價值深遠的討論：如何降低3D打印金屬粉末成本？

南極熊導讀：金屬3D打印正在逐漸走向批量規(guī)模化應用，如果成本得到50%以上的下降，應用規(guī)�？赡軙�擴大10倍甚至100倍。在“設備-材料-3D打印”這個產業(yè)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？

在2020年7月26日央視播出的《開講啦》節(jié)目中，北航王華明院士分享了課題組在“鈦合金大型整體主承力結構件激光快速成形技術”方面的科研工作和成果，在節(jié)目最后的觀眾問答環(huán)節(jié)，王院士談到未來3D打印技術隨著材料成本的下降，打印效率的提升，打印尺寸的變大，一定是一項變革的技術。

其中，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最便宜的。而現在使用最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FDM 3D打印技術中所使用的材料現狀類似，絕大部分FDM 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FDM 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。

△酷鷹機器人展出的FDM用顆粒料

那么王院士在節(jié)目中提到的思路是否可行，在國內的金屬粉末3D打印廠商中的實施情況又是怎么樣的呢？國內的金屬3D打印粉末廠商又是如何有效降低成本的呢？

△常用的金屬3D打印粉末材料

南極熊請教了國內多家3D打印金屬粉末廠商。

賽隆金屬認為

直接氣霧化做粉，抑或加工成絲材或者棒料再來做粉是由本身制粉技術的原理來決定的，沒辦法改的。降成本一方面得嘗試擴大鋪粉粒度上限，比如激光打印擴展到63微米，或者更大的75微米，因為很多大件最看重的是尺寸精度，可以適當放棄一點表面精度。提高粒度十幾微米，對粉末的綜合利用，激光打印的成本降低都會有利。另外，還是整體行業(yè)應用量還有進步空間，只要能工業(yè)化大批量使用打印技術，氣霧化和旋轉電極或者其他技術的成本基本差不多。另外，這些霧化技術出來的粉末品質也不一樣，不能從技術角度去比較降成本。還是從應用端考慮，細粉適當提高使用粒徑，粗粉在同軸送粉方面能大批量消耗，粉末綜合利用，廠商和使用廠商的成本都能降下來。粉末成本從這些年已經降了很大一塊了，如果行業(yè)能繼續(xù)保持高增長，成本還會繼續(xù)降，市場會做出選擇的，大家都在想辦法。

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中航邁特認為

從原材料、制造工藝入手是降低金屬3D打印粉末制造成本的有效路徑，航空航天用合金粉末需要采用預合金化的棒料或者絲材做原材料，以達到成分均勻化、合金純凈化的目標，通過高水平制粉、打印及熱處理，使得合金材料性能得到最大提升。航空航天用合金粉末材料主要用于結構零件的制造，材料品質是關鍵。選擇上游元素料，通過配料實現短流程制粉可以明顯降低3D打印粉末成本，但是元素料的合金化與提純非常必要，否則材料性能極不穩(wěn)定。合金原材料的熔煉一般需要VIM、ESR、VAR等工藝過程，高合金化元素一般經過兩聯熔煉工藝，以確保合金冶金質量，但是每增加一道工序，成本有明顯增加，這也是3D打印合金粉末降本的難點，既要保證航空航天品質，又要降低成本，這需要創(chuàng)造性的技術攻關。

中航邁特這樣做：金屬3D打印工藝過程具有很強的離散性，要求合金粉末原材料成分窗口窄、理化性能非常穩(wěn)定，要打通從材料成分設計、母合金制備、霧化制粉、打印、熱處理等全鏈條材料工藝技術，這是加快3D打印技術應用推廣的關鍵。降本不能以犧牲材料性能和質量為代價，應該做高端國產材料。中航邁特在超高純凈度母合金低成本制造和短流程高能霧化制粉方面下手，在保證原材料冶金質量的同時，降本增效，為用戶節(jié)約材料成本，推動行業(yè)發(fā)展。采用元素料低成本制備3D打印合金粉末，在民用場景可開展應用驗證研究，積累數據。

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威拉里認為

關于降低金屬粉末材料成本方案路徑的探討

1、真空氣霧化方面（VIGA）
① 自動化
目前的制約成本最主要的因素還是生產效率，生產及后處理系統(tǒng)流程未打通，而打通流程讓裝備實現自動化，是降低成本最為直接也是必須要進行的。
② 裝備升級
金屬粉末制備的裝備在 上料、監(jiān)控、工藝操作、關鍵點智能化方面得到升級，將在粉末的品質、收得率、穩(wěn)定性上得到大大提升，大大降低成本。
③ 余粉應用的開發(fā)
3D打印工藝對金屬粉末材料要求的粒度范圍很窄，而氣霧化制備的金屬粉末是一連續(xù)的正態(tài)分布的粒度區(qū)間。篩取3D打印使用的粉末產品后，大約余下70%的金屬粉末，而這些粉末的品質和篩取的粉末產品相當，如果得不到應用則會產生較大的成本積壓。因此，隨著余粉的應用得到開發(fā)，也將會大大降低3D打印用金屬粉末的成本。

