鈦合金再生粉3D打印抗拉強度高達1500兆帕，思銳已實現(xiàn)量產(chǎn)，TC4價格低至300元/kg

南極熊導(dǎo)讀：鈦合金粗粉廢料回收再制粉，3D打印抗拉強度高達1500兆帕，國內(nèi)廠商思銳增材已實現(xiàn)量產(chǎn)，TC4價格低至300元/kg。

自上世紀(jì)50年代以來，鈦合金因其戰(zhàn)略金屬的地位與優(yōu)異的性能，主要應(yīng)用于航空、軍工、醫(yī)療等高端領(lǐng)域，鈦合金的“貴族”形象一直深入人心。在2000年初，鈦合金曾一度用作ThinkPad電腦、徠卡相機等數(shù)碼產(chǎn)品的外殼。直至近兩年，鈦合金開始大量出現(xiàn)在消費電子產(chǎn)品上，例如Apple Watch Ultra、iPhone 15 Pro、HUAWEI WATCH 4 Pro等。2023年7月，在榮耀發(fā)布的折疊屏手機Magic V2中，甚至直接采用了3D打印的鈦合金鉸鏈軸蓋，從而減小了折疊屏整體厚度和重量。

當(dāng)前，鈦合金在金屬3D打印市場占比高達30%，每年消耗的3D打印用鈦合金粉超過1000噸。常規(guī)3D打印用鈦合金制粉工藝主要是EIGA、PA、PREP三種，除此以外也存在一些特殊工藝，如PIGA、PS、VIGA-CC等。無論哪種工藝都無一例外帶來了大量的、難以重熔回收的鈦合金粗粉廢料，使用最多的EIGA工藝，不符合3D打印使用的副產(chǎn)物廢料甚至占通粉的50%以上。

相比3D打印增材技術(shù)，CNC數(shù)控機加工等減材技術(shù)所產(chǎn)生的車削、銑削等碎屑廢料體量更加龐大，比例可能超過90%。通常，體積大的鈦合金邊料或失敗制件，可以通過傳統(tǒng)的VAR重熔方法回收。但是，鈦合金CNC碎屑就必須要額外處理氧化皮與油污，以減少雜質(zhì)引入，而粗粉廢料則須先加溫加壓預(yù)制成坯，才可以重熔回收，否則會因粗粉表面活性較高，造成重熔飛濺爆炸事故。

△原生—再生鈦合金粉關(guān)系圖

鑒于此，全球已有多家公司推出，免VAR重熔的方案，將鈦合金廢料直接轉(zhuǎn)化成3D打印用鈦合金粉的設(shè)備和工藝。鈦合金3D打印技術(shù)目前很可能會在3C消費電子行業(yè)的推動和影響下，朝著一個體系更完整、可持續(xù)、低成本、綠色低碳環(huán)保、循環(huán)金屬制造的方向發(fā)展。

FSD循環(huán)再生制粉技術(shù)
2023年9月，南極熊在亞洲3D打印、增材制造展覽會，專訪了來自深圳市的低碳再生鈦粉開發(fā)商3R Additive思銳增材。3R思銳團隊今年成功開發(fā)出FSD循環(huán)再生制粉技術(shù)，使用粗粉廢料直接制備出滿足3D打印使用的鈦合金粉，并完成了每月噸級的量產(chǎn)建設(shè)。如圖所示，F(xiàn)SD循環(huán)再生制粉技術(shù)須經(jīng)過三個特殊優(yōu)化設(shè)計的加工工序：破碎—球化—脫氧。

△FSD循環(huán)再生制粉工藝流程

再生鈦粉性能優(yōu)異

3R思銳總經(jīng)理徐鵬博士表示：采用FSD技術(shù)回收粗粉生產(chǎn)15-45μm粒徑的再生鈦粉“Regenepowder”，收得率大于80%，振實密度可達2.95g/cm3，霍爾流速低于38g/50s，3D打印態(tài)試棒室溫塑性不小于5%，抗拉強度高達1500兆帕，比EIGA原生鈦合金粉還高出兩三百兆帕，3D打印良品率超過95%。如果客戶需要強塑性均衡的3D打印產(chǎn)品，只需與EIGA原生鈦合金粉進行合批，便可以獲得滿足ELI標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金粉材，或添加微量稀土元素也可以實現(xiàn)強塑性均衡的調(diào)控。

△再生TC4粉檢測報告

△再生TC4粉3D打印態(tài)試棒室溫拉伸性能

3R思銳在TCT期間，展示了很多采用“Regenepowder”再生鈦粉的3D打印制件，不論是具有復(fù)雜內(nèi)流道的航空發(fā)動機葉片盤、還是多孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及外觀結(jié)構(gòu)性測試件，幾乎無法分辨這些制件到底是使用了循環(huán)再生還是原生鈦粉。

