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未來規(guī)模可達50億美元，增材制造金屬粉末市場淺析
2020-04-17 14:17:21
隨著產(chǎn)業(yè)轉型的不斷升級，增材制造技術和應用的不斷開發(fā)，國內(nèi)的增材制造尤其是金屬3D打印技術和應用都得到了長足的發(fā)展。
根據(jù)SmarTech Analysis分析報道，2019年全球金屬3D打印市場達到33億美元，包括3D打印設備、材料和服務，預計在2024年將達到110億美元。金屬粉末材料作為金屬3D打印的上游產(chǎn)業(yè)迎來了最好的發(fā)展機遇，未來數(shù)十年金屬3D打印行業(yè)必然持續(xù)快速增長，對金屬粉末材料的需求必將持續(xù)走高。
1 應用現(xiàn)狀
金屬粉末產(chǎn)品作為增材制造的主要原材料，目前應用的領域主要包括：
●工業(yè)模具，應用材料如：MS1、CX、17-4ph等；
●創(chuàng)意設計領域，應用材料如：銅合金、AlSi10Mg、316L；
●航空航天領域，應用材料如:TC4、GH4169等；
●生物醫(yī)療領域，應用材料如：CoCr合金、鈦合金等；
●科學研究應用材料如：因瓦合金、高熵合金等。
研究公司IDTechEx預計，到2025年全球3D打印粉末市場規(guī)模將逾50億美元，遠超于2016年的2.5億美元。根據(jù)估算，金屬粉末2019年全國總消費市場約有2億元，連續(xù)五年保持30%以上的增長，在可預見的將來，還將保持快速增長的勢頭。
在供應商方面，全球有山特維克、LPW、TLS、普萊克斯、歐瑞康、AP&C、泰科納等材料生產(chǎn)商供應增材制造金屬粉末材料，主要集中在歐洲和北美。美國通用電氣公司（GE）旗下的加拿大金屬粉末制造商AP&C，在蒙特利爾新建第二條粉末材料生產(chǎn)線，投資逾3000萬美元建造自動化工廠，為3D打印行業(yè)供應金屬粉末。德國的H.C.Starck、加拿大的PyroGenesis都在銳意拓展3D打印金屬粉末業(yè)務。
國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的生產(chǎn)金屬粉末的企業(yè)，如無錫飛而康，其公司鈦合金粉末產(chǎn)品獲得了省藥監(jiān)局的醫(yī)療許可；北京德普潤的鈷鉻合金粉末取得了三類醫(yī)療許可證；江蘇威拉里新材料的模具鋼、鋁合金和高溫合金粉末產(chǎn)品得到國內(nèi)市場廣泛認可和使用，大大推動了粉末國產(chǎn)化進程，其中模具鋼粉末市場占有超過70%，鋁合金產(chǎn)品在各項指標上都達到了國際先進水平。
2 存在的問題
2.1 研發(fā)不足
金屬增材制造技術規(guī)模應用的時間較短，其材料體系、制造工藝、裝備配套都沒有成熟的體系和積累。這其中以材料為甚，材料的研發(fā)需要有較大的研發(fā)投入和較長的周期，需經(jīng)歷理論積累、成分設計、材料試制、性能驗證、應用驗證等過程。而國內(nèi)制粉企業(yè)大多是中小型企業(yè)，很難支持這種周期長、金額大的研發(fā)投入。
以模具為例，不同的模具設計人員的理念和經(jīng)驗不同，多種使用環(huán)境，迥異的產(chǎn)品材料和冷卻介質，在材料選擇上卻只有MS1等寥寥數(shù)種。航空航天需求的高溫性能好，適合激光加工的粉末材料也是無粉可選。高強度鋁合金粉末、特種銅合金粉末、鈦鋁合金粉末都有巨大的需求缺口。
