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3D打印用粉體材料的現狀與發展趨勢
2015年04月29日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:7706
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3D打印(增材制造)技術是全球最關注的新興技術之一。全球3D打印產業的權威研究機構——美國沃勒斯公司發布的全球3D打印產業報告顯示,美國、德國、日本的3D打印產業已經成為世界3D打印產業的領頭羊,占有全球3D打印產業70%以上的份額。3D打印服務的社會需求量將逐年增長,目前產值已經超過30億美元,到2017年有望增長至50億美元。世界各國正在不斷加強3D打印技術的研發及應用,我國政府也非常重視3D打印產業,珠海、青島、四川雙流、南京等地先后建立了多個3D打印技術產業創新中心和科技園。有專家指出,3D打印的核心是它對傳統制造模式的顛覆,因此,從某種意義上說,3D打印最關鍵的不是機械制造,而是材料研發。

 

3D打印機及其打印作品圖示

 

一、3D打印用材料特性及發展現狀 

3D打印對原材料的要求比較苛刻,滿足激光工藝的適用性要求所選的材料需要以粉末或絲棒狀形態提供。材料融化后在軟件程序驅動下,自動按設計工藝完成各切片的凝固,使材料重新結合起來,完成成型。由于整個過程涉及材料的快速融化和凝固等物態變化,對適用的材料性能要求極高,從而材料成本居高不下。比如,即使打印一個手機大小的產品,整個耗材價格至少要150元以上。基于此,未來3D打印產業需要不懈追求的目標仍將是:“研發出更多種類的材料”、“使材料獲得與工藝更匹配的性能”、“實現更高的制備工藝精度和更廉的原材料價格”以及“將3D打印的直接制造技術應用到更多更廣的領域”。


3D打印技術包括“快速原型制造技術”和“金屬構件直接制造技術”兩大類。目前公眾所了解的3D打印成果和案例大多屬于“快速原型制造技術”范疇。其實快速原型制造的范疇比較廣,除了3D打印還有“熔融沉積造型”、“選擇性激光燒結”、“立體印刷”、“疊層實體造型”等多種方式。因此,3D打印并不能完全涵蓋“快速原型制造”,而只是實現快速原型制造的路徑之一。另外一個分支是高性能的金屬零件直接制造,這一領域可謂意義重大,但難度也更大,對材料和設備的要求極其苛刻,是3D打印技術的制高點。

 

1、快速原型制造用材料

快速原型制造即通常所說的快速成型,近年來應用不斷拓展,發展極為迅速,已成為工業模型設計與制作中的一項關鍵技術。最早主要是做樹脂、石蠟、紙等原型件,用途集中在新產品的快速設計方面,通過該技術可以簡便、快速地實現設計的優化和產品的評估,由于其“所見即所造”的特點,能夠省去大量生產準備環節,從而顯著縮短新產品的研發周期,最終使新產品的研發成本顯著降低。我國3D打印目前2億元/a的產值基本來源于此。近年快速成型加入選擇性激光燒結工藝,使3D打印在保持高效率的同時,制造精度也得到顯著提升。

目前3D打印快速成型用特種粉體材料大多是設備工藝廠商針對各自設備特點定制的,優點是與專屬設備的適用性好、研制難度相對小,缺點是材料的產業通用性差、產品成型過程的精度有待提高、產品成型后的強度較低。可見,制品表面精度受粉末原材特性的制約明顯,工藝對材料依賴性不容忽視。

 

2、高性能金屬構件直接制造技術用材料

高性能金屬構件直接制造技術起步于20世紀90年代初,工藝難度比較大,主要采用高功率的能量束如激光或電子束作為熱源,使粉末材料進行選區熔化,冷卻結晶后形成嚴格按設計制造的堆積層,堆積層連續成型,形成最終產品。到目前為止,工業上的小型金屬構件直接制造相對容易,體積較大的金屬構件的直接制造難度非常大,對材料和工藝控制的要求很高。這將是增材制造產業推動相關工業發展的重點方向,也將是一項關鍵技術。其最大的難度在于材料和成型工藝。以鈦合金為例,激光熔化后的材料凝固會造成鈦合金體積收縮,造成巨大的材料熱應力,內應力對小型構件影響不大,但隨著零件尺寸的增加,成型變得非常困難,即使能夠成型也會由于大的內應力嚴重影響材料強度。第二個難題是材料冷卻結晶過程復雜,材料結晶過程很難定量控制,一旦出現晶體粗大、枝晶等必將造成材料成型后的力學性能不佳等問題,最終結果就是關鍵構件沒辦法獲得實際應用。

 

高性能金屬構件直接制造技術自問世伊始,就與配套粉體打印材料的發展密不可分。合金粉末內部的組織結構對3D打印最終產品的影響較大,組織粗大的粉末熔覆性能較差。高性能金屬構件直接制造用特種粉末要求低氧含量和高球形度,行業內主要由氣霧化和真空氣霧化工藝制備。合金粉末的制備方法主要有水霧化、氣霧化和真空霧化等,其中真空霧化制備的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均勻等特點,應用效果最佳。近年來,歐美等國已經比較成熟地實現了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形,未來高溫合金、鈦合金材質大型金屬構件的激光快速成形作將成為主要技術的攻關方向。我國北京航空航天大學團隊通過對激光直接制造成套裝備的研制和對大型鈦合金金屬結構件成形原理的探究,已掌握高性能金屬構件直接制造核心技術,其成果已應用于多種型號飛機的研制中。但國內用于金屬構件直接制造的材料主要依賴進口,國產化的同類材料。目前還存在著氧含量高、球形度差、成分均勻性差以及粒度分布不佳等問題,這在一定程度上限制著我國高端3D打印產業的進一步發展。

