鈦金屬加入疊加技術升級，3D打印迎來爆發近在眼前？
時間：2024-01-16 09:24 來源：全景網 作者：admin 閱讀：次
01一早就出現的3D打印
至今仍未大規模標準化生產
3D打印又稱為增材制造（Additive Manufacturing，AM），是涵蓋多學科的先進制造技術。3D打印是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，將三維實體變為若干個二維平面，運用粉末狀金屬、塑料、陶瓷、樹脂等可粘合原材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。
整體而言，3D打印是信息網絡技術、先進材料技術與數字制造技術的結合，制造流程橫跨多個學科，涵蓋機械、材料、軟件、電子、設計、計算機視覺等。3D打印通過二維逐層堆疊材料的方式，直接成形三維復雜結構的數字制造技術。對比傳統制造方法，增材制造最適合小批量、復雜設計以及速度至關重要的應用。
資料來源：Hubs
相較于傳統制造方式，3D打印的優勢包括（1）縮短新產品研發及實現周期；（2）可高效成形更為復雜的結構；（3）實現一體化、輕量化設計；（4）材料利用率較高，3D打印昂貴的金屬材料可節約較大成本；（5）實現優良的力學性能。3D打印快速凝固成形后的制件內部冶金質量均勻致密，無其他冶金缺陷；同時快速凝固使得材料內部組織為細小亞結構，成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高。
現階段我國3D打印仍舊以工程塑料、樹脂和部分常見金屬材料為主。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。就我國目前3D打印粉末材料使用情況來看，非金屬與金屬材料大致形成6：4的格局，非金屬材料占材料市場大部分份額。
其中金屬粉末主要是常見的主要有金屬材料，缽合金、鋁合金和不銹鋼占比較大，非金屬粉末是工程塑料、尼龍、樹脂；以及不斷開發的生物基可降解材料、復合材料等。當前金屬3D打印技術在可加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面與傳統的精密加工技術相比，還存在一定差距。
據Wohlers Associates，2022年全球3D打印產值180億美元，前三大下游為航空航天（17%）、醫療（16%）和汽車（15%）；2021年我國3D打印產值265億元，主要用于航空航天、軍工等，均未形成大規模標準化生產。
02
為何當前節點提起3D打印？
消費電子鈦合金趨勢+國內技術成熟，3D打印將迎大規模產業化應用。
由于鈦合金的低熱導率，傳統CNC技術加工鈦合金刀具損耗大，根據艾邦高分子，傳統CNC加工鈦合金良率僅30-40%。而3D打印技術避免了刀具切削環節，且激光器和金屬粉末的降價，使得3D打印鈦合金成本逐漸與CNC加工平價。
根據Counterpoint，Apple Watchseries6表殼的機加成本約為132元，3D打印的Ultra鈦合金成本約為109元，成本端具備競爭優勢。
來源：IT之家、新浪科技、華為官網、OPPO官網
3D打印鈦合金開始不斷在蘋果、榮耀等產品中有應用。
2023年7月，華為榮耀MagicV2折疊屏手機鉸鏈宣告使用鈦合金3D打印技術制造，實現首次3D打印在消費電子領域的規模化應用。據彭博社，Apple Watch Series9的表殼采用不銹鋼粘結劑噴射（Binder Jetting）金屬3D打印；Apple Watch Ultra的數字表冠、側按鈕和一些其他操作按鈕使用鈦合金粉末床激光熔融（L-PBF）金屬3D打印生產。如果智能手表的測試成功，蘋果或將尋求在未來幾年內在更多產品上使用該技術。
2023年9月，蘋果在秋季發布會上發布了全新的iPhone 15Pro手機和Apple Watch Ultra2手表，二者的邊框均使用到了鈦合金材料；今年10月，小米發布小米14系列手機，其中小米14Pro提供了鈦金屬特別版。在以上使用了鈦材的3C產品中，榮耀折疊屏軸蓋和AppleWatchUltra2表殼均為單一鈦合金材質，而蘋果和小米手機則使用了鈦鋁復合材料，即內部的底板為鋁，外部的邊框為鈦，其中蘋果手機使用了鈦合金，小米手機使用了99%純鈦。相較于此前3C行業廣泛使用的鋁合金和不銹鋼，鈦合金CNC加工難度明顯增大，3D打印成為另一種頗具前景的可選加工方式。
頭部廠家的示范效應之下，未來3D打印技術有望拓展至更多消費電子產品，鈦合金在3C行業中的應用已經形成趨勢。