現(xiàn)在很多公司加大對新材料研發(fā)的投入，如長沙新材料研究院、蘇州三峰激光的高強鋁合金粉末，威拉里新材料近年來推出的新型模具鋼和高溫合金以較好的性能，通過了驗證，填補了國內(nèi)空白。打印服務商和增材制造各級研究院也在整合資源從應用端上行進行材料體系的研發(fā)，有一些已經(jīng)通過試驗進入推廣階段。
但這些還遠遠不夠，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上更多的機構加大加快材料研發(fā)的進程。
2.2 穩(wěn)定性弱
金屬粉末產(chǎn)品工業(yè)化供應的除了核心技術過硬之外，同樣需要有成體系的粉末管理經(jīng)驗。粉末的品質管控、指標管控等，國內(nèi)的制粉企業(yè)，大多是近幾年成立發(fā)展起來的，在前期沒有穩(wěn)定的訂單和較大銷量培育，很難建立較完備的粉末管理體系保證產(chǎn)品質量穩(wěn)定和批次穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的產(chǎn)品又會影響生產(chǎn)企業(yè)應用端的發(fā)展，不能形成一個正向促進。
2.3 標準不全
增材制造發(fā)展迅速，制造技術、工藝技術和市場應用都走在標準建立之前。增材制造所用材料也不例外，材料成分是按照既有標準進行，而既有標準大多數(shù)是傳統(tǒng)鑄鍛工藝下，經(jīng)過驗證達成共識的指標。這種標準規(guī)定的指標范圍內(nèi)的材料，通過激光加工過后的性能也是有較大差異的。粉末產(chǎn)品的其他指標如氧氮指標、粒度范圍、碳硫等主要是借助分析設備的普適性，來進行橫向對照和歷史對照。使用方粉末產(chǎn)品的選擇還是根據(jù)自己使用效果來看，但是實際的使用效果和設備的狀態(tài)，操作人員和操作工藝，以及當時的環(huán)境有很大的關系。粉末、工藝和設備的技術指標、規(guī)范和標準沒有貫通，這也為這個行業(yè)的技術發(fā)展帶來更多的挑戰(zhàn)。
3 機遇和趨勢
3.1 行業(yè)發(fā)展的最佳機遇
增材制造應用端的不斷突破和拓展，行業(yè)的快速發(fā)展，為增材制造的粉末材料帶來了大量的機會和關注。 2019年美國鋁業(yè)宣布在美國匹茲堡開設3D打印金屬粉末廠房，赫格納斯在2019年設立增材制造粉末材料的板塊。更多的人才、資金和資源匯聚必將促使粉末產(chǎn)品制備更加健康蓬勃的發(fā)展。而社會對增材制造的認識不斷的加深，增材制造的理念橫向融入各個行業(yè)的設計端，必將進一步加速行業(yè)的發(fā)展，金屬粉末迎來發(fā)展的最佳時期。
3.2 國產(chǎn)化趨勢不可逆
隨著國產(chǎn)粉末材料的應用不斷推進，越來越多的國產(chǎn)粉末得到了市場的認可。而隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的深入，像高溫合金、鋁合金和鈦合金這類之前進口粉末占較大份額的粉末產(chǎn)品，將會迎來新的機遇。
3.3 基礎技術逐漸完備
增材制造專用粉末產(chǎn)品制備在國內(nèi)屬于一個較新的領域，高校和研究院所的課題研究積累較少。但是隨著3d打印的發(fā)展，學校越來越多的相關課題和教學都得以開展，而通過幾年的發(fā)展，研究人員也將研究成果帶入社會來進一步推動行業(yè)技術的發(fā)展。另外，行業(yè)內(nèi)有實力企業(yè)都意識到材料體系研發(fā)和制粉技術研發(fā)的迫切性。據(jù)筆者了解很多公司近年來每年研發(fā)投入超過營業(yè)收入的10%，將研發(fā)作為首要。高校、研究院所也有大量有針對性的教學和科學研究，這必將會給增材制造金屬材料產(chǎn)業(yè)帶來更好的發(fā)展。