2、電極感應熔煉霧化（EIGA）
①氬氣回收裝置
高純氬氣是EIGA的主要成本之一，因此氬氣的回收利用將會大幅降低EIGA裝置產品的成本（以鈦合金為例，大約降低約40-50%的成本）。
② 連續(xù)進料
EIGA裝置使用的原材料為合金棒材，能否實現合金的連續(xù)進料，將會對生產效率和成本，產生較大的影響。
③原材料渠道的多元化
EIGA 裝置的原料合金棒一般經過了，礦冶、多次熔煉、澆鑄、成型等工序，可以考慮在工藝上進行改進突破縮短上游材料的生產流程，提高效率，降低成本。

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中體新材認為

在3D打印發(fā)展的過程中，設備、材料及應用相輔相成。早期的設備很昂貴、可以應用的領域有限，金屬粉末材料用量小，成本高。而技術發(fā)展至今，伴隨著醫(yī)療、航天航空、汽車領域這些市場進一步的發(fā)展，對于3D打印的原材料金屬粉末的需求將會快速的增長，對細分領域的材料性能有了更高的要求的同時，對成本控制也有了進一步要求。

中體新材認為，3D打印金屬粉末的成本，其中原材料本身的成本占比并不是很高，而粉末的成分率，生產成本占的比重更大。因此我們要盡可能的提高符合不同技術類型的粉末的比例，提高收粉率。并且通過技術改進降低生產中比如電、氣、人工等費用，同時實現自動化連續(xù)化生產，提高生產效率，從這些方面降低成本，提高公司競爭力。

△不同制粉工藝的優(yōu)劣勢對比

推動3D打印產業(yè)化發(fā)展一直是中體新材的發(fā)展使命，多年來，我們一直致力于提高成分率和生產工藝的改進和創(chuàng)新，目前已經取得了一些成績，研發(fā)出了的新型氣霧化生產線NAMP。與傳統(tǒng)的VIGA、EIGA等氣霧化方法相比，中體新材NAMP生產線細粉收得率更高，粉末球形度更好，極少衛(wèi)星球和空心粉，而且生產成本更低；與PA相比，原料成本更低，方便易得；與PREP相比，原料成本更低，細分收得率更高；綜合而言，此工藝生產的金屬粉末品質高而成本最低，在3D打印金屬粉末市場有很大的優(yōu)勢。目前公司已經成功推出高品質低成本的鋁合金粉，極大的降低了鋁合金粉的成本，并且預計1-2年內可推出更多低成本的3D打印用鐵基，鎳基，銅基，鈦基等粉末。

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陜西英博金屬認為

我們作為旋轉霧化制粉的專業(yè)公司，關于如何降低金屬粉末成本主要從三個方面入手，第一，從母合金入手，要與原材料生產商合作，從冶煉開始控制成本，目前，母合金的冶煉是制造高品質金屬材料必不可少的重要環(huán)節(jié)，我們制粉用母合金對原材料的力學性能不一定有太高要求，可減少母合金后期的一些處理，從而降低原材料成本；第二，在制粉過程中，通過提高設備轉速及設備自動化水平，減少人力，提高單位產能，從而降低生產成本；第三，要和3D打印裝備設計制造機構合作，從放寬粉末選用的粒度范圍入手，可大幅提高粉末利用率，從而降低3D打印金屬粉末成本。金屬材料太復雜，品種太多，用金屬礦冶煉之后一兩步，直接生產球形金屬粉末，這種工藝局限于金屬單質，如難熔金屬等，低合金個別品種可以，高合金較難，這個想法很好，可以暢想，如鎳鈦記憶合金，通過鎳鈦棒加工粉末，母合金制造成本很高，用鎳粉和鈦粉直接打印，我們給大學提供過，試驗結果還沒出來，如成功，可大大降低成本。

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廣州納聯認為
金屬3D 打印技術激發(fā)了制造業(yè)的革新潮。金屬粉末作為金屬3D 打印產業(yè)鏈最重要的一環(huán)，其高昂的價格成為制約金屬3D 打印產業(yè)化發(fā)展的一大瓶頸。據報道，目前3D 打印的產品中金屬粉末占據了成本的30%，而在傳統(tǒng)制造工藝中，原材料通常低于產品成本的3%，因此如何降低金屬3D 打印粉末成本的研究具有重大意義。

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）。以上金屬粉末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。

很有價值的思考