球（附视频），商业载人航天时代正式开启 2.美航天增材制造企业Relativity Space推动金属粉末回收利用 3.南航：系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？

3D打印落地应用，是一个综合性的大问题，我们没有办法在一篇文章中探讨太多。在此前的文章中，我们已经探讨了材料、打印速度以及后处理给增材制造带来的挑战，本期，我们将从零件质量、标准、设计及数据处理能力三个方面继续探讨3D打印大规模落地应用面临的问题，以及解决当前问题取得的进展。 过程监控技术可以解决部件质量追溯问题Velo3D技术合作副总裁表示，3D打印零件的性能一致性是该技术面临的一个重要问题。 传统的数控加工、注塑或铸造已经非常成熟，3D打印为零件制造提供了一种新方法，但这项技术存在传统制造所没有的新缺陷，零件质量会因制造批次不同而存在差异。对于金属3D打印来说，零件内部的粉末夹杂、微裂纹和未熔合缺陷，使制造的不稳定性尤其突出。 零件质量变化的关键来源之一是材料问题。对于一些至关重要的应用，如飞机部件或医疗设备等，对零件的性能和精度有很高的要求，材料也必须100%不受污染。然而因存储或处理不当或原料质量问题而产生的杂质会影响零件的最终性能，还有可能导致打印失败。确保材料质量需要标准化的测试方法和工具，目前业内还没有统一和普遍认可的标准。为了克服这些问题，3D打印的从业者以及一些高校实验室，正在努力开发相关标准。 过程监控技术可以解决部件质量追溯问题（点击阅读） 影响零件质量变化的另一个挑战在于3D打印设备缺乏先进的过程控制能力。为了尽量减少零件质量的不稳定，3D打印机需要从开环控制转换为闭环控制，从而在打印过程中发现问题并自动调整系统以解决问题。闭环控制可以通过在3D打印机中嵌入传感器和摄像头来实现，而且用户可以实时监控制造过程。闭环以及实时反馈系统可保持对制造过程的控制，可制造出具有一致几何形状、表面光洁度和材料性能的零件。 不过，通过闭环系统实现对质量的控制，仍然是一项相对较新且有难度的技术，绝大多数的厂商目前仍只能实现监控而无法实现自适应反馈。截至2019年，这种智能型的3D打印机也只有很少的厂商可以真正实现。 标准，已得到重视，正在完善如果业内拥有明确且被普遍理解和接受的标准，那么对所有的行业从业者都大有好处。有了标准，企业就可以把相同的产品进行横向对比，做出更加科学的决策。 在制造业中，标准至关重要，它们概述了交付优质产品必须满足的数据要求。原材料、打印机，设备操作员和工程师，供应商以及制造过程本身都需要标准以及根据这些标准进行资格认证，这些是制造出复合质量要求零件的保证。 SAE规划了最早的增材制造标准 尽管3D打印已经发展了30多年，但制造业直到最近几年才开始将其视为一种生产方法，3D打印行业才刚刚开始制定与生产相关的和整个行业的标准。欧瑞康增材制造首席工程师Matthew Donovan介绍，3D打印可以一种新的方式制造零件，这确实伟大，但如果无法证明零件的质量，那么则会引起质疑。标准能够使行业玩家跨领域生产和销售零件，并最终得以应用。 截至目前，缺乏3D打印标准仍然是阻碍该技术被广泛采用的主要瓶颈之一。但是，在这方面已经有了很多发展，一些标准开发组织如ISO和ASTM，已经建立了致力于增材制造的标准开发委员会。截至2018年，这两个组织已经批准了28个标准，未来几年还将发布更多。 ASTM / ISO增材制造标准框架（点击阅读） 行业合作关系也极大地促进了标准的制定。欧瑞康和波音之间的合作促进了增材制造在航空航天和国防领域使用，并实现了钛合金粉末3D打印材料和工艺的标准化。2019年，ASTM与奥本大学、NASA、EWI以及英国制造技术中心（MTC）合作建立了卓越增材制造中心（AM CoE），致力于搭建研发和标准化之间的桥梁，填补关键行业的标准空白。2019年9月，ASTM宣布了第二轮融资旨在支持AM CoE的标准化项目，解决快速增长的增材制造行业技术标准化的需求。尽管标准制定是一个耗时的过程，但最终会帮助制造商更快、更轻松地开发和使用3D打印工艺。 设计和数据处理，化繁为简能够提高效率设计和数据处理能力也是行业发展面临的问题，一直以来，业内企业多将重点放在开发出效率更高的设备，对于智能化的软件解决方案则重视不足。 3D打印并不像媒体宣传的那样按一下按钮就可以制造物体，工业3D打印更需要大量的设计以及数据准备工作。由于长期以来，计算机辅助设计和计算机辅助工程软件在很大程度上不能满足3D打印的要求，使得设计过程变得复杂。例如，传统的CAD软件在设计梯度材料、晶格结构或可控孔隙率结构方面存在困难。此外，3D打印设计流程涉及多个步骤，而且需要使用更多其他软件，这通常使设计陷入困境。 3D打印涉及到的软件 Autodesk制造生产行业战略和业务发展总监介绍，3D打印的零件设计和数据处理过程通常需要在多个软件间流转，用户需要使用CAD工具完成设计并将零件转换为STL格式，然后将其导入数据处理软件中，经处理后才导入设备。实际上在这个过程中可能要评估打印的安全性、结构和质量优化空间，支撑添加以及模拟分析，这些步骤需要前后交叉、反复进行，且会使用到不同的软件及多种文件格式，整个工作流程可以说非常繁复而且相互脱节。 