年终盘点:2020年3D打印10大应用、研究和重要事件 

由 3D打印技术参考 发布于 2020-12-15 15:30 

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编者按:本文来自微信公众号“3D打印技术参考”(ID:AMReference),3D打印资源库经授权发布。

本文概述了2020年以来3D打印市场范围内比较重要的5项技术突破和应用,以及5项重要的市场事件。相比去年而言,引人关注的新技术较少,但关键应用增多;此外,几项重大市场行为引起业内广泛关注,在突出显示技术应用深化的同时,市场格局也在悄然发生变化。

1. 陶瓷烧结只需10秒钟,速度提升1000倍


传统的陶瓷烧结通常需要借助昂贵的商业设备处理数小时时间。为了克服这一挑战,美国马里兰大学的研究人员发明了一种超快的高温烧结方法,既可以满足现代陶瓷的需求,又可以促进新材料创新的发现。在这项发明中,将压制的陶瓷前体粉末生坯夹在两根碳条之间,该碳条通过辐射和传导(以103-104°C/min)快速加热,能够在不到10秒的时间内达到高达3000°C的高温环境,陶瓷粉末被迫快速凝固,比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。
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快速烧结原理

研究人员指出,新工艺可防止由于烧结时间短而引起的挥发和不良扩散问题,可广泛、快速地烧结各种陶瓷和金属材料,包括3D打印的陶瓷和金属生坯。将烧结时间从数十小时减少到几分甚至几秒钟,将为陶瓷3D打印的发展,带来极大推动。同时,这或许对太空陶瓷和金属3D打印带来新的机会。

2. 中美成功验证多种太空3D打印技术


2020年5月,新一代载人飞船实验船在轨飞行的2天零19小时内,以航天五院为代表的团队完成了多项空间科学实验和技术试验,其中包括多种3D打印技术的太空在轨验证。其中,中科院空间应用中心研究团队研制的“在轨精细成型实验装置”,成功克服太空失重环境导致的打印材料流变行为,创新采用立体光刻3D打印技术对金属/陶瓷复合材料进行了微米级精度的在轨制造,为我国未来在轨制造零件提供了技术储备。
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新飞船试验任务成功在轨制造的8件陶瓷样品

由529厂—西交大团队共同研制的“连续纤维增强复合材料太空3D打印装备”实现了国际首次连续纤维增强复合材料太空环境增材制造技术。连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料,密度低、强度高,开展复合材料空间3D打印技术研究,对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造具有重要意义。

12月初,美国Redwire也成功在太空在轨打印陶瓷零件。

3. 超多激光、超大型金属3D打印时代到来

突破了持续许久的四激光限制,2020年当属超多激光金属3D打印时代到来的元年。

10月20日,Velo3D推出新一代具有“超大容量”的Sapphire XC 3D打印机,φ600*550mm的构建体积配备了八台1000W的激光器,是市面上第一款商用化的超多激光金属3D打印机。

11月10日,SLM Solutions正式发布其下一代12激光金属3D打印机,使打印速率提高到1000cc/h及以上成为现实。12激光系统的推出不仅对于增材制造业来说是一个颠覆性的突破,对于整个制造业来说也是一个重大的进步。
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多激光金属3D打印机的基本特点

同月,3D Systems公布了其为美国陆军正在开发的开发“世界上最大、最快、最精确的金属3D打印机”的更多细节,该系统配备9台激光器,成型尺寸达到1*1*0.6m。

除此之外,弗劳恩霍夫研究所开发的5激光器原型机成型尺寸为1*0.8*0.5m,Additive Industries明年将推出10激光金属3D打印机建造尺寸为0.6*0.6 *1m。

4.国内大型金属和非金属构件实现关键航空航天应用


2020年5月8日,由中国航天科技集团空间技术研究院抓总研制的我国新一代载人飞船试验船返回舱,在东风着陆场预定区域成功着陆!此次试验船飞行任务的圆满成功,实现了我国超大尺寸整体钛框架3D打印制造的首次航天应用。

载人飞船返回舱防热大底框架结构是气动力热作用下最主要的承力部件,由航天五院总体部主导研制的直径达4米的超大尺寸整体钛框架全部采用鑫精合公司的3D打印工艺制造,成功实现了减轻重量、缩短周期、降低成本的目标。新一代载人飞船试验船的成功返回标志着我国超大尺寸关键结构件整体3D打印技术通过大考。
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新一代载人飞船试验船返回舱及采用激光沉积3D打印制造的返回舱防热大底框架实物

