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3D打印用特种粉体材料产业现况

新材料产业2018-12-05 11:58:34
  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。

一、国际3D打印产业及其专用材料研发现状
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全球3D打印产业发展现状
  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3 000万美元进行支持;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。

 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材形态提供。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。

二、我国3D打印及其专用材料产业现状
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  3D打印技术在我国还处于发展初期,产业体量相对较小。同时,中国制造业各个环节对3D打印技术的认识还存在很多不足。从实际发展情况来看,截至目前3D打印并没有实现成熟的产业化,从设备到产品再到服务仍停留在“高级玩具”阶段。但是,国内从政府到企业,普遍认可3D打印技术的发展前景,政府和社会普遍关注未来3D打印技术将对我国现有的生产、经济、制造模式等造成的影响。

  根据调研数据,目前,我国对3D打印技术的需求并非集中在设备上,而是体现在对3D打印用耗材种类多样性和对代理加工服务的需求上。工业客户是我国采购3D打印设备的主力军,他们所购买的设备主要用于航空、航天、电子产品、交通工具、设计、医疗、文化创意等行业。目前,3D打印机在中国企业的装机量约500台,年增速为60%左右。即使这样,目前的市场规模也仅为1亿元/年左右。而3D打印用材料的研发和生产潜在需求规模已近10亿元/年,随着设备工艺的普及和进步,规模还将迅速增长;同时3D打印相关委托加工服务非常火爆,多家代理3D打印设备的公司对激光烧结工艺和设备应用已非常成熟,可对外进行加工服务,由于单台设备价格一般在500万元以上,市场接受度不高,但代理加工服务却非常火爆。

国内3D打印用材料现状
  目前,我国3D打印用材料大都由快速成型厂家直接提供,尚未实现第三方供应通用材料的模式,导致材料的成本非常高。同时,国内尚无针对专用于3D打印的粉末制备研究,对粒度分布、氧含量要求严格,有些单位采用常规的喷涂粉末替代使用,存在着很多的不适用性。

  在3D打印快速成型方面,研发和生产通用性更强的材料是技术提升的关键。解决好材料的性能和成本问题,将更好地推动我国的快速成型技术的发展。目前,我国3D打印快速成型技术使用的材料大多需从国外进口,或设备厂家自己投入巨大精力和经费研制,价格昂贵,致使生产成本提高,而国内该机器使用的材料其强度、精度都较低。3D打印材料国产化已势在必行。

  在高性能金属构件直接制造方面,需要低氧含量、细粒径、高球形度的钛及钛合金粉末或镍基、钴基高温合金粉末,粉末粒度以-500目为主,氧含量宜低于0.1%,且粒径均匀,目前高端的合金粉末和制造设备还主要依靠进口。而国外常将原材料与设备捆绑销售,赚取大量的利润。以镍基粉末为例,原材料成本约200元/kg,国产产品售价一般为300~400元/kg,而进口粉末售价常在800元/kg以上。

  国内尚未针对3D打印技术用粉末开展相应的研究。如粉末成分、夹杂、物理性能对3D打印相关技术的影响及适应性。因此针对低氧含量、细粒径粉末的使用要求,尚需开展钛及钛合金粉末成分设计、细粒径粉末气雾化制粉技术、粉末特性对制品性能的影响等研究工作。国内受制粉技术所限,目前细粒径粉末制备困难,粉末收得率低、氧及其他杂质含量高等,在使用过程中易出现粉末熔化状态不均匀,导致制品中氧化物夹杂含量高、致密性差、强度低、结构不均匀等问题,国内合金粉末存在的主要问题集中在产品质量和批次稳定性等方面,包括:①粉末成分的稳定性(夹杂数量、成分均匀性);②粉末物理性能的稳定性(粒度分布、粉末形貌、流动性、松装比等);③成品率问题(窄粒度段粉末成品率低)等。

三、北京3D打印用材料研制和供应现状
  北京市科学技术委员会组织成立了“北京数字化制造产业技术创新联盟”,汇聚北京3D打印相关优势单位,如中航天地激光科技有限公司、清华大学、有研粉末新材料(北京)有限公司、北京矿冶研究总院、北京数码大方科技有限公司、北京国科世纪激光技术有限公司、中航工业北京航空制造工程研究所、机械科学研究总院先进制造中心、北京印刷学院等,从材料、设备、运行模式等方面推进相关产业发展。