3.4 標準逐步完備
2020年2月份，2020年3月5日，國家標準化管理委員會、工業(yè)和信息化部、科學技術部、教育部、國家藥品監(jiān)督管理局、中國工程院 6部門聯(lián)合印發(fā)了《增材制造標準領航行動計劃（2020-2022年）》。旨在進一步加快標準化建設，這將大大促進增材制造行業(yè)的標準體系建立，保障行業(yè)健康發(fā)展。國家有色標委會等機構為標準建立做了大量的工作，在研究院所和各個企事業(yè)單位的不斷努力下，取得了階段性成果，為下一步完善體系奠定了基礎。
3.5 行業(yè)細分
增材制造作為一種全新的加工手段，它是橫向嵌入到各個行業(yè)中的。每個行業(yè)的具體工況、性能、指標要求都有各自的特點，因此對粉末材料的要求也是從應用端出發(fā)，有針對性的材料體系。因此今后會衍生出更多專注專精于一個或者多個領域的細分的粉末材料制備企業(yè)，加速行業(yè)更加科學健康的發(fā)展。
4 總結
面對金屬增材制造技術的快速發(fā)展和不斷壯大的市場規(guī)模，越來越多的材料商斥巨資投入金屬3D打印粉末的研發(fā)和生產(chǎn)，希望從原材料切入，抓住行業(yè)發(fā)展的重大機遇。這對于增材制造行業(yè)以及上下游的產(chǎn)業(yè)來講是一件好事，更多的研發(fā)投入和更充分的競爭，必將為市場帶來更優(yōu)秀的解決方案，新的制造手段將逐漸替代老舊的制造方式，整個市場的蛋糕也會越做越大。同時，隨著行業(yè)標準的不斷完善和技術的日漸成熟，金屬3D打印的潛力將會被更好的挖掘出來。
根據(jù)SmarTech Analysis分析報道，2019年全球金屬3D打印市場達到33億美元，包括3D打印設備、材料和服務，預計在2024年將達到110億美元。金屬粉末材料作為金屬3D打印的上游產(chǎn)業(yè)迎來了最好的發(fā)展機遇，未來數(shù)十年金屬3D打印行業(yè)必然持續(xù)快速增長，對金屬粉末材料的需求必將持續(xù)走高。
1 應用現(xiàn)狀
金屬粉末產(chǎn)品作為增材制造的主要原材料，目前應用的領域主要包括：
●工業(yè)模具，應用材料如：MS1、CX、17-4ph等；
●創(chuàng)意設計領域，應用材料如：銅合金、AlSi10Mg、316L；
●航空航天領域，應用材料如:TC4、GH4169等；
●生物醫(yī)療領域，應用材料如：CoCr合金、鈦合金等；
●科學研究應用材料如：因瓦合金、高熵合金等。
研究公司IDTechEx預計，到2025年全球3D打印粉末市場規(guī)模將逾50億美元，遠超于2016年的2.5億美元。根據(jù)估算，金屬粉末2019年全國總消費市場約有2億元，連續(xù)五年保持30%以上的增長，在可預見的將來，還將保持快速增長的勢頭。
在供應商方面，全球有山特維克、LPW、TLS、普萊克斯、歐瑞康、AP&C、泰科納等材料生產(chǎn)商供應增材制造金屬粉末材料，主要集中在歐洲和北美。美國通用電氣公司（GE）旗下的加拿大金屬粉末制造商AP&C，在蒙特利爾新建第二條粉末材料生產(chǎn)線，投資逾3000萬美元建造自動化工廠，為3D打印行業(yè)供應金屬粉末。德國的H.C.Starck、加拿大的PyroGenesis都在銳意拓展3D打印金屬粉末業(yè)務。