设计和数据处理过程可以说耗时且容易出错，往往需要一个团队去分别完成各项工作。业界也正在试图以多种方式减少模型的准备工作，一些设计软件公司如Autodesk 、PTC和DassaultSystèmes正在将特定的3D打印功能融合到传统的CAD程序中。PTC宣布推出的Creo 3D计算机辅助设计平台，引入了实时仿真新功能，扩展增强现实和增材制造设计功能，以及众多关键生产增强功能，可使工程师们在一个环境内，充分利用创新设计和制造能力。 3Dxpert从设计到制造提供完整流程解决方案 一些3D打印机制造商也开发了自己的软件解决方案来简化模型准备工作。Stratasys以及3D Systems分别开发了为减少多次数据传输和转换的GrabCAD和3Dxpert软件。 目前虽然在增材制造设计和数据处理方面取得了一些进步，但仍有发展空间。为设计人员提供在CAD环境中修改3D模型的能力，并在不需要繁琐的数据转换的情况下快速迭代这些模型，这将成为降低增材制造使用门槛和提高效率的关键。 END 本期，我们从3D打印零件的质量、标准以及设计和数据处理方面分析了目前3D打印技术大规模落地应用存在的问题，以及本行业为此所做的努力和取得的进展。总的来说，进展有目共睹，但要实现更好的应用，技术的发展还需要更加智能化、相关的标准更加明确化、3D打印相关操作更加简洁化。 注：本文内容来自3D打印技术参考，谢绝转载至微信以外平台。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.材料、速度及后处理给增材制造生产带来的挑战 2.【增材制造】将标准一网打尽

在此前的文章中，我们曾经介绍过当前汽车增材制造市场的现状以及3D打印对未来汽车制造的内外驱动力。从中可知，3D打印技术不仅已经成为汽车行业的必备技术，其应用程度也在从原型制造过渡为最终部件生产，一些领先的汽车品牌则希望利用它树立在本行业的主导地位。本期，3D打印技术参考关注的重点，在于增材制造技术在主流汽车制造商中的应用。 01戴姆勒集团拥有奔驰、Smart和迈巴赫等品牌的德国汽车制造商—戴姆勒集团已经将增材制造技术用于多种零件的生产。自2017年以来，戴姆勒与EOS（及其他合作伙伴）合作开展NextGenAM项目，旨在建立新一代利用金属PBF技术进行大规模零件生产的标准流程。NextGenAM平台已经应用到部分卡车零部件的生产，而其在汽车和电动汽车零部件生产方面的潜在应用前景已经在评估之中。 戴姆勒在商用车领域已将增材制造技术完全集成到产品开发和批量生产中，通过集团范围内的研究和重点项目的攻关，实现了在极短时间内将3D打印技术应用到戴姆勒卡车和客车的开发工作中。此外，戴姆勒正专注在通过增材制造技术进行批量零件生产，重点是实现备件产出以及零件库存的数字化。 通过3D打印技术制备的梅赛德斯-奔驰198模型系列（双门跑车和敞篷跑车）工具套件中的火花塞固定器 梅赛德斯（Mercedes）在赛车运动中也大量采用增材制造技术，近十年来，在其非常成功的F1赛车中的多个部分中使用金属3D打印的零件。戴姆勒客车3D打印零件的生产主要是使用聚合物SLS技术，而梅赛德斯奔驰Classic 3D则为梅赛德斯-奔驰300 SL等类型的车辆提供3D打印零件。 02宝马集团宝马集团从2016年开始对增材制造技术的使用开始加速，并在慕尼黑运营着一家增材制造企业，其投资1500万欧元新建设的增材制造产业园已于今年6月正式运营。宝马集团在增材制造方面的合作伙伴还包括3D Systems在意大利的先进增材制造中心，它也使用由外部供应商生产的SLS和SLA零件。此外，宝马集团还投资了多家增材制造企业，包括Carbon、Desktop Metal以及Xometry等。 BMW i8敞篷跑车上使用的金属3D打印零件 宝马是第一个使用3D打印技术生产数千种金属零件的汽车制造商， BMW i8敞篷跑车的软顶固定装置就是通过使用铝合金SLM技术进行批量生产的。截止到2018年，宝马集团在过去10年中3D打印的零件已超过一百万个。需要注意的是，其中有约20万件是在2018年制造完成的，相比2017年增长了42％以上。宝马的MINI品牌已使用聚合物粉末床技术生产定制化的零件，所创立的MINI Yours Customized项目，允许客户进行自主设计某些汽车零部件。该计划的增材制造合作伙伴包括HP、Carbon和EOS。与此同时，奢侈品牌劳斯莱斯（Rolls-Royce）在幻影和黎明两款车上也使用3D打印技术生产零件。 03大众集团大众汽车集团是增材制造技术应用最广泛的知名汽车品牌之一，力图推动该技术在汽车生产中的大批量制造。大众汽车在Wolfsburg建有先进3D打印中心，依托该中心来测试和了解最新的增材制造技术，同时进行一些模具和最终零件的生产。其大批量的生产通常是通过与外部增材制造服务商合作进行的。2018年底，中心引进了Additive Industries MetalFab 1系统以进行模具和备件的3D打印。 值得一提的是，大众的高端品牌也逐渐使用增材制造技术。