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獨(dú)角獸之窘境——論Desktop Metal的挑戰(zhàn)與出路 

2020-11-10 10:38
編者按:本文來(lái)自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3)作者:靖哥,3D打印資源庫(kù)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

從粉末形態(tài)到實(shí)體結(jié)構(gòu)終有一收縮形變,或在打印過(guò)程,或在后處理過(guò)程。
以下的分析以Desktop Metal為例,適用于粘結(jié)劑金屬打印成形的其它公司。

Desktop Metal(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM)是一個(gè)很會(huì)講故事的公司。故事打動(dòng)了很多人,于是DM獲得了約4.4億美金的融資,和15億美金的估值。
會(huì)講故事很重要,但得兌現(xiàn),否則就是事故了。

DM初期產(chǎn)品為Studio系列和Production系列。Studio系列產(chǎn)品基于FDM工藝,聚合物絲材中混合金屬粉材,經(jīng)過(guò)燒結(jié)得到具有一定致密度的金屬樣件。Studio系列并不被認(rèn)為是DM的市場(chǎng)主打,而Production系列才是希望之寄托。

DM 之Production設(shè)備技術(shù)分析

DM 將Production工藝與激光粉床熔融成形(LPBF)工藝進(jìn)行對(duì)比,并宣稱(chēng)速度是對(duì)手100倍;而且打印的過(guò)程中不需要支撐,可以層疊多層多件打印。這些都是真相,但不是所有的真相。
因?yàn)榻饘僬辰Y(jié)成形與粉床熔融成形(PBF)并不直接具有可比性,PBF所用的材料及其應(yīng)用場(chǎng)景與粉末粘結(jié)技術(shù)大多并不重合,它們不是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

設(shè)備參數(shù)
成形空間:330mm x 330mm x 330mm
速度:最高8,200cm3/hr
打印成本:$1-3/cm3
材料:17-4PH等。
價(jià)格:~$400K
裝機(jī)公司:Ford汽車(chē)等。

技術(shù)看點(diǎn)
1. 振動(dòng)式撒粉。從圖中可以看到,粉末從料斗被撒在成形面,滾軸推平粉末。DM為了降低原材料的成本,可以使用MIM(金屬注射成形)的粉末,但引入了流動(dòng)性差等問(wèn)題。如果采用PBF普遍使用的技術(shù)(不包括Velo3D),則可能會(huì)出現(xiàn)由于摩擦及重力刮掉已經(jīng)打印的層面。
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圖1 Production系列鋪粉的過(guò)程(來(lái)源:DM)
2. 噴頭堵塞的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。粘結(jié)劑噴印中噴頭的堵塞會(huì)造成產(chǎn)品中的缺陷,而實(shí)時(shí)的檢測(cè)可以有效的避免這一缺陷的增加。
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圖2  粘結(jié)劑噴印質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(來(lái)源:DM)
3. 粘結(jié)劑的種類(lèi)。粘結(jié)劑在不同的設(shè)備產(chǎn)商中都有自己對(duì)應(yīng)的配方和供貨商。DM所述其粘結(jié)劑的優(yōu)勢(shì)需要在應(yīng)用中予以驗(yàn)證。

技術(shù)限制
DM的技術(shù)限制,打印過(guò)程中常見(jiàn)可能是噴頭堵塞(實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以緩解),其它主要問(wèn)題則在燒結(jié)的工藝中。而燒結(jié)對(duì)DM的限制,同樣適用粘結(jié)劑金屬成形工藝,包括金屬注射成形(MIM)和3D打印金屬粘結(jié)劑成形中的所有種類(lèi)。

1. 對(duì)于粘結(jié)劑污染敏感的材料難以加工(如鈦合金)。
粘結(jié)劑中包含大量的的氫氧等元素,對(duì)于鈦合金這類(lèi)材料,氫氧的污染都會(huì)造成機(jī)械性能的急劇下降。在燒結(jié)的過(guò)程中,氧化等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致樣品的污染。目前尚未看到3D打印的設(shè)備提供商提供鈦合金等粉末的成形。

