如何降低3D打印金屬粉末成本？

2021-10-23 08:18:15

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金屬3D打印正在逐漸走向批量規模化應用，如果成本得到50%以上的下降，應用規模可能會擴大10倍甚至100倍。在“設備-材料-3D打印”這個產業鏈條中，其中一個很重要的問題是，如何降低3D打印金屬粉末成本？

關于如何降低金屬材料成本，王院士提到，從金屬礦冶煉之后一兩步，直接還原成球形金屬粉末材料是Z便宜的。而現在使用Z多的方法是經過好幾步加工成棒材之后，再霧化加工成粉末，成本依然貴。

這一技術思路，與3D 打印技術中所使用的材料現狀類似，絕大部分 3D打印機使用的絲材需要先使用高分子聚合物拉成絲，然后再供3D打印機使用。而一部分 3D打印則開始嘗試直接使用顆粒料高分子聚合物作為材料，直接高溫熔融從噴嘴噴出，層層堆疊而實現3D打印。這樣一來，材料成本降低60%以上。

金屬3D打印要求粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高，當前制備方法主要有等離子旋轉電極法（PREP）、等離子霧化法（PA）、氣霧化法（GA）。以上3D打印金屬粉末設備制備方法的工序如下：

1. 通過電解法、熱還原法、熱分解法將礦石原料提煉成純金屬；

2. 將純金屬按需求配料、混合熔煉成合金錠；

3. 通過軋制、拉伸等加工工藝得到合金棒材、絲材；

4. 通過PREP、PA、GA 方法將合金棒材、絲材進行熔化、破碎制成粉末。

如何降低金屬3D 打印粉末成本，可從兩個方面著手：

1. 減少制粉工序

礦石的提煉過程，根據金屬粉末化學元素指標，結合礦石中金屬材料性質，直接提煉出合金材料，再次進行配料、熔煉，最后進行霧化制粉。例如：可以通過Na、Mg 直接還原TiCl4、AlCl3、VCl4 得到Ti6Al4V 合金。對于易氧化等特殊合金材料可以使用無接觸坩堝熔煉，通過惰性氣體霧化制粉。例如：水冷銅坩堝。

2. 提高粉末收得率

根據金屬材料性能，不同的熔融金屬液的表面張力不同，因此在霧化過程中，不同的金屬材料液流需要適配合理的噴盤、霧化氣體的溫度和壓力等，實現破碎后粉末的飛行軌跡和球化時間的有效控制，可以顯著改善粉末的球形度、提高粉末收得率。