奥迪多年来已在使用SLM Solutions 的设备生产备件和系列零件；保时捷在2017年投资Markforged并使用其技术为保时捷959等经典系列生产备件；布加迪（Bugatti）与SLM Solutions合作进行零件批量生产，并与APWORKS一起为布加迪Chiron设计零件。 在奥迪金属3D打印中心，工程师通过SLM工艺制造钢或铝质零件 大众集团旗下的意大利豪华汽车制造商兰博基尼长期通过Stratasys FDM和PolyJet技术进行原型设计和模具制造。2019年，兰博基尼与Carbon展开合作，聚焦于数字光合成技术。 最初，Carbon的技术被用于生产终端组件，如Urus SUV带纹理的加油口盖和风管夹；此后则用于生产用户可定制、个性化的SiánFKP37跑车（兰博基尼第一款混合动力超级跑车）的通风孔，实现了从设计到生产的快速过度，将零件交货时间缩短了12周。 兰博基尼Sian的内饰融合了皮革特征和3D打印组件 04菲亚特集团FCA（菲亚特克莱斯勒汽车）集团由意大利菲亚特集团（包括法拉利、阿尔法·罗密欧、蓝旗亚和依维柯）和美国克莱斯勒集团（包括道奇和吉普）合并而成。菲亚特是意大利第一家采用3D打印进行原型制作的公司，依托Turin工厂开展增材制造计划。 吉普车和菲亚特汽车均使用HP MJF技术进行批量生产。吉普车公司平均每周使用该技术完成4-5批次的打印工作，而菲亚特依靠外部服务提供商（如3D Systems on Demand）来进行短期SLA和SLS零件的生产。奢侈品牌法拉利在一级方程式赛车中使用了增材制造技术，而阿尔法·罗密欧已在使用增材制造技术开发、生产Alfa Giulia的格栅。 菲亚特Centoventi概念车利用3D打印技术实现大规模定制生产，并提供114个Mopar设计的配件 2019年12月，FCA集团与包括雪铁龙、标致和DS等汽车品牌在内的PSA集团合并，通过与3D打印初创公司Divergent 3D合作主攻金属3D打印技术的应用，由后者开发的Blade超级跑车拥有几乎完全3D打印的底盘。Divergent公司已采用SLM Solutions的金属3D打印技术进行零件生产，同时计划于2020年开始为OEM客户批量生产安全关键构件，并向客户推出先进的增材制造设备。 05福特汽车美国汽车制造商福特比其他任何一家公司在增材制造工业化应用方面的研究都要多，其在底特律的Redford建有先进的增材制造中心，运行着来自Stratasys、HP、Carbon、EOS、Desktop Metal和SLM Solutions等公司的数十台工业级3D打印机。 Redford工厂利用Carbon的数字化光合成技术来生产最终用途零件，包括用于福特Focus加热、通风和冷却（HVAC）的杠杆臂维修部件，福特F-150 Raptor的辅助插头，福特野马GT500的电动驻车制动支架等等。福特密歇根州组装工厂利用五种不同的3D打印工具来构建Ranger皮卡，从而缩短其市场投放时间。福特公司在全球总共运营近100台3D打印机，引进全球30多家工厂的3D打印技术。在领投了6,500万美元的投资后，针对Desktop Metal的Studio系统和Production系统，福特公司成为后者先进金属3D打印技术的第一批引用者。此外，福特也与Stratasys和Siemens有密切合作，通过多轴挤压系统批量生产超大型零件和复合材料零件。 福特先进制造中心的增材制造技术员Scott Clark正在清洁铸造模具 06通用汽车通用汽车公司很早便开始引进增材制造技术，十多年来一直使用工业SLA和FDM技术生产零件和模具。如今，通用汽车在增材制造方面的研究主要在其位于密歇根州的Warren科技中心展开，每年可生产超过30000个零件。 2018年，通用汽车与Autodesk合作生产了一种钢制的3D打印座椅支架，该结构比标准支架轻40％，但是强度却高出20％。基于此，通用汽车预测，有多达100个零部件可通过高性价比的增材制造技术来生产。 通用汽车与Autodesk合作开发的座椅支架，比原始零件轻40％，强度高20％ 通用汽车目前正在与GKN合作，将HP Metal Jet技术用于零件批量生产，并在金属PBF工艺的工业化方面开展广泛的工作，包括与GE Additive以及意大利增材制造服务商Beam-IT的单独合作。通用汽车还通过增材制造技术为顾客提供定制化部件。通过与米其林在Uptis（无须充气的新型轮胎），双方希望基于3D打印技术生产出可完全回收的汽车轮胎。 END 增材制造技术符合汽车工业的需求，推动了汽车设计的进步。如今，3D打印技术已经发展到可以用金属和塑料材料生产最终用途部件的地步，进行批量制造已成为现实。随着3D打印技术的进步，以及汽车用户经验的积累，今后该考虑的将会是如何更好、更快速、更深入的集成和融入到汽车生产体系中。为了达到这一目的，增材制造企业，也在不断努力。 注：汽车行业增材制造白皮书已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场 2.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化 3.德国推动汽车产业金属3D打印工业化集成 增强制造业强国地位 4.新一代增材制造 : 金属3D打印批量生产全自动化试点取得全面成功

