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3D打印用特种粉体材料产业发展现状与趋势⑴

来源：进出口服务网 | 时间：2014/9/26 10:16:52 | 阅读次数：

发布单位：CIEDATA

• 发布人：
• 小杨

  3D打印（增材制造）技术目前已经成为全球最关注的新兴技术之一，其专用材料尤其是高性能金属构件激光直接制造用特种粉体材料产业发展前景很好。本文对3D打印用特种粉体材料产业国内外发展现状及未来趋势进行了阐述。
    1.世界各国正在不断加强3D打印技术的研发及应用。
    欧盟和美国引领着世界3D打印技术的发展，并在该技术的应用和推广领域获得先机。美国将“3D打印”研发中心作为新建的15个国家制造创新中心之首，政府直接投资3000万美元进行支持；近日，美国国家航空航天局和洛克达因公司共同完成了3D打印火箭发动机喷射器的测试，工时和成本骤降，全尺寸3D打印零件将是未来美国开发的重点方向；欧洲也十分重视对3D打印技术的研发应用，英国《经济学人》杂志是最早将3D打印称为“第三次工业革命的引擎”的媒体；2013年10月份，欧洲航天局公布了“将3D打印带入金属时代”的计划，旨在为宇宙飞船、飞机和聚变项目制造零部件，最终的目标是采用3D打印技术实现由一整块金属构成、不需要焊接或熔合的整颗卫星的整体制造；澳大利亚在2013年制定了金属3D打印技术路线，并于2013年6月揭牌成立“中澳轻金属联合研究中心（3D打印）；德国将“选择性激光熔结技术”列入“德国光子学研究”；日本着力推动3D打印产业链后端，不断尝试将本国已取得的技术成果在工业中进行推广和应用；南非政府将目光投向大型3D打印机设备的研制和开发，将核心激光设备研制与扶持激光技术协同发展；我国地方政府也非常重视3D打印产业，珠海、青岛、四川双流、南京等地先后建立了多个3D打印技术产业创新中心和科技园。
    全球3D打印产业的权威研究机构——美国沃勒斯公司发布的全球3D打印产业报告显示，2012年全球3D打印市场总收入为22亿美元，其中包括设备和服务。美国的产业收入一马当先，大约占全球总收入的60%，传统的制造业强国——德国和日本比较重视制造技术的革新，3D打印产业收入各约占全球的10%，中国作为未来巨大的应用市场，产业收入已约占全球总收入的10%，有望成为世界3D打印产业的一极。据美国消费者电子协会最新发布的年度报告显示，3D打印服务的社会需求量将逐年增长，其产值到2017年有望增长至50亿美元。
    2.3D打印用材料发展现状
    有专家指出，3D打印的核心是它对传统制造模式的颠覆，因此，从某种意义上说，3D打印最关键的不是机械制造，而是材料研发。
    3D打印对原材料的要求比较苛刻，满足激光工艺的适用性要求所选的材料需要以粉末或丝棒状形态提供。材料融化后在软件程序驱动下，自动按设计工艺完成各切片的凝固，使材料重新结合起来，完成成型。由于整个过程涉及材料的快速融化和凝固等物态变化，对适用的材料性能要求极高，从而材料成本居高不下。比如，即使打印一个手机大小的产品，整个耗材价格至少要150元以上。基于此，未来3D打印产业需要不懈追求的目标仍将是：“研发出更多种类的材料”、“使材料获得与工艺更匹配的性能”、“实现更高的制备工艺精度和更廉的原材料价格”以及“将3D打印的直接制造技术应用到更多更广的领域”。
    3D打印技术包括“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”2大类。目前公众所了解的3D打印成果和案例大多属于“快速原型制造技术”范畴。其实快速原型制造的范畴比较广，除了3D打印还有“熔融沉积造型”、“选择性激光烧结”、“立体印刷”、“叠层实体造型”等多种方式。因此，3D打印并不能完全涵盖“快速原型制造”，而只是实现快速原型制造的路径之一。另外一个分支是高性能的金属零件直接制造，这一领域可谓意义重大，但难度也更大，对材料和设备的要求极其苛刻，是3D打印技术的制高点。
    （1）快速原型制造用材料
    快速原型制造即通常所说的快速成型，近年来应用不断拓展，发展极为迅速，已成为工业模型设计与制作中的一项关键技术。最早主要是做树脂、石蜡、纸等原型件，用途集中在新产品的快速设计方面，通过该技术可以简便、快速地实现设计的优化和产品的评估，由于其“所见即所造”的特点，能够省去大量生产准备环节，从而显著缩短新产品的研发周期，最终使新产品的研发成本显著降低。我国3D打印目前2亿元/a的产值基本来源于此。近年快速成型加入选择性激光烧结工艺，使3D打印在保持高效率的同时，制造精度也得到显著提升。
