科普 增材制造技术:金属3D打印技术分析与展望

时间: 2023-12-27 来源:耐用的 科普 增材制造技术:金属3D打印技术分析与展望
产品概述

  ,是一种以数字三维建模为基础,融合计算机辅助设计、材料加工、材料成形技术,使用金属材料、非金属材料及医用生物材料,按照层层叠加、分层制造的离散

  国内3D打印金属材料占比40%,以钛合金、铝合金和不锈钢为主。3D打印金属粉末的制备方法主要有气雾化(GA)、等离子旋转电极雾化(PREP)、等离子熔丝雾化(PA)和等离子球化(PS)技术,国内商业化较为成熟的为GA和PREP工艺。

  2)中游:以3D打印设备及打印服务厂商为主,大多设备提供商亦提供打印服务业务及原材料供应,在整个产业链中占据主导地位。

  3D打印工艺原理可分为7大类:粉末床选区熔化(PBF)、定向能量沉积(DED)、立体光固化、粘结剂喷射、材料挤出、材料喷射、薄材叠层,依据耗材差异可分为金属3D打印与非金属3D打印,金属3D打印技术主要有粉末床熔融和定向能量沉积两大类,分别以激光选区熔化(SLM)和激光近净成形技术(LENS)为主。

  预计2025年全球3D打印市场规模298亿美元,CAGR为18.2%,金属3D打印市场增速预计快于行业。3D打印目前已被大范围的应用于航空航天、医疗/牙科、汽车、消费及电子科技类产品、学术科研、能源、军工、建筑等领域,近年航空航天、医疗领域需求量开始上涨较快,随着荣耀、苹果等消费电子龙头公司引入钛合金3D打印技术,有望打开消费电子行业需求天花板。

  金属3D打印面向中高端,预计未来增速高于整体3D打印市场规模增速。根据SmarTech Analysis预计,全球金属3D打印行业市场规模将由2019年的33亿美元增加至2024年的110亿美元,CAGR为27.2%。

  3D打印目前已被大范围的应用于航空航天、医疗/牙科、汽车、消费及电子科技类产品、学术科研、能源、军工、建筑等领域,根据Wohlers Report 2022报告数据,2021年上述领域分别占比16.8%、15.6%、14.6%、11.8%、11.1%、7.0%、6.0%、4.5%。

  根据Wohlers Associates数据,2021年全球3D打印在航空航天和国防工业的应用占比分别为16.8%和6.0%,对应市场规模分别为25.6亿美元和9.1亿美元。2019-2021年全球航空航天3D打印市场规模占比由14.7%增加至16.8%。

  3D打印技术在航空航天零部件制造和研发中的优势大多数表现在:1)缩短新型航空航天装备及零部件的研发周期;2)复杂结构设计得以实现;3)满足轻量化需求,减少应力集中,增加常规使用的寿命;4)提升航空航天装备的零部件强度和耐用性;5)提高材料的利用率,降造成本;6)增材再制造是未来蓝海市场,对装备损伤零部件进行再制造修复。

  依照材料的发展与生物性能的差别,医疗领域3D打印分为两类:非生物3D打印与生物3D打印。相对于生物3D打印而言,非生物3D打印的原理相对较为简单,所需要的材料也相对易得,因此在医疗领域的应用已经较为广泛。非生物3D打印的产品大多不具备生物相容性,大多产品可归于医疗器械的范畴,具体应用在:①个性化假体的制造,可用在骨科、齿科、整形外科等;②复杂结构和难以加工的医疗器械制品,包括植入物与非植入物,如多孔结构的髋关节、模拟人体器官的医用模型等。

  ✓非生物3D打印是指利用非生物材料和3D打印技术来打印非生物假体,非生物材料包括塑料、树脂、金属、高分子复合材料等,主要使用在于齿科、骨科、医疗器械、辅助器械(术前模拟)、医用教学等医疗领域。

  ✓生物3D打印是基于活性生物材料、细胞组织工程、MRI与CT技术和3D重构技术等而进行的活体3D打印,其目标是打印。

  3D打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期,包括研发、生产以及使用环节。就应用范围来看,目前3D打印技术在汽车领域的应用主要集中于研发环节的试验模型和功能性原型制造,在生产和使用环节相对较少。未来,3D打印技术在汽车领域仍将被大范围的应用于原型制造。随着3D打印技术持续不断的发展、车企对3D打印认知度提高和汽车行业自身发展需求,3D打印技术在汽车行业的应用将向市场空间更大的生产和使用环节扩展,在最终零部件生产、汽车维修、汽车改装等方面的应用将逐渐提高。

  根据Wohlers Associates数据,2019-2021年全球消费电子领域3D打印市场规模占比小幅下降,由15.4%降至11.8%,2021年全球3D打印在消费电子领域市场规模为18.0亿美元。

  目前3D打印在消费品行业的应用大多分布在在产品设计和开发环节。消费品行业涵盖范围较广,最重要的包含手机、电子科技类产品、电脑、家电、工具和玩具等行业。消费品行业具有产品生命周期短,更新换代快的特性,需要持续不断的开发和投入。借助3D打印的优势,可以缩短产品研究开发周期,大幅削减设计成本,现有的3D打印技术能实现各种复杂设计的模型制作,赋予设计师更多的自由,产品设计水平大幅提升。

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