增材制造系统生产商的数量在 2018 年增长了 31%。
增材制造的增长体现在系统和材料的生产、零件制造即服务以及发展用于在 AM 环境中进行设计的特殊软件。增材制造 (AM)（通常称为 3D 打印）的世界正在迅速变化。该技术使公司能够更快地制造产品，具有更大的变化，并且通常具有全新的形式和功能。过去，AM 一直受到过分乐观的头条新闻的困扰，这些头条新闻往往会导致不切实际的期望。增材制造无疑正在改变制造业场景，但其方式比某些人预期的更具有机性和战略性。
有一点是肯定的：工业增材制造系统生产商的整体增长并未放缓。这爷ar，Wohlers Associates 追踪了 177 家工业 AM 系统生产商的开发情况，这些系统的售价在 5,000 美元或以上。这比去年报告的 135 个增加了 31%。然而，值得注意的是，桌面 3D 打印机（价格低于 5,000 美元的增材制造机器）的增长在 2018 年大幅放缓。市场炒作可能促成了桌面系统从 2013 年到 2016 年的快速增长，但它们现在也在许多领域找到了自己的位置
持续投资
世界各地的投资者、企业高管和其他人都在嗅到增材制造行业盈利的迹象。在系统和材料的生产、零件制造即服务以及用于在 AM 环境中进行设计的特殊软件的开发中都可以看到增长。所有这些领域都提供了获得有吸引力的投资回报的成熟机会。
投资的方式有很多种。各种规模的公司都被直接收购。 LPW，专业人士2018 年 10 月，Carpenter Technology Corp. 以 8100 万美元的价格收购了金属增材制造粉末的生产商。次月，PTC 以 7000 万美元的价格收购了总部位于科罗拉多州的 Frustum，为其产品套件添加了拓扑优化软件。
范围广泛的初创公司继续获得风险投资。例如，AM 系统制造商 Velo3D 在过去四年中已获得 9000 万美元用于开发其金属 AM 技术。 2019 年 1 月，Desktop Metal 完成了 1.6 亿美元的 E 轮投资，使公司自 2015 年成立以来的总投资额达到 4.38 亿美元。2019 年 3 月，AM 机器制造商 Markforged 宣布投资 8200 万美元。
制造业的增长通常需要更多的占地面积，增材制造也不例外。 2019 年 1 月，Tekna 宣布将投资 500 万欧元在法国梅肯新建金属粉末生产设施。新设施将生产多达 500 吨金属每年增材制造粉末，几乎使公司的增材制造材料产量翻了一番。几周前，Materials Solutions 为在英国投资 3000 万欧元的新工厂剪彩。西门子于 2016 年收购了该公司。
2018 年增材制造金属收入增长 41.9%（百万美元）。 （来源：Wohlers Report 2019）
增材制造材料也出现了显着的投资和增长。许多增材制造应用需要特殊材料，第三方材料生产商纷纷加入，希望在不断扩大的市场中分得一杯羹。 2019 年 2 月，加拿大的 Equispheres 为其金属增材制造粉末生产筹集了 800 万加元。 1 月，增材制造聚合物生产商 Essentium of California 获得了 BASF Ventures 的 2200 万美元投资。对初创公司、设施和新技术的投资预计将在未来几年增加
在航空航天中的采用
增材制造为必须轻量化的复杂、高价值部件提供了巨大优势。它们非常适合航空航天业的需求。通常由铝、钛或超级合金制成，航空航天零件每削掉一盎司，就可以节省材料和燃料方面的资金。在过去的几年中，空中客车公司展示了其飞机的数十种新设计。作为认证过程的一部分，其中一些部件已经进行了试飞。该公司的第一个金属增材制造零件是 A400 运输机的燃油管弯头，于 2016 年投入批量生产。
波音在生产最终用途增材制造零件方面也取得了长足进步。该公司已进行战略投资，以提高打印一致性、零件再现性和飞行认证。波音公司展示了几种旨在减少材料和重量的金属 AM 部件。截至 2019 年 2 月，美国联邦航空管理局 (FAA) 已经认证了超过六种金属材料飞行艺术。目前，全世界有数以万计的增材制造零件（主要是聚合物）在飞机上飞行。
增材制造设计