作为一种新技术和新工艺，增材制造能够实现产品的复杂设计制造。然而我们不能把它单纯作为一项制造技术来看，我们也坚决反对用这项技术去打印一个传统产品。增材制造可以实现传统工艺手段无法实现的设计，赋予了正向设计无限自由，只需要从需求和功能出发来进行产品设计，而不需要考虑制造的约束，进行颠覆式创新。对于增材制造所提供的无限创新空间，设计本身是没有规范和标准的，因此仿真便成了最重要的工具。因此，再设计是仿真技术的第一个深层次应用。 在我们憧憬增材制造带来的无限发展空间的同时，其实金属增材工艺也面临着巨大挑战。离开仿真，金属增材制造将遭遇严重瓶颈，只能封印在低层次的应用空间。本文将直面增材工艺仿真——仿真技术的第二个深层次应用。 金属增材制造面临的挑战 虽然金属增材制造增长速度近年来非常可观，但无论是直接能量沉积工艺还是粉末床融化工艺，都存在几大类挑战： 可打印的金属材料种类有限，急需开发更多金属种类以满足工业需求； 受打印速度和效率制约，不适合量产； 打印成本过高，包括机器成本、粉末成本及较高打印失败率带来的额外成本； 需要繁琐冗长的打印后处理环节； 打印件质量保证及工艺调试难度很高。 其中，质量保证是获得合格打印件至关重要的因素。金属增材制造可能出现部件变形、开裂等问题。同一部件，在加工参数、层数、材料相同的条件下，采用不同取向和位置，成品微观组织和属性就不同，譬如，垂直方向柱状晶的残余应力水平低，水平方向马氏体相残余应力水平高。 增材制造工艺仿真主要研究加工参数、粉末、几何构型等因素对于宏观变形、残余应力、部件微观内部金相组织及性能的影响。宏观控形与微观控性是金属增材工艺中两个重要考察指标：宏观控形重点关注翘曲变形、部件开裂、刮板碰撞或支撑开裂等问题；微观控性需要关注孔隙率、相变、球化、颗粒尺寸、一次和二次枝晶结构和初始位错密度等微观特性，这些将决定金属件力学性能和特性。 金属增材制造看似简单，但真实过程非常复杂。能否成功打印出一个合格的零部件，受到材料、打印机器设备、工艺设计、工艺参数和设置以及后处理等诸多因素的影响。对于一个实际金属打印件，完全凭借经验或者直观感觉，打印的成功率较低。试错方法既增加成本，又延长产品制造周期。 金属增材打印的影响因素 金属增材工艺仿真的意义 利用仿真技术提前获取打印产品的性能特性，是解决金属增材工艺质量问题的一个重要手段和方法。通过提前预测并在此基础上进行工艺优化，可降低打印失败概率，同时可较大程度地减少打印成本，不合格产品的数量和试错次数也大为降低。 虽然增材打印技术具有“无论多复杂都可制造”的特性，但相同功能的产品，采用稍微不同的设计，可打印性就能大大增强。这对于打印成功率和制造补偿都有重大影响，可能提高机器利用率，缩短产品打印周期，产品打印的可重复性和质量能够得到保证。如果微观金相组织和特性预测也能够通过仿真实现，将大大加快新材料、新机器、新工艺参数包的开发，减少研发成本和周期，获得个性化微观结构和控制材料属性将成为可能。仿真对于金属增材打印的价值汇总如下图所示。 金属增材工艺仿真的价值 金属增材工艺仿真的困难 虽然增材工艺仿真的价值巨大，但要实现难度同样巨大，主要困难包括以下几个方面： 空间离散规模庞大，时间离散步长数庞大，计算时间长 光斑尺寸之微，宏观尺寸之巨，他们之间的尺寸反差使得网格化离散的规模巨大。同时，打印件的打印时间一般比较长，小件以数小时计算，大件则以天计算，而热-固耦合仿真的时间步长需要在微秒甚至更小量级上离散。以现有的计算硬件资源，实现打印工艺的模拟难度非常大。 宏观、微观、介观并存的多尺度问题 无论是物理现象还是研究对象尺度，针对熔池内部的快速冷却凝固非平衡态的动力学研究需要采用材料微观理论来进行。如何引入介观，来将微观现象与宏观现象进行统一，则需要从多尺度的角度入手进行分析。 金属增材工艺多尺度现象 物理过程机理复杂 仅仅考虑熔池内的物理现象，增材金属打印就已经非常复杂，其中包含浸润、毛细、表面张力、马兰格尼对流、熔池动力学、相变等物理过程。其物理变化的准确机理和演变规律需在工程中利用试验来进行验证和总结，很难仅用物理控制方程完全预测和归纳。 熔池内物理机理现象 涉及因素和环节多 增材金属制造的质量不仅与金属粉末的质量和特性有关，还与增材设计的可打印性、机器设备、打印工艺和打印参数包及后处理等都关系重大。 不确定性和误差来源多 由于环节长，涉及因素多，因而不确定性和误差来源也较多。 典型金属增材工艺（SLM）的仿真 金属增材工艺除SLM、EBM、SLS和DMD外，还有衍生的工艺方法如LBW、EBW、RPD等。这里以比较流行和常用的SLM（粉末床熔化工艺）为例，来介绍金属增材工艺的仿真。 SLM金属增材制造工艺仿真是一个非常复杂的典型多尺度和多物理场分析过程。多尺度体现在从宏观到介观再到微观的尺度跨越，多物理场则需要对成型温度场、气场（保护气体）、熔体流场（熔池流体）、速度场（铺粉过程）及打印结构的固体应力和变形场等进行分析，可应用于金属增材制造成型的每个阶段。 