浅谈金属材料的3D打印制造技术 - 兰溪市创进金属有限公司
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    浅谈金属材料的3D打印制造技术
    发布日期:2014/1/18 点击量:

     一般而言,激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面,融化金属粉末,形成液态的熔池,然后移动激光束,熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。

    金属材料的3D打印制造技术之所以难度大,是因为金属的熔点比较高,涉及到了金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括,生成的晶体组织是否良好、整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等。另外,快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力。为了解决这些问题,一般需要在多种制造参数配合,例如激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。
    在所有金属合金中,钛合金尤其受到重视。因为钛合金密度低、强度高、耐腐蚀、熔点高,所以是理想的航天航空材料。但是由于钛合金硬而且脆,所以不宜用切割和铸造的方式来成型。反而是由于它导热率低,在加热时热量不会发散引起局部变形,比较适合利用激光快速成型技术。最后,钛合金材料价格高,利用3D打印技术能够在减轻飞行器重量的同时节省原材料的成本。
    图表1:激光快速成型技术制作金属零件
    图表2:快速加热和冷却导致了试件内的残余应力
    图表3:钛合金、不锈钢和铝合金的性能对比
    针对金属材料的3D打印,历史上在不同的研究所里演化出了很多种不同的技术种类,但是基本的原理可以说大同小异。这些技术大多开始于90年代中期,晚于以树脂和塑料为原料的FDM、SLA和SLS等技术。我国差不多也在同期开始了此方向的研究。
    激光成型的零件在静态力学性能上不比锻压的差,但由于加工时间很长,外界扰动会造成宏观结构上不均一,疲劳性能上还存在差距。
    图表4:激光快速成型技术制作金属零件的技术
    图表5:世界各地的金属3D打印公司
    3DSystems作为世界上市值最大的3D打印公司,有sPro?125/250DirectMetal两款金属材料打印机产品,使用的是用激光烧结金属粉末层的技术,最大的加工尺寸为250×250×320mm,可用的材料包括不锈钢、钛、钴铬合金及工具钢等。在40余种的产品型号中,直接金属制造的打印机产品仍属少数。
    3DSystems在今年7月份以1500万美元收购了法国的PhenixSystems(EPA:ALPHX)81%的股份。这家公司2000年成立,所提供的3款3D打印设备的技术路线也是通过激光来烧结层层铺叠的金属粉末,最大零件尺寸250×250×300mm。金属粉末利用自己公司的专利技术生产,包括不锈钢、非铁合金和贵金属等,同时也可以使用SINT-TECH公司提供的马氏体钢和铬钴合金粉末。除了机械零部件外,所制造的设备还可应用于生产无镍钴铬的假牙。2012年收入380万欧元,其中在法国收入149万欧元,法国以外收入231万欧元,营业利润为亏损202万欧元。
    图表6:PhenixSystems设备的技术流程
    ArcamAB是一家瑞典企业,于1997年成立,在NASDAQOMX斯德哥尔摩上市(STO:ARCM),在美国、意大利、中国和英国设有办公室。与其他公司不同,该公司采用的是电子束快速成型技术而非激光快速成型。与激光相比,电子束的能量更大,因此融化金属粉末的速度更快;对于表面反光的零件,电子束更有优势;另外,电子束的能量转换效率高,更节省能源。总体而言,制造出的零件质量更高。但是,电子束的缺点在于需要在真空环境中使用,比起激光所需要的惰性气体保护,要求更为复杂;电子束枪的使用没有激光器方便。
    ArcamAB公司的2款打印机产品主要针对的是航天工业和外科整形市场,能制作的最大零件尺寸为200×200×180mm,同时提供多种型号的钛合金粉末和钴铬合金粉末。在外科整形市场上,ArcamAB公司自2007年以来,在全球已提供了3万件以上的植入物。
    今年上半年公司实现收入9210万瑞典克朗(约合1414万美元),同比增长80%。净利润760万瑞典克朗(约合117万美元)。
    图表7:电子束快速成型技术示意图
    总部位于美国的ExOne公司成立于2005年,从母公司ExtrudeHone独立,今年2月份在纳斯达克IPO(NASDAQ:XONE)。
    Exone公司提供两种增材制造系统,分别用来打印砂型和金属零件,技术分别起源于德国一家叫做Generis和MIT。砂型的尺寸最大能够做到1800×1000×700mm,而金属的尺寸能够做到780×400×400mm。其所采用的是最早被称作“3D打印”的技术,即用喷头在砂型或者金属粉末中打印粘接剂,扫描成型。对于金属材料,将打印出的模型去掉多余部分,然后在炉中加热去除粘接剂,同时融化金属粉末使之粘结,必要时进行二次加热去除材料中的空隙。除了沙子和金属外,还可以制作玻璃制品。
    在制造设备的同时,ExOne还提供打印服务和解决方案。2012年ExOne总共卖出了13套系统,在全世界共设立有6家服务点。今年上半年,实现收入1720万美元,同比增长132%,亏损700万美元。另外,还有一家在历史上有名的金属3D打印公司叫做AeroMet。它于1997作为MTS的子公司成立,合作方包括JohnsHopkins大学和PennState大学等,开发的钛合金激光快速成型技术被称为Lasform,与多家航空设备公司进行过合作开发,持续收到政府部门资助和企业订单。所采用的技术能够制成的零件尺寸达到2400×900×225mm。但是由于零件的疲劳性能仍然差于网赌网站,同时成本过高,无法批量装备,随着不少型号的飞机陆续结束试制阶段,最终AeroMet在2005年被关闭。
    作为3D打印公司的龙头Stratasys,目前并未有能够制造金属的产品,但是他们表示将通过并购等方式进入到此领域。而SigmaLabs是一家由LosAlamos国家实验室的科学家成立的公司,在OTC市场上交易,提供3D打印技术的软件平台,目前正在与GE合作开发金属零部件的打印技术。
    图表8:AeroMet的惰性气体保护箱能够支持较大的零件成型
    在全球传统零售行业普遍因经济疲软和电商分流导致盈利能力疲软的大背景下,创新和转型是行业中优秀企业的必由之路。正处于高速发展期的移动互联网正为传统零售商提供了一个强调通过数据挖掘和线上线下无缝衔接来提升消费体验的广阔平台,是未来零售渠道的变革方向。2013年是中国移动购物市场全面爆发的一年,随着天虹商场顺利推出微信升级版服务号,我们预计即将进入实体零售企业移动端APP/社交媒体互动平台推广和升级的密集期,实体零售商大规模向移动购物转型的序幕即将开启。