同時國內廠商技術的成熟，也讓國內產業爆發具備基礎。
3D打印分為金屬3D打印和非金屬3D打印，其中金屬3D打印技術PBF已實現廣泛工業應用，DED已形成工業化應用。增材制造工藝分為7類，不同技術通常在材料、能量源、成型方法上有差異，其中4種路線涉及金屬3D打印，粉末床熔融PBF（包括SLS、SLM、EBM、MJF）和定向能量沉積DED（包括LSF、WAAM）均可制造達到鍛件標準的金屬零件，是已成熟應用的技術路線。
據Wohlers 2022年Senvol數據庫統計，全球1026件金屬增材制造產品中，94%均采用PBF(902件)和DED(61件)技術制造。
以最廣泛使用的金屬3D打印技術路線SLM為例，其加工原理為鋪粉系統在加工平臺鋪一層金屬粉末，激光在金屬粉末的顆粒之間一次一層地燒結成型。解決了復雜結構零件的加工制造問題，特別適用于制造具有復雜內腔結構的難加工鈦合金、高溫合金等零件。
SLM技術路線的主要設備廠商包括EOS、通快Trumpf、SLM Solutions、Concept Laser(GE)、鉑力特、漢邦、先臨/易加三維、華曙高科。國內設備廠商華曙高科、鉑力特的成型尺寸、掃描速度等各項指標已經達到國際先進水平。
資料來源：SLMSOLUTION，Apple，3D Printing Industry，Facfox
此外，3D打印的成本還將不斷下降。
當前原材料金屬3D打印粉末價格持續下行。以鉑力特為例，2020-2022年自制金屬3D打印粉末銷售價格由144.5萬元/噸降至78.2萬元/噸，降幅為46%。預計未來仍將保持下降趨勢。
加上激光器國產化推進，零部件采購單價呈下降趨勢，使得3D打印設備端單價呈下降趨勢；以及像鉑力特2023年發布的BLT-A400、BLT-S400、BLT-S450多激光配置方案，從設備激光器數量、粉末循環系統、配套軟件等方面提升設備的生產效率和穩定性，鈦合金3D打印仍有很大降本空間。
專業機構對鈦合金3D打印的成本進行拆解，在對未來3D打印粉末材料價格和3D打印設備價格的下降幅度以及3D打印效率提升的幅度做出審慎的假設后，發現鈦合金3D打印環節的價格有望從當前的7元/g下降到2027年的3.64元/g，降幅接近50%。降本驅動后，3D打印在3C鈦合金產品制造中的滲透率有望持續提升。
至今仍未大規模標準化生產
3D打印又稱為增材制造（Additive Manufacturing，AM），是涵蓋多學科的先進制造技術。3D打印是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，將三維實體變為若干個二維平面，運用粉末狀金屬、塑料、陶瓷、樹脂等可粘合原材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。
整體而言，3D打印是信息網絡技術、先進材料技術與數字制造技術的結合，制造流程橫跨多個學科，涵蓋機械、材料、軟件、電子、設計、計算機視覺等。3D打印通過二維逐層堆疊材料的方式，直接成形三維復雜結構的數字制造技術。對比傳統制造方法，增材制造最適合小批量、復雜設計以及速度至關重要的應用。
資料來源：Hubs
相較于傳統制造方式，3D打印的優勢包括（1）縮短新產品研發及實現周期；（2）可高效成形更為復雜的結構；（3）實現一體化、輕量化設計；（4）材料利用率較高，3D打印昂貴的金屬材料可節約較大成本；（5）實現優良的力學性能。3D打印快速凝固成形后的制件內部冶金質量均勻致密，無其他冶金缺陷；同時快速凝固使得材料內部組織為細小亞結構，成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高。
現階段我國3D打印仍舊以工程塑料、樹脂和部分常見金屬材料為主。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。就我國目前3D打印粉末材料使用情況來看，非金屬與金屬材料大致形成6：4的格局，非金屬材料占材料市場大部分份額。
其中金屬粉末主要是常見的主要有金屬材料，缽合金、鋁合金和不銹鋼占比較大，非金屬粉末是工程塑料、尼龍、樹脂；以及不斷開發的生物基可降解材料、復合材料等。當前金屬3D打印技術在可加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面與傳統的精密加工技術相比，還存在一定差距。
據Wohlers Associates，2022年全球3D打印產值180億美元，前三大下游為航空航天（17%）、醫療（16%）和汽車（15%）；2021年我國3D打印產值265億元，主要用于航空航天、軍工等，均未形成大規模標準化生產。