金属增材制造过程中涉及到的多尺度和多物理场 宏观尺度的工艺过程仿真 宏观尺度的仿真分析主要是针对零件成型的工艺仿真，对成型过程中的应力应变、成型温度场以及成型过程中可能存在的风险给出预测。宏观分析的对象是打印件自身和工艺设计的支撑对象，也可能包括基板和必要的机器设备信息如激光光源。根据工艺仿真算法的不同，目前应用于宏观尺度的金属增材制造工艺仿真的方法主要有两种，即温度与结构耦合的（热弹塑性）有限元分析方法和固有应变有限元分析方法。宏观尺度工艺过程的仿真分析结果通常包括：部件和支撑的变形和残余应力（去除支撑前/去除支撑后）、逐层应力和变形、变形补偿、刮板碰撞检测、高应变区域和基于应力优化支撑等。 介观尺度的熔池和粉末分析 介观尺度的仿真分析主要是针对熔池和粉末的分析，包括熔池流动性、熔池大小形貌以及粉末的流动性、粉末传热和熔化后的蒸发、飞溅等现象，需考虑熔池内部的表面张力、毛细、浸润及马兰格尼对流等现象，目前主要有等效热耦合和CFD等方法应用于该分析。通过熔池动力学预测溶化过程及凝固过程，获取相变历程、温度历程、温度梯度历程以及凝固冷却速率。 目前应用于介观尺度的金属增材制造工艺仿真的方法主要有两种，即熔池内部不考虑粉末尺度的方法和考虑粉末影响的方法。介观尺度的仿真分析通过模拟较小尺度熔池内部的流动和传热，除了预测温度、温度梯度及冷却速率外，还可以预测表面的质量、层间的粘性力、孔隙率等。介观尺度的仿真分析一般是单道扫描对象，极少进行多道扫描，但得到的结论和结果可以修正宏观仿真结果，也可以衔接作为后续微观尺度分析的输入。 微观尺度的组织模拟 利用宏观或介观尺度分析得到的温度梯度或凝固冷却速率，微观尺度的仿真可用于预测制品的晶体组织形态、晶粒大小与取向以及缺陷和性能等。目前主要用到的重要方法包括相场法（Phase Field）、自动元胞机（Cellaur Automaton）等，不同的方法各有特点和限制。 金属增材制造过程获得的微观组织结构将直接影响成型件的性能，获得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶体组织是金属增材制造的重要目标。受金属增材制造复杂过程的影响，晶体的仿真分析也具有相当的难度。 通过宏观分析或介观分析得到的温度场或相变结果数据后，可进一步计算得到热梯度、固化速率、冷却速率和形态因子，这是微观尺度进行金相组织模拟的输入参数。 微观组织数值模拟通常包含确定性方法、概率法和相场法。确定性方法通常有前沿跟踪法，概率法则包含蒙特卡罗法和CA法。确定方法和概率方法模拟晶粒生长时都需跟踪固液界面，以此模拟枝晶的形貌，但对三维形貌模拟有一定困难。相场方法是以金兹堡-朗道理论为基础，用微分方程体现扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用，用统一的控制方程，不必区分固液相及其界面，能够直接模拟微观组织的形成。相场法和元胞自动机法是微观组织模拟仿真常用的两种数值模拟方法。 金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的关系 金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的关系如图所示。 金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系图 增材工艺仿真的其他关注方向 增材工艺仿真目前比较关注的应用还包括下面专题，细节不在此赘述： 特殊后处理（如热等静压）、热处理对宏观变形和消除残余应力影响的分析、微观模拟（如致密度提升及金相组织改善模拟）、后续机加工艺过程模拟、流内表面光滑模拟等； 宏观模拟中的支撑处理和等效模拟，包括体支撑、Cone支撑和Block面片支撑，后续更丰富的支撑也会在宏观工艺过程模拟中考虑； 微观金相组织模拟，这将直接支撑材料力学性能预测和评估。 增材工艺仿真的趋势和发展方向 在仿真技术加持下，增材制造将会突破瓶颈，充分发挥优势，实现人们所期许的巨大创新空间。但随着增材制造技术的发展，增材工艺仿真技术也将不断进步。我们认为其未来的发展趋势主要在以下几个方向： 宏观尺度的增材工艺仿真模拟将越发普及和工程化应用，增材设计、工艺和制造等全周期将逐步引入增材工艺仿真，以保证设计产品的可打印性； 材料—设备—被打印件—支撑设计和工艺设计—工艺参数包—宏观特性—微观特性—后处理—性能预测，整个过程将被流程化和平台化； 介观分析和微观分析将逐步从研究和科研阶段迈入工程化应用； 基于物理过程模拟驱动的支撑设计及优化软件将逐步面世； 利用测试数据和仿真数据，AI算法和多尺度算法将实现增材工艺的线下预测； 更多金属材料数据将被测试并录入，更多金属增材工艺方法将得到仿真。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.揭示惠普MJF技术熔融机制、墨水成分和新旧粉末特性变化 2.SLM金属3D打印装备的市场价格趋势与竞争差异分析 3.《开讲啦》超清视频：听王华明院士高屋建瓴讲述3D打印技术 4.视频：多光束增材制造航空航天大尺寸零件的质量保证 --广告--