 

二、我國3D打印及其專用粉體材料產業現狀

1國內3D打印產業現況

3D打印技術在我國還處于發展初期,產業體量相對較小。同時,中國制造業各個環節對3D打印技術的認識還存在很多不足。根據調研數據,目前,我國對3D打印技術的需求并非集中在設備上,而是體現在對3D打印用耗材種類多樣性和對代理加工服務的需求上。

 

2國內3D打印用材料現狀

目前,我國3D打印用材料大都由快速成型廠家直接提供,尚未實現第三方供應通用材料的模式,導致材料的成本非常高。同時,國內尚無針對專用于3D打印的粉末制備研究,對粒度分布、氧含量要求嚴格,有些單位采用常規的噴涂粉末替代使用,存在著很多的不適用性。

3D打印快速成型方面,研發和生產通用性更強的材料是技術提升的關鍵。解決好材料的性能和成本問題,將更好地推動我國的快速成型技術的發展。目前,我國3D打印快速成型技術使用的材料大多需從國外進口,或設備廠家自己投入巨大精力和經費研制,價格昂貴,致使生產成本提高,而國內該機器使用的材料其強度、精度都較低。3D打印材料國產化已勢在必行。

 

在高性能金屬構件直接制造方面,需要低氧含量、細粒徑、高球形度的鈦及鈦合金粉末或鎳基、鈷基高溫合金粉末,粉末粒度以-500目為主,氧含量宜低于0.1%,且粒徑均勻,目前高端的合金粉末和制造設備還主要依靠進口。國內受制粉技術所限,目前細粒徑粉末制備困難,粉末收得率低、氧及其他雜質含量高等,在使用過程中易出現粉末熔化狀態不均勻,導致制品中氧化物夾雜含量高、致密性差、強度低、結構不均勻等問題。

 

國外廠商憑借技術優勢,常將3D原材料與設備捆綁銷售,賺取大量的利潤。以鎳基粉末為例,原材料成本約200/kg,國產產品售價一般為300400/kg,而進口粉末售價常在800/kg以上。

 

三、我國3D打印用特種粉體材料未來發展趨勢

我國3D打印技術正處于快速發展時期,雖然我國在高性能金屬構件直接制造方面的技術處于國際領先地位,但3D打印用特種粉體材料的研制和生產相對落后的問題仍然不容忽視。 根據分析,我國3D打印用特種合金粉體材料的未來發展趨勢將呈現如下特點:

1、高性能的金屬零件直接制造用材料將成為技術制高點

高性能難加工的金屬大型復雜構件的激光直接制造有很多優勢:一方面,高性能金屬構件直接制造技術與適宜的材料配合可以顯著提高材料利用率,降低制造成本,避免材料浪費,節省生產時間;另一方面,高性能金屬構件直接制造技術可以制造出用傳統制造方法無法獲得的構件形狀,力學性能也較好,還能實現多材料復合成型。與此同時,用于高性能的金屬零件直接制造的特種粉體材料將是該技術發展的基礎與保障。


23D打印將用于新材料研制 

增材制造過程實際上是在微米層面、或者分子層面合成一些新的材料,這樣的新材料可以實現把不同的材料復合在一起,從而具有一些特殊的性質,這種新材料是傳統工藝生產不出來的。例如:在制造一個產品時,某個地方要求材料強度高,某個地方要求韌性好,某個地方又要求耐腐蝕或者耐磨,用“3D打印”方式合成的新材料,能夠同時滿足這些要求。新材料將應用于3D打印技術中,同時3D打印采用不同材料復合可能制造出新材料,二者將是相互促進的過程。


33D打印用粉體耗材生產將通用化和專業化 

目前3D打印只能是采用單一耗材進行打印,并且不同的打印機對應不同的打印材料,未來的發展趨勢是實現多耗材打印。一方面,打印材料通用化,同一種材料可以適應于不同的打印設備;另一方面,打印設備對材料的選擇性也更大,可實現多種材料同時打印。一但設備的兼容性增強,材料的性能將更加穩定。

 

小結:3d打印技術從長遠來看,這項技術應用范圍之廣將超乎想象,最終將給人們的生產和生活方式帶來顛覆式的改變,甚至會引發第三次工業革命。但是由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素,這項技術并不能完全取代傳統的減材制造法并實現大規模工業化生產,未來相當長的一段時間內兩種生產方式將并存、互補。總體而言,3D打印技術將會進入一個發展的快車道。而作為3D打印技術的核心,3D打印用粉體材料的研發及發展速度決定著這一朝陽產業的前進步伐。因此,3D打印用粉體材料生產技術將是未來粉體材料領域一顆璀璨明珠,誰能搶得先機誰就能成為粉體材料領域的時代弄潮兒。

(粉體圈 作者:梧桐)

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