2. 成形件尺寸限制——來(lái)自牛頓的詛咒。
金屬粉末到實(shí)體的燒結(jié)過(guò)程收縮形變總會(huì)有的,尺寸越大,形變?cè)酱蟆H缤勰┳⑸涑尚图夹g(shù),金屬粘結(jié)劑打印的粉末燒結(jié)過(guò)程中,也會(huì)發(fā)生收縮,而線性收縮比會(huì)在15%~20%之間。與底板接觸的部分直接受到接觸面摩擦,而表面部分則可以自由變形,因而產(chǎn)生了應(yīng)力。零件越大,則由于自重引起的摩擦力,就會(huì)產(chǎn)生更大的變形,嚴(yán)重者則燒結(jié)失敗。

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圖3 拖曳變形(來(lái)源:OPTIMIM)
當(dāng)然,這些都是牛頓萬(wàn)有引力惹的禍。如果能夠在零重力的環(huán)境,比如太空中進(jìn)行后處理,那么多數(shù)問(wèn)題將不復(fù)存在。
而實(shí)際上,我們看到Production的設(shè)備,超過(guò)100mm的樣品基本為薄片,或者是鉆頭類(lèi)的產(chǎn)品。復(fù)雜形態(tài)所展示出的產(chǎn)品尺寸較?。?br />
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圖4. Production打印產(chǎn)品(來(lái)源:DM)

行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)

在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)方面,DM的對(duì)手包括:ExOne,VoxelJet等有數(shù)十年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的3D打印公司,以及MIM(金屬注射成形)這一傳統(tǒng)行業(yè)。
MIM,主要應(yīng)用于批量化的加工簡(jiǎn)單的零件;DM在這方面積累顯然并不比前者更豐富,而成本上當(dāng)前并不具備可取代性。

2019年7月,DM的投資方Ford得到第一臺(tái)DM Production設(shè)備。除了當(dāng)時(shí)Ford對(duì)此設(shè)備應(yīng)用的展望之后,并沒(méi)有更多的新聞跟進(jìn)。
2019年11月,ExOne就宣布發(fā)布X1 160 Pro,參數(shù)直接對(duì)比DM,而且速度、成形空間都超過(guò)了DM。

X1 160 Pro
速度:最高10,000cm3/hr >(8,200 DM的參數(shù))
成形空間:800mmx 500mm x 400 mm
材料:  單成分金屬:17-4PH, 304L, 316L , M2 工具鋼;
            多組分金屬:316SS滲銅;420 滲銅;鎢滲銅。
靖哥同樣去查看了ExOne的應(yīng)用實(shí)例,也并沒(méi)有看到直接打印出來(lái)的大型金屬器件。
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圖5 X1 160 Pro設(shè)備(來(lái)源:Exone)

發(fā)展應(yīng)對(duì)

在2020年初,DM宣布推出Shop和Fiber系列。Shop系列(車(chē)間系列)是Production系列的縮小版,而Fiber系列則是能夠打印增強(qiáng)纖維的FDM設(shè)備。本篇不對(duì)這兩種型號(hào)展開(kāi)討論。

Shop系列, 其CTO Jonah Myerberg在接受訪問(wèn)中講到將于2020年第3、4季度發(fā)貨:
價(jià)格分別為:$150,000  (350 x 220 x 50mm)
可以擴(kuò)容到:$225,000  (350 x 220 x 200mm)

Fiber系列(纖維增強(qiáng)系列)包括低溫和高溫兩種型號(hào),能夠使用碳纖維、玻璃纖維,可以打印的材料包括尼龍、PEEK和PEKK這幾種高性能的聚合物材料。
收費(fèi)模式為租賃模式:
低溫型號(hào):$3495/年,3年,材料:PA6;
高溫型號(hào):$5495/年,3年,材料:PEEK,PEKK。