  北京范围内的航空材料研究院、钢铁研究总院、北京矿冶研究总院、有研粉末公司等单位,具有研制和生产流动性能好、烧结性能优异的合金粉末(主要为气体雾化粉工艺和等离子体旋转电极制粉工艺)的能力。但还都未做3D打印用粉末的专用材料研制,也没有建设专用生产线。其中中航工业北京航空材料研究院、中国钢铁研究总院、有研粉末新材料(北京)有限公司等生产的粉末材料是针对粉末冶金或钎焊料用途设计研制,北京矿冶研究总院生产的粉末材料是针对热喷涂用途设计研制。近年来,随着3D打印技术的发展,以上单位也都将一部分精力投入3D打印用粉的研制中,个别企业已经开始了有针对性的材料研制和适用性研究工作。

  北京矿冶研究总院是国内最早从事热喷涂粉末研究与应用的大型国有科技型企业,从事合金粉末的研发生产工作已有20多年的历史,积累了丰富的研制与生产经验,拥有国际先进的真空气雾化设备(德国ALD公司和莱宝公司生产)以及多套国内先进的超高压水雾化制粉设备。该院已经逐渐摸索出了精确控制合金粉末成分的工艺方法,在超细、低氧含量粉末研制方面拥有丰富的技术沉淀、先进的生产实验设备和大量的项目研发经验,相关技术成果获国家、省部级奖20余项,并已为多种型号航空航天部件提供优质的合金粉末。目前,该院正在重点进行SLM成型金属粉体研究工作,也取得一定的研究成果。包括:①采用真空气雾化工艺制备出了适用于3D打印的镍基、钴基合金粉末,可满足医用义齿等方面的应用试验;②通过熔炼、雾化及后处理工艺的调整,控制粉末产品组织形态及物相组成,进而针对其对3D打印产品最终性能的影响进行了研究;③开展了钛合金、钴基合金、镍基合金粉末、不锈钢316L粉末在激光快速成型方面的工艺适应性研究。实现细粒径、低氧含量、高球形度合金粉末的制备是北京矿冶研究总院的技术优势所在。

四、3D打印用特种粉体材料未来发展趋势
  我国3D打印技术正处于快速发展时期,除了政府高度重视外,还在航空制造应用领域获得了重大突破。虽然我国在高性能金属构件直接制造方面的技术处于国际领先,但3D打印用特种粉体材料的研制和生产相对落后的问题仍然不容忽视。

  根据分析,笔者预计我国3D打印用特种合金粉体材料的未来发展趋势将呈现如下特点:

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高性能的金属零件直接制造用材料将成为技术制高点
  北京航空航天大学大学王华明教授指出,高性能金属构件直接制造技术将是该领域未来的技术制高点。3D打印有明确的细分市场,与快速原型制造技术相比,金属构件激光直接制造技术对于我国制造产业的推动作用更富变革性。高性能难加工的金属大型复杂构件的激光直接制造有很多优势。一方面,高性能金属构件直接制造技术与适宜的材料配合可以显著提高材料利用率,降低制造成本,避免材料浪费,节省生产时间;另一方面,高性能金属构件直接制造技术可以制造出用传统制造方法无法获得的构件形状,力学性能也较好,还能实现多材料复合成型。与此同时,用于高性能的金属零件直接制造的特种粉体材料将是该技术发展的基础与保障。只有提升材料工艺,利用3D打印技术生产高性能、难加工的大型复杂整体构件才能成为可能。因此,研发适用于金属零件激光直接制造的特种合金粉体材料是3D打印技术的重要发展方向和主要动力之一,它不仅可以帮助解决我国一些工业大型设备构件直接制造的技术瓶颈问题,而且也将是我国未来抢占3D打印增材制造技术战略制高点的重要手段。

3D打印将用于新材料研制
  增材制造过程实际上是在微米层面、或者分子层面合成一些新的材料,这样的新材料可以实现把不同的材料复合在一起,从而具有一些特殊的性质,这种新材料是传统工艺生产不出来的。例如:在制造一个产品时,某个地方要求材料强度高,某个地方要求韧性好,某个地方又要求耐腐蚀或者耐磨,用“3D打印”方式合成的新材料,能够同时满足这些要求。新材料将应用于3D打印技术中,同时3D打印采用不同材料复合可能制造出新材料,二者将是相互促进的过程。

3D打印用耗材生产通用化和专业化
  目前3D打印只能是采用单一耗材进行打印,并且不同的打印机对应不同的打印材料,未来的发展趋势是实现多耗材打印。一方面,打印材料通用化,同一种材料可以适应于不同的打印设备;另一方面,打印设备对材料的选择性也更大,可实现多种材料同时打印。一但设备的兼容性增强,材料的性能将更加稳定。

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