    从2007年起,Iphone和Android平台的陆续推出让智能手机进入的爆发期,标志着移动互联网时代的到来。移动智能设备(智能手机、平板电脑以及可穿戴设备)的快速普及、移动支付(特别是移动互联网支付)的成熟与优化、用户基础的扩大和移动设备对消费者消费习惯的改变让让美国、中国移动购物市场分别从2010年、2012年开始迎来增长爆发期。2013年中国移动购物交易规模将达1707亿人民币,移动购物渗透率将达0.7%,对网购渗透率将达9.2%,未来3年交易规模CAGR将达63%,仍将保持高增速。中国移动购物目前发展比美国慢2至3年,比PC电商起步时的6至7年差距大幅缩小;2015年中国交易规模将超过美国成为世界第一,但到时移动购物渗透率仍与美国有差距,有持续的快速发展空间。
    中国强大的传统电商的零售终端市场格局以及三线以下城市居民、一二线城市郊区打工群体中蕴含大量的移动购物人群的两个市场特征为移动购物提供了极为庞大的顾客基础,达世界第一并仍将保持高增速的智能移动终端保有量则为移动购物的终端普及打下了物质保障,加上以家庭、关系为单位的社会结构以及群居的心理趋势让中国消费者保持对移动购物和社交媒体高依赖性的社会行为特征,让中国移动购物市场在规模稳坐世界第一后仍有巨大的发展空间,并很可能在技术、行为和市场结构上引领世界。同时,移动购物所特有的精准定制、碎片时间、社交分享和O2O四大特征让消费者成为整个消费环节的中心,将引领新一轮消费革命。
    图1:智能手机是人们娱乐、社交、获取信息的入口


    图2:移动购物颠覆消费行为,将消费者变为中心


    2012年中国移动购物规模前9家公司里没有实体零售商。同时,在中国电子商务开展较好的15家零售企业里,目前已经开展初级O2O的企业有5家,实现移动支付闭环(可以通过手机终端完成全部购买流程)的公司有3家,已经开展初级精准定制的公司也只有3家。目前中国实体零售商移动购物发展大大弱于美国,具体原因有三:
    1. 中国实体零售集中度低,覆盖范围小,转型力量较为薄弱;
    2. 强大的传统电商率先转型抢占市场;
    3. 实体零售还处于传统的门店扩张和削减成本的老战略中,转型缓慢。
    但实体零售商相对较弱的地位不代表在移动购物市场的转型成功概率减小。我国目前移动购物市场还处于规模高速增长、O2O和精准推送较为薄弱、支付
    物流有待完善的过程中,实体零售商有着O2O、顾客群体和精准定制方面的天然潜力,而现在正是全面转型移动购物,追逐移动购物对消费行为和体系的颠覆的最好时机。沿着O2O、移动购物闭环、精准定制路径是传统零售转型移动购物的最佳路径。
    图3:零售商移动购物突围三步走:O2O + 移动购物闭环 + 精准定制