【靖哥分析】

DM很可能自我感覺(jué)大號(hào)練廢了,盡快整個(gè)小號(hào)看看能不能復(fù)盤(pán)。
DM的宣傳是讓工業(yè)級(jí)別的制造可以和粉末冶金一樣的便宜,而且對(duì)應(yīng)的客戶(hù)主要是大客戶(hù);但是當(dāng)前推出的Shop和Fiber系列的舉動(dòng),在一定程度上說(shuō)明其對(duì)于大客戶(hù)的服務(wù)并未得到行業(yè)的認(rèn)可;在現(xiàn)金流壓力的驅(qū)動(dòng)下,轉(zhuǎn)而向車(chē)間級(jí)別的用戶(hù)招手。(Shop在此處對(duì)應(yīng)的應(yīng)該Machine shop和Job shop,指代加工車(chē)間)。

DM的現(xiàn)狀

行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)

DM在其各個(gè)產(chǎn)品線上都有著不弱的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,有一些方向不止一個(gè)。
1. 在Production工業(yè)級(jí)別設(shè)備方向,尚未有很積極的新聞釋放出來(lái);同期遭遇了ExOne的強(qiáng)勢(shì)阻擊,X1的160Pro在參數(shù)上已經(jīng)向投資人宣布,DM所說(shuō)的速度優(yōu)勢(shì)已不存在;
2. 在Fiber系列,Markforged已經(jīng)在此領(lǐng)域耕耘多年,其在行業(yè)中出名也是以連續(xù)纖維打印而出名;
3. 在Studio系列,這并不是DM的首創(chuàng),其銷(xiāo)量更是難以支撐15億美金的估值;
4. 在Shop系列,它只是Production的縮小版;更何況ExOne在小型機(jī)方面早已布局了多年。

投資盈利估算
投資人已經(jīng)投入了巨資進(jìn)入,他們的回報(bào)預(yù)期如何。
Production系列的價(jià)格大概$400K,不同的渠道價(jià)格說(shuō)法有一定的差異。
如果按照DM估值$15億美金來(lái)算,那么投資人想得到期望的回報(bào),那么DM需要在2024年全年銷(xiāo)售大約300臺(tái)的Production系列,或者800臺(tái)的Shop系列,這對(duì)于當(dāng)前DM的銷(xiāo)售團(tuán)隊(duì)而言,無(wú)疑是一個(gè)巨大的壓力。
如此看來(lái),DM的情況想必會(huì)讓其董事們寢食難安;而其下一輪的融資難度增加不少。

DM的改進(jìn)方向

但DM依然可以發(fā)揮其技術(shù)開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。既然已經(jīng)有Ford購(gòu)買(mǎi)了設(shè)備,也是其投資人,DM很清楚行業(yè)中對(duì)大型金屬件打印的需求。雖然粉末冶金/粘結(jié)劑打印這種工藝的后期燒結(jié)收縮為行業(yè)的瓶頸,但是依然有路可以去探索:

靖哥試著給DesktopMetal開(kāi)出一劑藥方,用于不同的時(shí)期:

1. 尚未解決大尺寸零件的燒結(jié)形變問(wèn)題階段
在粉末冶金工藝中需要后期拼裝,耗費(fèi)大量人工時(shí)間的組裝件中尋找機(jī)遇。以一件取代幾件甚至幾十件的工藝優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的盈利點(diǎn)。件取代幾件甚至幾十件的工藝優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的盈利點(diǎn)。在這一過(guò)程中需要對(duì)于燒結(jié)過(guò)程的形變進(jìn)行大量的模擬、實(shí)驗(yàn),以確保形變?cè)谌蒎e(cuò)范圍之內(nèi),且該組裝件必須具有很大的需求量。該領(lǐng)域應(yīng)該在汽車(chē)領(lǐng)域。另一方面繼續(xù)開(kāi)拓小尺寸零件柔性制造的市場(chǎng)。特別是在當(dāng)前國(guó)際環(huán)境下,小批量的生產(chǎn)訂單快速的增加;而3D打印無(wú)模具的生產(chǎn)模式,正是滿(mǎn)足這一需求的絕佳方案。