2020年7月23日,长征五号运载火箭搭载“天问一号”火星探测器成功点火起飞。这是长征五号运载火箭首次执行应用性发射,运载火箭上的一个重要部件——级间解锁装置保护板,由中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所通过采用华曙高科连续增材制造系统HT1001P解决方案加工而成。
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级间解锁装置保护板

级间解锁装置保护板直径达5米,单批次加工件数较少,加工频次较低,如采用传统注塑方式需要使用模具,模具成本高,且模具的保存成本也较高。而采用3D打印技术,则无需开模、一体成型。研制单位将保护板拆分成50件分别打印,每个部件尺寸约为370mm*100mm*125mm,最后将零件拼接而成,耗时仅48小时。该部件的成功应用,实现了国产新型大幅面增材制造装备的应用验证。

5.3D打印为欧美对抗疫情发挥重要作用

自欧美爆发疫情以来,3D打印为这些地区快速提供物资发挥了巨大作用,多家3D打印公司将本公司的技术用于用于医疗领域。

Carbon每周生产的鼻咽拭子和防护面罩分别超过100万支和18000个;Formlabs则使用250多台内部3D打印机,每天生产多达15万支检测拭子,Markforged的生产规模也扩大到了每天10万只;英国的Photocentric公司则采用光固化技术进行呼吸器兼容阀门的打印,每周的生产量达到4万个。除此之外,巴黎医院紧急安装了60台Stratasys F123打印机,生产各种用于救援工作的产品,包括面罩、口罩、电动注射泵、插管设备以及呼吸阀等。
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3D打印批量制造鼻咽拭子

面对疫情,3D打印快速制造的优势解决了一些国家产品供应短缺的问题,这些例子说明在紧急情况下3D打印可以快速反应。

6.投资超1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业

6月,总投资超过1500万欧元的宝马增材制造中心正式开业。该中心汇集了宝马集团迄今为止所有关于该技术的专业知识,囊括了当今市场范围内几乎所有最为先进的3D打印装备和最广泛的技术门类。此举将加强宝马创新先锋的地位,保持其在汽车增材制造领域的发展。
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宝马新增材制造中心内景

据统计,宝马集团使用3D打印超过27年,已经生产了数百万个零件,成为3D打印领域的深度玩家。宝马集团力图在单个组件、小批量生产及大规模生产零部件的多个领域,都能够提供最佳的技术和生产工艺链条。高大上的3D打印制造、未来数字化生产的新方向成为宝马集团生产系统中非常重要的组成部分,在大批量生产方面拥有巨大潜力。

7.飞而康规划50台华曙金属3D打印机,欲打造一流增材制造超级工厂

近年,国内航空航天事业迅猛发展,增材制造的应用不断深化,而专注于航空航天增材制造服务的飞而康因此也迎来了历史上难得的发展机遇。2019年,飞而康与华曙高科达成战略合作,双方致力于航空航天最新设备研制和飞而康材料及工艺研发,打造基于华曙高科金属解决方案的“飞而康金属增材制造产业化超级车间”。车间列装华曙高科超大型、大型、中型金属设备,已支持多项国家重点型号工程的研制,涉及数十个航空航天器型号任务。

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飞而康增材制造车间局部

为满足快速增加的订单需求,飞而康进一步扩充车间产能。今年5月,飞而康发布消息,将规划产能再翻四倍,将华曙高科金属设备的列装数量将会扩充至50台,届时车间的加工能力将跃上一个新的台阶,成为名副其实的增材制造超级车间。10月初,飞而康已经收到第20套金属3D打印系统,其中19套是大幅面的 FS621M和FS421M系统,飞而康将继续打造其超级增材制造工厂。

8. 铂力特中标4600万元金属3D打印项目,产业化应用加深加快

据中化商务电子招投标平台11月消息,西安铂力特中标北京动力机械研究所3300万元高尺寸、大幅面激光选区熔化成形设备和1300万元中小规格激光选区熔化成形设备项目。招标人隶属中国航天科工集团第三研究院,具有明显的航空航天背景。如此大金额购买相关设备,定是基于明确的应用需求以及对设备质量的绝对信心,而这种信心也定是来源于长时间的验证。