國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的生產(chǎn)金屬粉末的企業(yè)，如無錫飛而康，其公司鈦合金粉末產(chǎn)品獲得了省藥監(jiān)局的醫(yī)療許可；北京德普潤的鈷鉻合金粉末取得了三類醫(yī)療許可證；江蘇威拉里新材料的模具鋼、鋁合金和高溫合金粉末產(chǎn)品得到國內(nèi)市場廣泛認可和使用，大大推動了粉末國產(chǎn)化進程，其中模具鋼粉末市場占有超過70%，鋁合金產(chǎn)品在各項指標上都達到了國際先進水平。
△國內(nèi)外部分金屬3D打印粉末供應商名單
2 存在的問題
2.1 研發(fā)不足
金屬增材制造技術規(guī)模應用的時間較短，其材料體系、制造工藝、裝備配套都沒有成熟的體系和積累。這其中以材料為甚，材料的研發(fā)需要有較大的研發(fā)投入和較長的周期，需經(jīng)歷理論積累、成分設計、材料試制、性能驗證、應用驗證等過程。而國內(nèi)制粉企業(yè)大多是中小型企業(yè)，很難支持這種周期長、金額大的研發(fā)投入。
以模具為例，不同的模具設計人員的理念和經(jīng)驗不同，多種使用環(huán)境，迥異的產(chǎn)品材料和冷卻介質，在材料選擇上卻只有MS1等寥寥數(shù)種。航空航天需求的高溫性能好，適合激光加工的粉末材料也是無粉可選。高強度鋁合金粉末、特種銅合金粉末、鈦鋁合金粉末都有巨大的需求缺口。
現(xiàn)在很多公司加大對新材料研發(fā)的投入，如長沙新材料研究院、蘇州三峰激光的高強鋁合金粉末，威拉里新材料近年來推出的新型模具鋼和高溫合金以較好的性能，通過了驗證，填補了國內(nèi)空白。打印服務商和增材制造各級研究院也在整合資源從應用端上行進行材料體系的研發(fā)，有一些已經(jīng)通過試驗進入推廣階段。
但這些還遠遠不夠，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上更多的機構加大加快材料研發(fā)的進程。
2.2 穩(wěn)定性弱
金屬粉末產(chǎn)品工業(yè)化供應的除了核心技術過硬之外，同樣需要有成體系的粉末管理經(jīng)驗。粉末的品質管控、指標管控等，國內(nèi)的制粉企業(yè)，大多是近幾年成立發(fā)展起來的，在前期沒有穩(wěn)定的訂單和較大銷量培育，很難建立較完備的粉末管理體系保證產(chǎn)品質量穩(wěn)定和批次穩(wěn)定。而不穩(wěn)定的產(chǎn)品又會影響生產(chǎn)企業(yè)應用端的發(fā)展，不能形成一個正向促進。
2.3 標準不全
增材制造發(fā)展迅速，制造技術、工藝技術和市場應用都走在標準建立之前。增材制造所用材料也不例外，材料成分是按照既有標準進行，而既有標準大多數(shù)是傳統(tǒng)鑄鍛工藝下，經(jīng)過驗證達成共識的指標。這種標準規(guī)定的指標范圍內(nèi)的材料，通過激光加工過后的性能也是有較大差異的。粉末產(chǎn)品的其他指標如氧氮指標、粒度范圍、碳硫等主要是借助分析設備的普適性，來進行橫向對照和歷史對照。使用方粉末產(chǎn)品的選擇還是根據(jù)自己使用效果來看，但是實際的使用效果和設備的狀態(tài)，操作人員和操作工藝，以及當時的環(huán)境有很大的關系。粉末、工藝和設備的技術指標、規(guī)范和標準沒有貫通，這也為這個行業(yè)的技術發(fā)展帶來更多的挑戰(zhàn)。
與當前全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迅猛態(tài)勢相比，我國増材制造領域仍然存在標準缺失、國際標準跟蹤轉化滯后、市場主體參與國內(nèi)國際標準化工作程度不高等問題，迫切需要系統(tǒng)謀劃和全面推進增材制造標準化工作，充分發(fā)揮標準對增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)制和引領作用。