AM 被许多人称为颠覆性技术。增材制造的主要颠覆性不在于它取代了其他制造工艺，而在于它如何影响新设计的形式和功能。例如，使用 AM 生产 100,000 个原本可以冲压的铝制零件既不谨慎也不经济。要利用 AM 的许多强大优势并使其具有成本效益，有必要应用增材制造设计 (DfAM) 方法。
以数字方式将多个零件整合为一个，然后进行打印整体整合是传统制造无法做到的。这是公司的一种方式通过显着降低制造运营、库存、劳动力和认证成本，可以使 AM 具有成本效益。材料浪费和重量的减少可以进一步增加增材制造零件的价值，有时甚至会显着增加。
DfAM 培训并非放之四海而皆准。例如，成为材料挤出（又名熔融沉积建模或 FDM）设计生产质量部件的专家与聚合物粉末床融合 (PBF) 设计完全不同。培训和经验在时间和金钱上都是昂贵的，而且该领域的 DfAM 专家很难找到。由于低估了 AM 的需求，许多公司对 DfAM 的需求减缓了 AM 的采用。许多人完全没有意识到这种需要。随着时间的推移，问题将得到解决，但这可能需要数年时间。
DfAM 流程的改进不仅来自教育、培训和大量实践，还来自流程中使用的工具. CAD、拓扑优化和生成创造性设计软件的改进创造了新的设计可能性。这些工具使设计人员能够突破产品概念和创新解决方案的极限。例如，布加迪使用 DfAM 工具通过增材制造生产钛制制动钳。为 AM 完全重新设计的卡钳与传统生产的铝制版本相比，重量减轻了 40%。该公司声称制动钳是业内同类产品中最大的。
各种款式的定制剃须刀。 （由吉列提供）与此同时，吉列已将 DfAM 用于独特的消费产品应用：定制剃须刀手柄。客户从一组设计和材料中进行选择，并使用 Gillette 的 Razor Maker 网站输入自定义文本。手柄在 Formlabs 的机器上打印，并在我们的三到四小时内交付给客户呃。这些剃须刀等定制产品在竞争激烈的市场中脱颖而出。
DfAM 既受增材制造流程本身的驱动，也受设计要求的驱动。如果换热器上需要更薄的翅片，但无法使用当前的 AM 机器技术轻松生产，那么人们可能会放弃这个想法。 United Technologies Corp. 在开展一项研究项目时遇到了这个问题，该项目的重点是改进用于热交换器设计和生产的金属 PBF 工艺。在大约五年的时间里，该团队确定，不仅特定的设计原则对热交换器的生产至关重要，而且通常需要定制增材制造机器构建参数才能实现所需的内部通道和表面。
改进增材制造流程和软件会对设计产生影响。一个例子是在金属 PBF 工艺中需要支撑结构，也称为锚。悬垂特征通常需要支撑材料 of 与水平面的夹角小于 45°。支撑材料会增加构建时间、材料成本和昂贵的后处理步骤。孔和通道等内部特征可以完全受限，从而无法从这些区域移除支撑材料。
热交换器部分用金属印刷，没有内部支撑材料。 （由 Velo3D 提供）Velo3D 声称其特殊的软件和硬件可实现小于 10° 的悬伸。如果其系统被证明可靠且具有成本竞争力，它可能会改变 DfAM 的规则并拓宽可能性范围。
增加选择
与近年来一样，AM 中的企业家精神系统厂商实力雄厚。公司在世界各地涌现，提供多种类型的增材制造产品。提供全新方法的公司增材制造正在发展，但随着行业的成熟，数量会越来越少。大多数公司都提供现有产品的变体，但成本较低，有时还具有新的和有趣的功能。
此外，许多系统使用开放式架构，这意味着客户可以使用价格具有竞争力的第三方机器中的派对材料。越来越多的供应商正在提供增材制造材料，并定期发布新的金属合金、聚合物和复合材料。与几年前相比，这是一个可喜的变化，当时只有少数几个选项可用。
新金属 AM 系统的生产商正在使用过期的专利，并以此为基础创造可能更好的解决方案。澳大利亚的 SPEE3D 和 Titomic 正在应用以前用于金属涂层的冷喷涂工艺来开发增材制造系统。冷喷涂技术可快速制造具有良好材料性能的近净形零件。
Markforged 在复合材料领域取得了进展th 它的双头材料挤出系统。这些机器生产复合材料部件，例如碳纤维填充尼龙，具有良好的强度和刚度。该系统已在功能原型、最终用途部件和工具的产品开发团队中流行起来。