2. 撒粉技術(shù)授權(quán)至粉床熔融成形領(lǐng)域
DM的撒粉方式,對(duì)于底層粉末的沖擊較小,對(duì)于球形粉末有可能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確地控制。經(jīng)過(guò)優(yōu)化,該工藝可以考慮授權(quán)給激光粉床熔融成形的設(shè)備生產(chǎn)商。畢竟Velo3D融資中很大的一個(gè)亮點(diǎn)就是以其獨(dú)特的送粉方式,降低了對(duì)粉床中精細(xì)結(jié)構(gòu)擾動(dòng);缺點(diǎn)是速度太慢了。DM的這項(xiàng)撒粉技術(shù)也是自上而下的方式,并且速度具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.加大研發(fā)力度,實(shí)現(xiàn)其工藝中為生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的能力。
在此階段,DM已經(jīng)克服了燒結(jié)中的形變問(wèn)題,能夠?qū)崿F(xiàn)大型的樣品的燒結(jié)處理。在這個(gè)階段,DM打開(kāi)了所羅門(mén)寶藏之門(mén)。至此,DM不用擔(dān)心生存會(huì)有任何的問(wèn)題了;而汽車(chē)等大型制造領(lǐng)域的訂單將會(huì)向雪花一般飄來(lái)。然而,這一工藝的解決非常的困難,不過(guò)DM應(yīng)該在進(jìn)行吧。

小結(jié)

DM的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)、導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)確實(shí)很強(qiáng),用全明星陣容亦不為過(guò)。Ely Sachs 教授,DM的共同CTO,就是發(fā)明了粘結(jié)劑噴印的第一人,而3D打印之名(3D打印在業(yè)內(nèi)是增材制造)也從此而來(lái);而其他的創(chuàng)始人很多也有成功創(chuàng)業(yè)的經(jīng)歷。
希望DM能夠克服其發(fā)展所遇到的困難。畢竟DM講的這個(gè)故事確實(shí)很吸引人:和粉末冶金一樣便宜。我們希望看到DM不僅突破了粉末冶金在形狀復(fù)雜度的限制,更會(huì)進(jìn)一步的突破大型尺寸燒結(jié)的限制。如果給它加一個(gè)限定,靖哥希望在地球上就可以實(shí)現(xiàn)。

【討論】

今天,中國(guó)需要芯片,世界需要疫苗,有很多認(rèn)真做事的人和企業(yè)在解決問(wèn)題,同時(shí)在地球的很多地方成立了大量“故事協(xié)會(huì)”。
這個(gè)世界會(huì)講故事的人很多,我們也看到很多故事變成事故。我們的讀者都看到過(guò)多達(dá)十幾億、幾十億美金的大型翻車(chē)現(xiàn)場(chǎng):
硅谷女版喬布斯Elizabeth Holmes的一滴血檢測(cè)公司Theranos,融資14億美金,估值90億美金,而后發(fā)現(xiàn)精心編制的謊言。故事無(wú)法再續(xù),公司資產(chǎn)幾被清零;
Magic Leap用一個(gè)合成的影片,實(shí)現(xiàn)了迄今約30億美金的融資。今年4月份剛裁員1000人,同時(shí)裁掉了消費(fèi)者板塊的業(yè)務(wù)。當(dāng)然伴隨著5月份就又獲得了3.5億美金的融資,因而宣布故事將繼續(xù)。
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圖6 Magic Leap的合成圖片與折角獸

歷史依然在當(dāng)代演繹著。DM會(huì)折角嗎?時(shí)間將會(huì)回答這一切。

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布,不代表3D打印資源庫(kù)立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。
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