3 機遇和趨勢
3.1 行業(yè)發(fā)展的最佳機遇
增材制造應用端的不斷突破和拓展，行業(yè)的快速發(fā)展，為增材制造的粉末材料帶來了大量的機會和關注。 2019年美國鋁業(yè)宣布在美國匹茲堡開設3D打印金屬粉末廠房，赫格納斯在2019年設立增材制造粉末材料的板塊。更多的人才、資金和資源匯聚必將促使粉末產(chǎn)品制備更加健康蓬勃的發(fā)展。而社會對增材制造的認識不斷的加深，增材制造的理念橫向融入各個行業(yè)的設計端，必將進一步加速行業(yè)的發(fā)展，金屬粉末迎來發(fā)展的最佳時期。
△美國鋁業(yè)準備開設新的3D打印金屬粉末工廠
3.2 國產(chǎn)化趨勢不可逆
隨著國產(chǎn)粉末材料的應用不斷推進，越來越多的國產(chǎn)粉末得到了市場的認可。而隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)的深入，像高溫合金、鋁合金和鈦合金這類之前進口粉末占較大份額的粉末產(chǎn)品，將會迎來新的機遇。
3.3 基礎技術逐漸完備
增材制造專用粉末產(chǎn)品制備在國內(nèi)屬于一個較新的領域，高校和研究院所的課題研究積累較少。但是隨著3d打印的發(fā)展，學校越來越多的相關課題和教學都得以開展，而通過幾年的發(fā)展，研究人員也將研究成果帶入社會來進一步推動行業(yè)技術的發(fā)展。另外，行業(yè)內(nèi)有實力企業(yè)都意識到材料體系研發(fā)和制粉技術研發(fā)的迫切性。據(jù)筆者了解很多公司近年來每年研發(fā)投入超過營業(yè)收入的10%，將研發(fā)作為首要。高校、研究院所也有大量有針對性的教學和科學研究，這必將會給增材制造金屬材料產(chǎn)業(yè)帶來更好的發(fā)展。
3.4 標準逐步完備
2020年2月份，2020年3月5日，國家標準化管理委員會、工業(yè)和信息化部、科學技術部、教育部、國家藥品監(jiān)督管理局、中國工程院 6部門聯(lián)合印發(fā)了《增材制造標準領航行動計劃（2020-2022年）》。旨在進一步加快標準化建設，這將大大促進增材制造行業(yè)的標準體系建立，保障行業(yè)健康發(fā)展。國家有色標委會等機構為標準建立做了大量的工作，在研究院所和各個企事業(yè)單位的不斷努力下，取得了階段性成果，為下一步完善體系奠定了基礎。
3.5 行業(yè)細分
增材制造作為一種全新的加工手段，它是橫向嵌入到各個行業(yè)中的。每個行業(yè)的具體工況、性能、指標要求都有各自的特點，因此對粉末材料的要求也是從應用端出發(fā)，有針對性的材料體系。因此今后會衍生出更多專注專精于一個或者多個領域的細分的粉末材料制備企業(yè)，加速行業(yè)更加科學健康的發(fā)展。
4 總結
面對金屬增材制造技術的快速發(fā)展和不斷壯大的市場規(guī)模，越來越多的材料商斥巨資投入金屬3D打印粉末的研發(fā)和生產(chǎn)，希望從原材料切入，抓住行業(yè)發(fā)展的重大機遇。這對于增材制造行業(yè)以及上下游的產(chǎn)業(yè)來講是一件好事，更多的研發(fā)投入和更充分的競爭，必將為市場帶來更優(yōu)秀的解決方案，新的制造手段將逐漸替代老舊的制造方式，整個市場的蛋糕也會越做越大。同時，隨著行業(yè)標準的不斷完善和技術的日漸成熟，金屬3D打印的潛力將會被更好的挖掘出來。
