實用型3D金屬打印機
入選理由:新型設備首次讓3D打印金屬零部件成為實用型技術
技術突破:3D金屬打印機實現了低成本快速金屬物體打印
重大意義:按需打印大型複雜金屬物體的能力將為製造業帶來變革
主要研究者:Markforged、Desktop Metal、GE等
成熟期:現在
雖然 3D 打印技術已經存在了幾十年,但它之前仍然局限在業餘愛好者和設計師的小圈子內,只是用來製造一次性原型。而且,之前的 3D 打印技術使用任何非塑料材料(尤其是金屬)時,成本非常昂貴,速度也慢得讓人無法接受。
不過現在,隨著成本越來越低,使用也越來越簡單,這項技術有望成為可用於零部件生產的實用技術。如果它被廣泛應用,將有可能改變我們大規模量產產品的方式。
短期來看,有了這項技術後,製造商們將不再需要維持大量的庫存,他們可以按需地打印一個部件。比如說,當顧客需要給舊車替換一個零部件的時候,就可以立即提供給他。長期來看,那些大規模生產某一特定零部件的大工廠將會被產品線豐富的小工坊所取代。
這些小工坊將能按照顧客的需求隨時打印出各種各樣的零部件。這項技術的優勢在於它可以生產出更輕、更堅固的金屬零部件,以及用傳統金屬加工方法無法製造出來的複雜形狀的零部件。它甚至還可以在製造過程中精確調控金屬的微觀結構。
2017年,來自勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)的研究人員宣布他們研發出了一種3D 打印不銹鋼零部件的方法,通過這種方法生產出來的零部件的強度是通過傳統方法生產出來的兩倍。
同樣在 2017年,位於波士頓附近的 3D 打印初創公司 Markforged 發布了第一台價格在 10 萬美元以下的 3D 金屬打印機。
而另一家位於波士頓地區的 3D 打印初創公司 Desktop Metal 也在 2017 年 12 月開始交付他們的第一台 3D 金屬原型打印機。該公司還計劃推出體積更大的、用於工業製造的打印機,它們的速度將會比之前的 3D 金屬打印機快 100 倍。
3D 金屬打印的操作如今也變得越來越容易。 Desktop Metal 公司現在推出了一款用於 3D 金屬打印的軟件。使用者只要在軟件中輸入他們所要打印的物體規格,軟件就會生成一個適用於 3D 打印的計算機模型。
GE 公司長期以來一直將 3D 打印技術用於它的航空產品生產中。早在 2013 年“十大突破性技術”中就曾提到“增材製造”(Additive Manufacturing)。該公司現在也正在測試一款新型 3D 金屬打印機,該打印機打印速度很快,可用於大型零部件的生產。而 GE 計劃在 2018 年開始銷售該 3D 金屬打印機。
專業解讀
台灣工研院雷射中心副主任洪基彬:
我認為,目前全球該領域的主要玩家還有:德國 EOS、德國 SLM Solutions、葡萄牙 Adira、西安鉑力特。
3D 打印在2012、2013 年受到媒體熱烈矚目,在外界看來後續的發展雖從火熱回歸平實,但技術的演進並未停止,特別是有機會能改變傳統製造業生產方式的3D 金屬打印,潛力更大。
根據美國材料試驗學會旗下F42 技術委員會訂定的相關標準,將增材製造,也就是俗稱的3D 打印,分為七大類技術方法,目前應用在“金屬”的打印主要有四種技術,分別為金屬粉床熔化(PBF,Powder BedFusion)、雷射金屬沉積(LMD,Laser Metal Deposition)、黏著劑噴塗成型(Binder Jetting),以及分層實體製造(LOM,Laminated Object Manufacturing)。
在上述的技術中,現階段最被看好且應用最多的是金屬粉床熔化,在列印時披上一層粉末,再透過雷射進行燒熔出想要的形狀,兩點重要的原因:可以製作出各種複雜形狀的產品,以及如果金屬粉末控制得宜,就能做出精緻度很好的產品。
舉例來說,25 微米(Micrometer)的金屬粉末顆粒就能打印出表面細緻度是25 微米的產品,如果把金屬粉末顆粒縮小至2~5 微米,就可達到表面細緻度就是2~5 微米,就會比傳統CNC 製程做出的更漂亮,但前提是金屬粉末必須控制得宜。
目前 3D 金屬打印的趨勢有三,分別是大尺寸、精緻化、自動化。在3D打印最專業的展覽、於德國法蘭克福舉辦的Formnext 2017上,GE展出可打印出尺寸可達1米*1米*0.3米的航空零部件,並強調未來可以提高到1米*1米*1米。
另外,在自動化部分,GE 也以燃油噴嘴尖端(powerfuel nozzle tip)為例,透過3D 金屬打印,製造工期可由15~18 個月縮為3~5 個月,而且此噴射引擎的零件可由20件整成1 件。 3D 金屬打印也可與機器手臂、工業 4.0 概念結合,提升製造業的自動化程度。
主要積極研究 3D 金屬打印的應用行業,包括航太、醫材以及頂級跑車,主要是高價、客制化需求高。而未來的發展又是如何?從Formnext 2017 上業者展出的不少設備都已量產,或是朝量產的方向走去,顯示金屬3D 打印的商業運轉已經可行,但相較於傳統的鑄造或鍛造工法,3D 金屬打印還有幾個阻礙,一是機器設備以及金屬粉末的成本都仍偏高,二是儘管目前3D 金屬打印已經來到了四支雷射噴頭可同時工作,但以用戶的角度來看,速度還是慢。