02
為何當前節點提起3D打印？
消費電子鈦合金趨勢+國內技術成熟，3D打印將迎大規模產業化應用。
由于鈦合金的低熱導率，傳統CNC技術加工鈦合金刀具損耗大，根據艾邦高分子，傳統CNC加工鈦合金良率僅30-40%。而3D打印技術避免了刀具切削環節，且激光器和金屬粉末的降價，使得3D打印鈦合金成本逐漸與CNC加工平價。
根據Counterpoint，Apple Watchseries6表殼的機加成本約為132元，3D打印的Ultra鈦合金成本約為109元，成本端具備競爭優勢。
來源：IT之家、新浪科技、華為官網、OPPO官網
3D打印鈦合金開始不斷在蘋果、榮耀等產品中有應用。
2023年7月，華為榮耀MagicV2折疊屏手機鉸鏈宣告使用鈦合金3D打印技術制造，實現首次3D打印在消費電子領域的規模化應用。據彭博社，Apple Watch Series9的表殼采用不銹鋼粘結劑噴射（Binder Jetting）金屬3D打印；Apple Watch Ultra的數字表冠、側按鈕和一些其他操作按鈕使用鈦合金粉末床激光熔融（L-PBF）金屬3D打印生產。如果智能手表的測試成功，蘋果或將尋求在未來幾年內在更多產品上使用該技術。
2023年9月，蘋果在秋季發布會上發布了全新的iPhone 15Pro手機和Apple Watch Ultra2手表，二者的邊框均使用到了鈦合金材料；今年10月，小米發布小米14系列手機，其中小米14Pro提供了鈦金屬特別版。在以上使用了鈦材的3C產品中，榮耀折疊屏軸蓋和AppleWatchUltra2表殼均為單一鈦合金材質，而蘋果和小米手機則使用了鈦鋁復合材料，即內部的底板為鋁，外部的邊框為鈦，其中蘋果手機使用了鈦合金，小米手機使用了99%純鈦。相較于此前3C行業廣泛使用的鋁合金和不銹鋼，鈦合金CNC加工難度明顯增大，3D打印成為另一種頗具前景的可選加工方式。
頭部廠家的示范效應之下，未來3D打印技術有望拓展至更多消費電子產品，鈦合金在3C行業中的應用已經形成趨勢。
同時國內廠商技術的成熟，也讓國內產業爆發具備基礎。
3D打印分為金屬3D打印和非金屬3D打印，其中金屬3D打印技術PBF已實現廣泛工業應用，DED已形成工業化應用。增材制造工藝分為7類，不同技術通常在材料、能量源、成型方法上有差異，其中4種路線涉及金屬3D打印，粉末床熔融PBF（包括SLS、SLM、EBM、MJF）和定向能量沉積DED（包括LSF、WAAM）均可制造達到鍛件標準的金屬零件，是已成熟應用的技術路線。
據Wohlers 2022年Senvol數據庫統計，全球1026件金屬增材制造產品中，94%均采用PBF(902件)和DED(61件)技術制造。
以最廣泛使用的金屬3D打印技術路線SLM為例，其加工原理為鋪粉系統在加工平臺鋪一層金屬粉末，激光在金屬粉末的顆粒之間一次一層地燒結成型。解決了復雜結構零件的加工制造問題，特別適用于制造具有復雜內腔結構的難加工鈦合金、高溫合金等零件。
SLM技術路線的主要設備廠商包括EOS、通快Trumpf、SLM Solutions、Concept Laser(GE)、鉑力特、漢邦、先臨/易加三維、華曙高科。國內設備廠商華曙高科、鉑力特的成型尺寸、掃描速度等各項指標已經達到國際先進水平。
資料來源：SLMSOLUTION，Apple，3D Printing Industry，Facfox
此外，3D打印的成本還將不斷下降。
當前原材料金屬3D打印粉末價格持續下行。以鉑力特為例，2020-2022年自制金屬3D打印粉末銷售價格由144.5萬元/噸降至78.2萬元/噸，降幅為46%。預計未來仍將保持下降趨勢。
加上激光器國產化推進，零部件采購單價呈下降趨勢，使得3D打印設備端單價呈下降趨勢；以及像鉑力特2023年發布的BLT-A400、BLT-S400、BLT-S450多激光配置方案，從設備激光器數量、粉末循環系統、配套軟件等方面提升設備的生產效率和穩定性，鈦合金3D打印仍有很大降本空間。
專業機構對鈦合金3D打印的成本進行拆解，在對未來3D打印粉末材料價格和3D打印設備價格的下降幅度以及3D打印效率提升的幅度做出審慎的假設后，發現鈦合金3D打印環節的價格有望從當前的7元/g下降到2027年的3.64元/g，降幅接近50%。降本驅動后，3D打印在3C鈦合金產品制造中的滲透率有望持續提升。
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