通过粘合剂喷射制成的金属部件。 （由 Sculpteo 提供）新系统开发人员的一个显着趋势是引入金属粘合剂喷射 (BJ) 系统。 Desktop Metal 已交付其 Production System，惠普正在开发其 Metal Jet 系统。两者均基于 BJ 技术。 Stratasys 宣布了一种称为分层粉末冶金的工艺，它类似于 BJ，但增加了粉末压实步骤。这些机器正在开发中，但基本的 BJ 工艺已经使用了很长时间。 ExOne、Voxeljet 和 Digital Metal 及其客户拥有多年来，我们一直使用 BJ 系统生产金属零件。
这些系统的一个优势是可以选择使用标准金属粉末，例如用于金属注射成型的那些。 BJ 系统在打印步骤中通常也比 PBF 系统快。材料和速度为以更低的成本生产更多种类的零件提供了机会。使用 BJ，可以生产“绿色”部件，然后采用类似于传统冶金工艺的脱脂和烧结工艺。 Metal BJ 不会很快接管整个金属增材制造市场，但它确实为某些类型的零件提供了成本优势，例如大批量生产的相对较小的零件。 BJ 系统有望渗透到汽车市场，由于成本原因，汽车市场采用金属 PBF 的速度一直很慢。
生产应用
定制3D打印鞋垫（由Wiivv提供）许多创新增材制造使创新产品成为可能。其中包括由 Wiivv 和 Dr. Scholl’s 创建的定制矫形器插入物。两家公司合作将简单的手机扫描应用程序与聚合物 PBF 技术相结合，在数周内为客户提供定制鞋垫和凉鞋。这种易于使用的定制产品非常适合 AM 的灵活生产能力。
Riddell 宣布已与 Carbon 合作，为 NFL 生产定制橄榄球头盔内衬。通过数千次冲击测试和模拟，Riddell 对由 140,000 多个吸收冲击的聚合物桁架组成的衬垫进行了建模。这代表了通过 AM 技术减少头部受伤的新机会。在最近的 NFL 赛季结束后，据透露，部分职业球员使用了其中一种创新设计。
在赛车运动中，一级方程式赛车以每辆赛车的研发投入而闻名。在运动、空气动力学和轻量化方面是保持竞争力的关键，而这正是增材制造可以提供帮助的地方。采用 DfAM 技术，Sauber Alpha Romeo 团队与 Additive Industries 合作，在其汽车中部署金属 AM 零件。赛车运动行业使用增材制造已有 20 年，但主要用于原型制作和风洞测试。 Sauber 团队现在展示了使用 DfAM 和金属 AM 制造部件以减轻车架重量的竞争优势。
建筑行业的 3D 打印受到了很多媒体的关注。一些努力显示出对小众应用的希望，但大多数被认为成本太高。为了使其具有价值，建筑师需要应用 DfAM 的方法，类似于一些工程师将它们应用于飞机和其他产品部件的方式。
进入这些应用程序的一个障碍是监管建筑行业，这需要对材料和工艺进行彻底的安全测试和认证。美国海军陆战队和美国.S.陆军联手测试用于在战斗环境中建造桥梁和其他结构的混凝土增材制造机器。由于军方在快速需要结构时所面临的条件，并且成本不是问题，因此该应用程序显示出前景。
增长和采用之路
换热器由 AM 制造，具有优化的共形通道。 （由 United Technologies Corp. 提供）如果应用得当，增材制造是一项非凡的技术，无数应用实例和商业机会都证明了这一点。每个示例都是那些将 AM 视为塑造设计和制造未来的因素的人们投入大量时间和金钱的产物。许多例子涉及许多“艰难的方式”中学到的教训。错误的尝试往往是由“神奇”技术快速成功的承诺助长的y.
事实是增材制造只是众多工具中的一种，与大多数工具一样，技能和经验是有效使用其的关键。那些进入该领域的人越来越意识到 AM 流程的能力和局限性、DfAM 原则以及如何发现完美契合的产品创意。凭借过去和现在的适当基础，AM 的支持者无疑处于构建我们未来的最佳位置，一次一层。
本文包含最近发布的 2019 年 Wohlers 报告的要点，该报告是每年由位于科罗拉多州柯林斯堡的 Wohlers Associates Inc. 制作。有关 2019 年 Wohlers 报告的信息，请访问 wohlersassociates.com。