与激光烧结工艺相比，惠普多射流熔融（MJF）算得上是一种新兴的增材制造技术，它能够使用尼龙材料生产原型和功能部件。在打印过程中，喷头会在聚合物粉末中选择性的沉积两种墨水，然后通过红外灯照射实现熔融和固结。MJF技术号称具有比其他增材制造技术快得多的打印速度和高得多的材料利用率，具有巨大的应用潜力。 然而，对于该技术的成型机制，以及粉末特性、墨水质量、打印条件等对成型零件性能影响的研究却少之又少。近日，来自意大利都灵理工大学和摩德纳大学的学者对其进行了研究，同时还比较了MJF工艺条件下PA12新旧粉末的特性变化情况。主要发现如下： •用于MJF工艺的原始PA12粉末在形态、成分和热力学行为与SLS工艺（EOS）使用的原料基本一致。循环使用之后，这些指标均发生了一些改变。 •与传统高纯度工业PA12粉末相比，MJF原料具有更宽的烧结窗口，从而为促进成型、并降低成品零件的残余应力创造了条件。 •熔合剂和细化剂均为水性乳液（water-based latex）。两者的区别仅仅是熔合剂中添加了石墨碳，其他成分均相同。石墨碳的作用是用来提高红外辐射的吸收率并将其转化为热量（同时也可以理解为什么MJF打印的零件为灰色）。 •MJF工艺打印的零件在拉伸性能方面显示为各向同性，但断裂伸长率会跟打印方向有关，XY方向明显高于Z方向。 •拉伸样条可以准确显示实际打印零件的拉伸强度，但不能准确显示断裂变形能力，实际零件的断裂性能往往被高估。 接下来，我们结合本研究以及国内南方科技大学去年的成果，来阐述EOS SLS PA12与HP MJF PA12的材料特性、旧粉热力学参数变化以及两种工艺下的机械性能。 01 MJF工艺的熔融机制 SLS和MJF两种技术在打印过程中粉末都需要预热，打印完成后也都需要将粉末快速降温。对于SLS技术来说，每一层粉末都需要整体预热到接近烧结窗口的温度时又激光由点及线完成扫描；MJF技术则是在粉末预热后通过打印头选择性的喷射熔合剂和细化剂，同时借助红外线照射实现面成型。理论上说，MJF技术比SLS的打印速率要高。在冷却阶段，MJF打印机配备了一个强制冷却系统，与SLS打印机相比，该系统可以极大缩短冷却时间。 左：喷墨和熔融成型过程整体演示；右：粉末铺设 左：喷射“熔合剂”（黑色）和“细化剂”（蓝色）；右：灯管照射，粉末熔融凝结 MJF打印机沉积的墨水分别是熔合剂和细化剂。如我们开始就给出的结论所述，熔合剂中的石墨碳有助于吸收红外辐射并使粉末熔化，而细化剂则能够抑制热量向周围传递。因此，该工艺中聚合物粉末的固化机理和成品零件性能就取决于墨水的特性以及沉积和辐照步骤的有效性。其次，该过程中使用的细化剂起到了边界轮廓的作用，未固结的粉末较少暴露在较高的温度下，再加上后处理阶段的快速冷却，材料因热循环导致的热降解程度大大降低。不过需要指出的是，细化剂在阻止热量扩散的同时，也导致了温度梯度的产生，这会给成型带来风险，并直接影响零件的质量（详见上传文件）。 02 SLS与MJF用新粉与旧粉的特性差异 研究人员对工业高纯PA12粉末、EOS和HP的新PA12粉末以及循环使用的粉末分别进行了化学分析。（据笔者了解，EOS和HP的PA12均由赢创提供，SLS粉末中添加了活化剂） EOS SLS用PA12新粉与惠普MJF用新粉末颗粒形状近似，球形度都一般而且尺寸不均匀、表面也比较粗糙，不过SLS粉末仍然要比MJF新粉稍规则。在更高倍率下观察，发现EOS的PA12粉末中有破碎的颗粒，这会导致小颗粒聚集。在粉末粒度分布方面，MJF和SLS两种粉末非常接近，前者的平均粒径为54.76μm，后者为57.24μm（粒度分布见上传文件）。 粉末微观形貌（b）EOS PA12新粉；（c）EOS PA12新粉高放大倍率（d）HP MJF PA12新粉；（e）HP MJFPA12旧粉 FTIR、XRD的测试结果显示，SLS和MJF两种新粉的测试图谱基本上完全吻合，这表明两者的成分和相组成一致。DSC测试则显示MJF的新粉比SLS的烧结窗口稍大一些，因此MJF PA12具有更好的可控性和可加工性；不过MJF PA12的结晶度比SLS PA12稍高，这使得MJF打印零件的冲击性能较低。 HP与EOS新PA12粉末FTIR分析图谱 MJF粉末、打印件与SLS粉末、打印件热性能分析（Ws为烧结窗口） 惠普回收粉与新粉相比，颗粒形状基本上变化不大，不过未经处理的粉末观察到了轻微结块，可能会影响流动性，从而影响零件性能。对MJF新旧两种粉末进行FTIR和XRD分析发现，两者的光谱均完全重叠，这意味着新粉在使用过后分子结构及晶型均保持不变。 HP MJFPA12新旧粉末FTIR分析图谱 不过，DSC测试发现MJF新旧两种粉末的多项热力学和动力学参数均发生了变化，只是变化非常微小。这也间接证明了MJF工艺中的粉末预热非常适度，熔化和固结主要依赖熔合剂而非温度的影响（普遍认为MJF的加工温度低于SLS）。不过，研究人员特意指出循环使用过的粉末熔化焓变化较为明显。关于EOS新旧粉末的对比，研究中并未给出。 