    目前3D打印快速成型用特种粉体材料大多是设备工艺厂商针对各自设备特点定制的，优点是与专属设备的适用性好、研制难度相对小，缺点是材料的产业通用性差、产品成型过程的精度有待提高、产品成型后的强度较低。可见，制品表面精度受粉末原材特性的制约明显，工艺对材料依赖性不容忽视。
    （2）高性能金属构件直接制造技术用材料
    高性能金属构件直接制造技术起步于20世纪90年代初，工艺难度比较大，主要采用高功率的能量束如激光或电子束作为热源，使粉末材料进行选区熔化，冷却结晶后形成严格按设计制造的堆积层，堆积层连续成型，形成最终产品。到目前为止，工业上的小型金属构件直接制造相对容易，体积较大的金属构件的直接制造难度非常大，对材料和工艺控制的要求很高。这将是增材制造产业推动相关工业发展的重点方向，也将是一项关键技术。其最大的难度在于材料和成型工艺。以钛合金为例，激光熔化后的材料凝固会造成钛合金体积收缩，造成巨大的材料热应力，内应力对小型构件影响不大，但随着零件尺寸的增加，成型变得非常困难，即使能够成型也会由于大的内应力严重影响材料强度。第二个难题是材料冷却结晶过程复杂，材料结晶过程很难定量控制，一旦出现晶体粗大、枝晶等必将造成材料成型后的力学性能不佳等问题，最终结果就是关键构件没办法获得实际应用。
    高性能金属构件直接制造技术自问世伊始，就与配套材料的发展密不可分。近年来，金属构件直接制造所使用的高性能特种粉体材料备受关注。欧美等国已经比较成熟地实现了小尺寸不锈钢、高温合金等零件的激光直接成形，未来高温合金、钛合金材质大型金属构件的激光快速成形作将成为主要技术的攻关方向。我国北京航空航天大学团队在这一领域走在了世界前列，他们通过激光直接制造成套装备的研制和对大型钛合金金属结构件成形原理的探究，已掌握高性能金属构件直接制造核心技术，其成果已应用于多种型号飞机的研制中。但国内用于金属构件直接制造的材料主要依赖进口，国产化的同类材料。目前还存在着氧含量高、球形度差、成分均匀性差以及粒度分布不佳等问题，这在一定程度上限制着我国高端3D打印产业的进一步发展。
    合金粉末内部的组织结构对3D打印最终产品的影响较大，组织粗大的粉末熔覆性能较差。高性能金属构件直接制造用特种粉末要求低氧含量和高球形度，行业内主要由气雾化和真空气雾化工艺制备。合金粉末的制备方法主要有水雾化、气雾化和真空雾化等，其中真空雾化制备的粉末具有氧含量低、球形度高、成分均匀等特点，应用效果最佳。
    高性能金属构件直接制造所用材料主要是钛及钛合金粉末材料和镍基或钴基的高温合金类粉末材料。钛及钛合金粉末材料采用粉末冶金法制造零部件是少切削或无切削的近净成型工艺，金属的利用率接近100%，是降低钛及钛合金零件使用成本的最佳方式。目前钛及钛合金粉末制备方法主要有等离子旋转电极、单棍快淬、雾化法等，其中旋转电极法因其动平衡问题，主要制备20目左右的粗粉；单棍快淬法制备的粉末多为不规则形状、杂质含量高，而气体雾化法制备的粉末具有氧及其他杂质含量低、球形度好、粒度可控、冷却速度快、细粉收得率高等优点，是高品质钛及钛合金粉末的主要制备工艺。
    国外钛及钛合金粉末的研究由来已久，技术相对成熟，美国在1985年发表了水冷铜坩埚惰气雾化法的专利，在1988年建立起年产11t的粉末研制线；而日本在1990年已建立年产60t的惰气雾化粉末生产线，并实现规模化生产；而国内在雾化设备及粉末制备工艺方面，主要为移植和仿研，高性能制粉设备仍以进口为主，在水冷铜坩埚制备技术、底注式雾化方式等方面仍和国外差距较大；在粉末制备方面，目前粉末的粒度主要集中于：40～300目之间，杂质元素如钙、氢、氧等也高于国外同类产品水平，如国内制备的真空钛合金钎焊料由于杂质含量高，在使用过程中存在润湿性差、焊缝质量不均匀、焊接强度低等问题。
    镍基或钴基的高温合金粉末的制备方法主要有雾化法、旋转电极法、还原法等。雾化法主要有二流雾化、离心雾化等方法。气雾化（含真空雾化）属于二流雾化，具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点。经历近200年的发展,气雾化已经成为生产高性能金属及合金粉末的主要方法。不过，雾化合金粉末易也出现一些缺陷，例如夹杂物、热诱导孔洞、原始粉末颗粒边界物。对于3D打印技术来说，粉体材料中夹杂物和热诱导孔洞都会对成型部件产生影响。

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