铂力特2020年推出了多款金属3D打印机。据官方介绍,铂力特于3月发布BLT-S450,可满足我国大推力重型运载液体火箭发动机关键部件大尺寸、复杂曲面精密结构成形要求,为航天液体动力领域高质量发展赋能;6月发布BLT-S600,突破了四光束联动扫描与拼接等关键技术,成形尺寸、成形精度处于国际先进水平;8月发布BLT-S510,首次在全球实现单向1000毫米级大尺寸金属3D打印,填补了国内外空白,达到国际先进水平。

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BLT-S600市场价格1000万以上

除中国供应商获得较大订单之外,无支撑金属3D打印的领导者VELO3D,于今年6月宣布获得航空航天客户2000万美元的订单,这也是迄今为止该公司获得的最大订单。通过这三项市场行为,3D打印技术参考认为,航空航天领域对3D打印技术的应用正在进入快速发展时期。

9. Stratasys 1亿美元收购可编程光固化创业公司,完善聚合物3D打印体系

Stratasys公司以FDM技术起家,其基于该技术的工业级3D打印机在各行各业广泛使用, 在该市场具有领导地位。2012年,Stratasys与以色列Objet公司合并,从而将Polyjet技术收入囊中,基于该技术的彩色3D打印机具有业内最高的精度和最优秀的表面质量,继续奠定了其在业内的领导者地位。2014年,Stratasys 4亿美元收购MakerBot,弥补了其在大众消费级市场的短板。

然而,随着3D打印独角兽企业Carbon的崛起,CLIP、HARP等高速光固化制造技术受到广泛关注,并日益显示出批量制造的优势。本月,Stratasys宣布将以1亿美元(约合6.5亿人民币)的现金加股票,收购基于光固化3D打印技术来大规模生产零件的美国初创公司Origin,希望步入光固化树脂3D打印批量化生产的大潮流中。Origin凭借专有的高速P³技术,可以使3D打印尽可能的实现自动化和可扩展,同时提供针对速度和批处理进行了优化的打印技术和材料,以可预测的和具有竞争力的成本扩大规模。此次收购预计将于2021年1月完成,届时 Stratasys将 巩固其在聚合物和3D打印生产应用领域的领导地位。

10. 国际巨头2020营收喜忧参半,伴随大幅裁员

2020年上半年,3D Systems总收入2.468亿美元,与2019年上半年的3.093亿美元相比下降20%。即便第三季度有所好转,但前九个月营收仍比去年同期降低17.8%至3.81亿美元。在此情况下,3D Systems于二季度开始减少其运营及研发费用,并开始重组计划,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将会被剥离。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计划裁员20%,希望明年实现盈利。截至目前,公司"战略再聚焦 "和削减成本的努力正在取得成效。

Stratasys在今年6月宣布,为减少疫情影响,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在今年前九个月收入3.94亿美元,相比去年同期降低14%,公司业务自第三季度开始改善,自二季度为通用汽车安装了17台FDM打印机后,8月份又获得了公司有史以来最大的航空订单——为AM Craft安装4台F900系统。

巨头公司Materialise的收入增长情况与3D Systems和Stratasys类似,而SLM Solutions在今年前九个月的总收入则呈现出持续增长的态势,同比比去年增长37%,尤其在其他公司开始裁员、削减开支的第二季度,该公司却逆势增长90%,成为上半年欧美增材制造行业的唯一亮点。SLM Solutions自去年5月开始进行企业重组,此后逐步向盈利方向迈进。

在其他公司方面,Voxeljet在第三季度恢复增长10%,Exone的系统销售额也翻了一番。国内方面,铂力特财报显示前三季度收入1.3 亿元,同比下降25%,净利润亏损0.13亿元。受下游航空航天订单确认周期的季节性影响,预计业绩将集中于四季度释放(如关键点8)。而华曙高科则透露,其在2020年前三季度收入相比去年翻番,其强劲的收入增长来源于2019年的大量订单积压以及在2020年获得的几笔大合同,对于具体金额,该公司并未透露。

END

总体来说,在最新3D打印技术的研发进展方面,2020年并没有太多可圈可点之处,即便3D打印技术参考搜遍了nature和science论文,研究也多聚焦于非常细小的应用领域,对技术的整体发展贡献不多。另一方面,3D打印技术在航空航天应用方面则表现突出。最后,由于受到疫情的持续影响,国际范围内的头部企业受到了重创,而国内则依赖强大的内需,获得较为良性的发展。

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