HP MJFPA12新旧粉末热力学参数（下部为文献对比） 因此可以得出的结论是，SLS和MJF使用的PA12粉末基本一致，MJF用粉末烧结窗口更宽，会使得烧结过程更可控；MJF循环使用的粉末与新粉相比发生了轻微的热力学性能改变。 03 SLS与MJF零件机械性能对比 国内南方科技大学的研究人员对比了EOS SLS技术、惠普MJF技术以及采用注塑和挤出工艺制备的PA12的机械性能。发现SLS零件的性能明显优于MJF零件，SLS零件的断裂伸长率、杨氏模量、冲击韧性分别是MJF零件的2倍、1.24倍和1.3倍；MJF零件的拉伸强度为40.1Mpa，但仍低于SLS零件的43.61Mpa；除杨氏模量外，MJF和SLS零件的其他机械性能包括密度等均比挤出和注塑成型的零件要低。 SLS、MJF以及注塑和挤出工艺制备的PA12机械性能对比 对零件断面的分析发现，SLS和MJF样品的断裂表面均存在球形空隙，根据密度测试的结果显示MJF样品的孔隙率比SLS零件要高。而零件的延展性对这些内部空隙非常敏感，裂纹往往由此萌生，这应该是SLS零件具有更好机械性能的原因，而这又可能是因为激光强大的即时加热能力造成的。 与此同时，意大利的研究人员发现MJF工艺打印的零件在拉伸性能方面显示为各向同性，但断裂伸长率会跟打印方向有关，XY方向明显高于Z方向。拉伸样条可以准确显示实际打印零件的拉伸强度，但不能准确表征断裂变形能力，实际零件的断裂性能往往被高估。 标准测试零件 南科大的研究人员还对SLS与MJF技术的打印速度进行了分析。MJF在标准模式下的打印速度约为每层10s，相当于10792mm2/s；但SLS的最大打印速度仅为5m/s×0.25mm=1250mm2/s。从数据上显示，MJF的打印速度确实比SLS高很多，但如果打印的是小零件，SLS的单层持续时间比MJF零件要低，但如果两种技术都进行较大幅面的打印，MJF的整体打印速度优势会非常明显。 04 总结语 笔者认为，本篇内容指明了几个重要观点：一是惠普MJF技术使用的熔合剂和细化剂的成分区别仅在于石墨碳；二是粉末循环使用后热力学参数会发生变化；三是SLS与MJF技术所使用的粉末基本一致；四是MJF打印的零件机械性能比SLS稍低，不过并不影响工程应用；五是MJF的打印速率和材料利用率比SLS高。更为详细的内容，感兴趣的读者可以阅读本文已上传的参考文献。另，本文不恰当之处请留言指出。 注：本文参考内容论述更为详细，文本已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.惠普MJF与SLS技术谁优谁劣，该如何选择 2.EOS与惠普的批量化制造之争：LaserProFusion与MJF 3.惠普：粘结剂喷射技术用于 TPU 3D打印与SLS对比 4.MJF/SLS/FDM制造矫形鞋垫的成本分析

长期以来，市场对于金属3D打印装备最直接也最关心的莫过于其售价，然后才是设备质量、功能等关键指标，这也间接反映出金属3D打印下游应用市场对金属3D打印行业本身还缺乏深入了解与思考。我们且不讨论产业链中存在的信息壁垒与沟通障碍问题，单就国内市场对于价格的敏感程度，结合金属3D打印装备的研发成本与供应关系，来分析未来SLM金属3D打印装备的市场价格变动与未来的变化趋势。 EOS金属打印机组成 本次讨论只集中在上供粉方式单激光SLM装备标配型号（最简单的配置）价格变动趋势分析，对于其他形式的金属3D打印装备的未来发展变化暂不做讨论。 事实上，一台金属3D打印装备的市场售价不仅仅包括装备硬件，还包括研发投入均摊、运营维护、宣传推广、采购等综合成本费用，最后外加利润空间形成最终的市场终端售价。 SLM金属3D打印装备硬件成本 要想分析并判断一台/套SLM装备的市场价格走向，首先必须了解的是整套装备的硬件组成：   （1）机械模块：桁架，外观钣金，成形缸模组，铺粉模组，收粉板块，各管路，连接件，标准件等。 （2）电气模块：PLC及电气元件，传感器或监控元件，线束等。 （3）光学模块：激光器及光纤，准直镜，扫描振镜，场镜等。 （4）循环过滤模块：风机及滤芯等。 （5）软件控制模块：工控软件，数据处理及路径规划软件。 SLM solutions金属打印机 下面我们对各模块分别分析： 1、机械模块：机械模块应该是整套装备的骨架，类似与人的骨骼架构，是决定整套装备布局与外观质量的核心模块。所以，在很多拥有成熟金属3D打印装备研发体系的机构里面，优秀的机械结构设计工程师最终都会转变为另一个核心角色，即系统设计工程师，就是对整套装备的整体布局、装配质量负责。但是令人遗憾的是，该职位似乎并没有引起国内金属3D打印装备研发企业的重视。不过，随着研发的深入及体系制度的建立、健全和完善，这一职位必不可少。初期，项目经理似乎兼任了这一角色。 我们回归到硬件分析范畴讨论装备的价格趋势。机械模块的价格主要是根据机械设计时选用的材料与技术要求而定。选材方面主要涉及到的是钢材质桁架或是铝型材桁架，技术要求主要是针对机加工供应商加工质量的一种甄别。金属3D打印装备的机加工零配件的采购并不是大批量一次性采购，而只能是小批的几件或者是几十件，有的甚至只是单件采购，因此机加工供应商不会将加工的定价下探到价格极限，这也就造成了机械模块的价格浮动性空间有限，但是机加工已经是很成熟的传统金属加工领域，价格相对不高，所以机械模块选材与机加工的价格总和控制在5-8W之间。 