△采用再生TC4粉3D打印口腔支架

△采用再生TC4粉3D打印航發(fā)部件

技術(shù)突破，得到資金和市場青睞

△思銳增材部分團隊成員

3R思銳董事長嚴(yán)明博士講道：2015年以來，我們一直潛心專研多角鈦粉的球化，19年首次證實了多角鈦粉可經(jīng)機械球磨實現(xiàn)0.85以上的球化整形，并揭示遺傳細(xì)晶強化現(xiàn)象與原理。22年，又成功開發(fā)出鈦合金粉CPS冷球化工藝、半固態(tài)輔料及配套裝置，冷加工艙內(nèi)腔的莫氏硬度更是高達9.5，僅次于鉆石，幾乎不會引入任何雜質(zhì)。23年，我們完成了整個FSD循環(huán)再生制粉技術(shù)的研發(fā)和量產(chǎn)建設(shè)，再生鈦粉的成本也下降了一半以上。為此，3R思銳研發(fā)團隊小試和中試?yán)塾嫵�過300多輪，核心關(guān)鍵技術(shù)是經(jīng)歷了大量的測試分析才實現(xiàn)突破。

△采用再生TC4粉3D打印多孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3R思銳公司現(xiàn)已獲得1300萬政府項目和500萬天使基金投資（力合科創(chuàng)），正計劃在中國內(nèi)陸擴建二期，希望在24年再開設(shè)一個年產(chǎn)能達到200噸、采用綠電進行鈦合金粗粉廢料回收制粉的現(xiàn)代化工廠。目前，這種“Regenepowder”再生TC4鈦合金粉的公開市場售價已經(jīng)低至每公斤300元（按照大批量階梯定價）。而該團隊相信，在完成工廠現(xiàn)代化建設(shè)后，“Regenepowder”市場售價有望進一步下探至200元每公斤。這將會把鈦合金材料的戰(zhàn)略價值在制造業(yè)中更大地發(fā)揮出來，讓更多的領(lǐng)域可以獲益于鈦的優(yōu)異特性。3R思銳當(dāng)前也在積極尋求更匹配的合作伙伴，欲加速推動鈦合金粗粉廢料回收制粉的產(chǎn)業(yè)化進程。

△采用再生TC4粉3D打印壓氣機葉盤

△采用再生TC4粉3D打印發(fā)射器底座

其實，市場近些年也逐漸意識到了3D打印先進制造與循環(huán)金屬綠色制造更容易建立聯(lián)系。尤其是，3C消費電子行業(yè)對降低碳排放的急迫需求，以及低成本化能夠帶來的巨大經(jīng)濟效益。因而催生了這個新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展——將金屬廢料轉(zhuǎn)化成可3D打印的金屬粉，特別是高價值的材料。

3D打印用金屬粉回收再利用，國外已經(jīng)備受重視

國內(nèi)除了3R思銳，其它極少聽聞過有類似回收再利用廢料制備3D打印用金屬粉的工藝和相關(guān)企業(yè)。 但南極熊注意到，國外已經(jīng)有非常成熟的企業(yè)出現(xiàn)：

1、美國6K Additive開發(fā)了一種微波等離子制粉系統(tǒng)UniMelt，可回收CNC碎屑廢料、打印支撐和報廢制件，僅僅用很少的氣體與能源，通過微波控制霧化過程的電磁場，制備近乎完美的球形粉，收得率高達90-95％。2022年5月獲得了1.5億美金D輪融資。

2、美國MolyWorks子公司Continuum，基于240千瓦的等離子體火炬和水平氬氣霧化工藝，開發(fā)了緊湊型Greyhound移動方艙，可在金屬廢料的產(chǎn)生地，比如戰(zhàn)場現(xiàn)場回收用過的彈殼、損毀的裝甲、武器輜重等，并轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的金屬粉“Optipowder”。22年11月通過私募股權(quán)融資籌集3600萬美元。

3、美國IperionX基于氫氣輔助鎂熱還原法HAMR，將用過的鈦粉或廢料在閉環(huán)中連續(xù)進行氫化研磨—噴霧造�！�脫脂燒結(jié)—金屬脫氧工序，生產(chǎn)出低成本、低碳環(huán)保的球形鈦合金粉。2022年5月于美國納斯達克上市，股票代碼IPX，市值超18億美元。

4、波蘭AMAZEMET推出了基于超聲波霧化金屬粉末制備技術(shù)的Repowder設(shè)備系統(tǒng)，使用高強度超聲波振動來噴射熔融金屬，形成微小液滴，然后凝固形成球形金屬粉，可使任何材料在無預(yù)先準(zhǔn)備的情況下熔化并霧化，包括失敗制件、條狀廢料、線材、棒材、粗粉等。瑞士EMPA研究所已基于Repowder系統(tǒng)，開展金屬3D打印廢件回收研究。

△視頻：南極熊專訪思銳增材