未来制造:3D打印降本增效,从模具走向直接制造(附30页报告)
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• 成本降低叠加生产效率提升,增材制造进入批量生产的转型期。增材制造的规模经济效应相较传统制造方式存在阈值,在技术条件等保持不变的前提下,随着生产规模的增加,增材制造的边际成本下降相对传统制造方式更缓慢。相较传统制造方式,增材制造规模经济效应相对受限是目前普遍的认知,但目前增材制造正在通过降低设备成本和提升生产效率,推动增材制造规模经济效应曲线向下移动,不断提高最大生产规模阈值,进而促进增材制造打破原型制造的局限,步入批量生产的“增材制造2.0”时代。

• 例如,通过降低粉末材料成本、加装粉末循环系统等方式降低单位可变成本。据南极熊数据,3D打印用钛合金粉末的价格从2023年600元/kg降到2024年300元/kg以下,降幅达50%。主要原因:1、得粉率:2022年威拉里核心产品得粉率创历史新高,平均提升3%以上。2、钛材:2024年海绵钛市场呈下行走势,一级民品海绵钛价格从年初的5.0万元/吨左右下跌至年末的4.2万元/吨左右,价格跌至市场历史最低点。3、惰性气体:以市面上最常用的气雾化制粉为例,气体成本占据了粉末材料成本的30%-50%;一方面粉末生产厂商使用智能一体化氩气回收装备降低工业气体使用量,另一方面工业气体2024年价格下滑。

• 此外,一些新的激光方案也能提高生产效率。EOS于2024年推出的具有颠覆行业发展趋势的金属3D打印机——AMCM M290-2 FLX,这是北美第一台集成了光束整形技术的商业化金属AM装备。由nLIGHT公司推出的可编程AFX激光器,在单个激光器中提供了七种不同的光束轮廓,从85 微米光斑尺寸(用于最大限度提高轮廓精度)到210微米环形轮廓(用于加快打印速度、提高工艺稳定性并减少烟尘和飞溅)。经验证,nLIGHT AFX激光器对316L钢和铝材料的打印速度比标准400W工艺快3倍。这是因为nLIGHT的可编程AFX激光器的可调光斑类型之一为环形光斑,其克服了与传统高斯激光光斑相关的多种挑战。目前,美国知名航天航空金属3D打印服务商Sintavia已购入该设备。

• 我国工业级增材制造装备核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。增材制造装备核心器件,如高光束质量激光器及光束整形系统、高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件以及部分电气元器件等存在对进口产品的依赖,进口核心元器件主要为激光器、扫描振镜、运动控制系统电气元器件等。目前国产激光器和振镜应用比较多的领域包括齿科金属3D打印、鞋模/模具类金属3D打印等,它们的技术性指标要求相对较低,而且对成本极为敏感,国产元器件可以大幅降低成本,从而得到广泛应用。

• 激光器:根据据铂力特招股说明书,激光器主要作用为熔化金属粉末使其能够形成最终零部件。金属3D打印机对激光器的要求比切割焊接一类的要高很多。例如输出的光束质量,M2需要小于1.1;3D打印一般都会需要长时间工作,功率浮动要求在2%甚至1%以内,特别是如果单台金属机搭载2台或者4台激光器,每台微小误差的叠加会对结果有重大的影响,因此一致性要求非常高,而目前市面常见的激光器长时间功率浮动大约在3%-5%。

• 振镜:振镜为3D打印设备中另一核心元件,主要是用于控制激光按照规划的路径与工艺参数进行扫描。当前我国高端振镜的国产率仅为15%,市场主要由Scanlab、Scaps等国际厂商占领,这主要是由于当前国内企业在3D振镜联动加工、激光熔覆等技术方面仍与国际先进水平存在一定差距。

• 3D打印通过增加激光头、增加层厚、改变铺粉方式及嫁接打印等方式提升效率。

• 据3D打印技术参考,每增加一个激光头设备的打印效率就提升20-50%。以铂力特公众号公布的数据,公司利用双光BLT-S400生产满版医疗领域的股骨板, 180个股骨板需要174.6小时,而利用六光BLT-S400生产满版股骨板仅需64.5小时,可以实现年产量超1.6万件,生产效率较双光设备提升了2.7倍。此外,光学数量的增加还能提高厂房的平均产出效率,降低总运行成本。按照设备70%的稼动率计算,达到股骨板年产能10万+仅需要六台六光BLT-S400设备,与双光设备相比,厂房占地、粉末消耗与气体消耗减少了近2/3。

2021年,德国SLM Solutions披露了其新技术进展,其中包括AlSi10Mg铝合金90μm工艺参数。案例中,四个700W激光器的SLM®500,使用新研发的90μm层厚参数打印一个重达13.9kg的发动机缸头, 成型时间创新记录,全程仅需27小时,实际成型效率达到了194cm3/h,打印效率较此前市面上普遍使用的30μm层厚打印参数提升了400%以上