GF+金属3D打印系统 2、电气模块：在机械设计模块无缺陷的前提下，电气模块类似于人体各部分的器官及神经系统，对于设备稳定性运行起到非常关键的作用。电气主要的构成硬件是PLC及各伺服控制元件、各类型传感器等，彼此之间的通讯经过协议信号传递并控制伺服电机运动。不同品牌的电气元件之间的通讯在遵循通用标准的基础上又有各自的标准，因此要想设备各个电气元件之间实现无缝通讯连接，最好的方式就是全部采用统一品牌，但是这样硬件成本会增加不少，因此常用方式是各个主要电气控制元件采用相同的知名品牌。如此电气模块的硬件成本控制在15-20W。3、光学模块：装备最核心的精密模块，类似于人体的眼睛。对于一般成形尺寸（300mm左右）的装备而言，目前市场上选用的大部分是IPG 500W连续光纤激光器，价格在6-10W，外加准直和聚焦系统，总体价格控制在25W左右。SLM500 四激光、四振镜系统4、循环过滤模块：这一部分主要的价格构成无外乎是机械加工部件与风机、滤芯。机械加工部件划归到机械模块硬件成本上，风机与滤芯的整体报价与采用的循环过滤等级成正比，循环过滤等级越高，系统越复杂，则整体硬件的成本相对越高，但是也不会过于高昂，整体成本控制在3-5W之间已经不低了。5、软件模块：这部分的成本存在两个极端，一是自己有软件工程师，所有软件项目全部自己编写并装机运行，成本相对较低；另一是根据自己装备特点及工艺要求向软件制作公司外协定制，后期自己维护与升级，外协定制成本非常高，均摊到每一台设备上也是一笔不小的开支。 DMG MORI软件控制模块 6、其他辅助成本：这部分成本包括了诸多智能化与自动化等功能，例如粉末自动筛分循环系统，熔池在线监测控制系统，激光输出功率在线监测系统等智能化与自动化的辅助设施。 装备质量差异很多做金属打印或者是对金属打印了解过的人似乎走进了一个误区：组装一台金属3D打印装备很简单，找几个人就可以设计出来。这句话看似说的潇洒，实则不然。专业的机械设计工程师对于结构并不复杂的金属3D打印装备但就设计而言确实不难，但是评估与验证一台装备的实用性不是设计出来就完事的，它需要同时满足外观质量、装配质量、高效与稳定性、安全性、环保性等诸多严苛的要求，另外还要满足人性化、自动化与智能化的匹配程度。因此，一台装备从开发到上市需要经历的考验与验证流程，没有亲身经历过的人很难想象究竟会是怎么一回事儿，甚至很多国内专业3D打印机构在装备开发过程中也是云里雾里，没有一套完整的产品开发流程与产品校验规则，这也造成了国内金属3D打印装备与国外装备一直存在不小差距，从根本上还是缺乏“精益”精神。 装备差异化的具体表现除了装备本身在结构设计时采用的创新设计与附加智能化或者自动化功能外，这属于“显性差异”。最大差异就是对细节的把控程度，这个很难用肉眼观测，属于“隐性差异”。隐性差异主要源自于两方面，一是装备开发人员自身的素质及对技术的要求程度，二是企业自身的企业文化要求。隐性差异对于装备开发而言可以说是企业的核心竞争力，同样功能的装备，为什么有的品牌具备实用性而有的品牌却只是套骨架？核心就在于产品的开发流程与产品校验规则，以及两者之间存在的隐性差异。 所以未来，3D打印企业在管理上具备成熟的流程与方法后，企业内的“隐性差异”一定是其未来的核心竞争力。可喜的是，国内一些设备商已经注意到了这一问题。 未来装备市场价格走向 市场价格一定是受供求关系影响的，从金属3D打印与下游终端应用市场供求分析，目前金属3D打印市场发展趋势是装备需求依然在增长，但是需求比较强烈的是大尺寸装备（400mm以上），一般尺寸（300mm左右）装备增势变缓，说明金属3D打印装备的发展趋势倾向于大尺寸化，一般尺寸（300mm左右）装备趋近于亚饱和状态。而定制化产品的市场需求则增势明显，尤其是面向高性能的大尺寸定制化产品需求愈加强烈。 从上游供应商与金属3D打印方面分析，首先需要明确的是金属3D打印属于新兴产业，相对于传统行业而言，规模依然较小，再结合金属3D打印自身的行业特点，其面向的不是成规模大批量量产的市场需求，因此也就导致了金属3D打印装备数量的限制性，而上游供应商不会因有限数量的装备而大幅度降低供应价格。 金属3D打印工厂 目前终端应用市场的表现，我们可以得出一个大致的发展趋势：大尺寸装备（400mm以上）的市场价格依然处于高位，存在大幅下探的空间。而一般尺寸（不大于300mm）的装备，国内市场竞争激烈，甚至趋近于白热化，价格下探空间已经见底或即将触及底部，不会再有大的波动。 这里需要指出的是，目前国内的金属3D打印装备其核心配件如激光器、振镜等严重依赖国外品牌，这也导致了价格大幅下降的可能性不大。国产配件堪当大用的时候，金属3D打印装备价格还会继续走低，届时，国外品牌装备价格也会下降。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场 2.基于粉末床激光熔融技术实现多金属混合3D打印 3.多光束下的3D打印系统（二）：激光对齐校准将严重影响大尺寸零件的打印质量 4.西空智造推出国产金属3D打印在线监控系统