    对实体零售商而言,O2O是聚客效果好、开展成本较低的利用移动终端增强顾客与顾客,顾客与商家互动的切入点,可以极大提升顾客与商场和互动欲望和商店粘性,对聚客能力很有帮助,是实体零售商成功开展移动购物的第一步。O2O本质上是加强线上线下“流量”交互的过程,这里的“流量”概念包括了顾客与商品的信息流、资金流和物流四个方面。“流量”交互程度越深,对客户吸引力就越大,但推广难度也逐渐上升。对于实体零售商而言,可以先从商品信息/评论初步实时查询、门店定位/查找服务、当地优惠/活动推送、会员链接整合、与社交媒体链接等方面入手,逐步向门店消费者服务体验升级、支付整合、线上线下同价/比价/询价、虚拟现实、线上线下物流整合、深度定制推送等方面逐步深入,最终做到全渠道(Omni-Channel)O2O整合的效果。我们预计零售企业将会纷纷推出微信升级服务号和APP,移动终端功能也将持续丰富,O2O将成为实体零售企业转型移动购物迈出的坚实地第一步。
    图4:实体零售商可以顺着线上线下“流量”交互的由浅入深逐步推进


    移动购物闭环是指消费者可以在移动终端上直接完成购物的全流程。移动购物全生态系统对信息系统、物流系统和支付系统的要求非常高,需要企业进行持续、大规模的投入,在最终生效之前企业需要忍受较长时间的利润率持续下降甚至亏损。因此,国内电子商务开展较好的15家零售终端中也只有银泰百货和苏宁云商可以实现移动端直接购买功能。
    苏宁云商最近正积极向线上线下同价、线上线下全品类销售、 线上线下购物平台转型,从公布的方案观察,苏宁在门店、金融、IT、物流等支持方面都将会有持续、大规模的投入。持续的资本投入和销售调整无疑会拉低苏宁的利润率,但当物流、门店、IT、金融基础成型后将会形成较为明显的壁垒,对其在电商/移动购物业务方面的开展提供持续性的支持。
    打造移动购物闭环需要有强大的物流、支付、信息系统支持,只有上规模的实体零售企业才最有机会组建一流的移动购物建设团队并对其进行持续投入,也只有上规模的实体零售企业才能依靠网点优势更好地受益于线上线下相结合的购物革命。包括苏宁云商、王府井、天虹商场、茂业百货和银泰百货在内的全国性的百货龙头最有率先启动移动购物支付闭环的实力。事实上苏宁云商和银泰百货已经完成了移动购物平台闭环的初步构建。其次,包括金鹰商贸、
    重庆百货、南京中商、广州友谊、步步高、华地国际、友阿股份、欧亚集团、友好集团等较发达地区的龙头企业也有望率先启动移动购物闭环的构建工作。
    实体零售在建设O2O和移动购物闭环的共同点在于为消费者提供线上线下全渠道无缝衔接的购物体验,满足了顾客碎片时间、社交分享以及个性化购物体验的需求。但实体零售商在构建O2O和移动购物闭环的构成中需要持续抓紧对顾客数据的采集和分析,站在顾客的角度来考虑他们的真实需要,并在最合适的时间和地点将他们的需要,甚至是潜在需要精准地推送给顾客,让顾客真正感受到购物的简单化、个性化和多样化,达到移动购物的终极定义。目前国内零售企业在精准定制方面做的还是比较空白的,个别优秀企业也只停留在个性化订阅后推送和主题活动推送上。目前在个性化推送方面做得较为出色的有正在变形中的微淘,以及正在崛起的导购
    软件口袋购物,它们精准定制功能将是优秀实体零售商移动购物的追逐目标,力求在实现O2O、移动购物闭环之余精准地捕捉客户需求,带给客户比传统网购更好的购物体验。
    移动购物作为一种全新的购物行为方式,将随着移动购物市场爆发性的增长和移动购物企业的不断壮大而颠覆传统零售和电商市场。在PC电商时代,传统零售企业处于被动的接受市场份额流失的格局中,而在移动购物时代,传统零售企业积极拥抱移动购物,
    投资者将重新认识实体门店价值。
    移动购物是国内优秀实体零售商变革的必由之路,但现在国内实体零售企业移动购物开展无疑只处于萌芽期,前路并非一片坦途。只有根据自身实力与特性准确定位客户群体,在O2O和精准定制上领先于传统电商,并对移动购物业务进行循序渐进投入的实体零售企业才有可能占据市场领先位臵。

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