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3D打印用粉体材料的现状与发展趋势
2015年04月29日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:7180
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3D打印(增材制造)技术是全球最关注的新兴技术之一。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,美国、德国、日本的3D打印产业已经成为世界3D打印产业的领头羊,占有全球3D打印产业70%以上的份额。3D打印服务的社会需求量将逐年增长,目前产值已经超过30亿美元,到2017年有望增长至50亿美元。世界各国正在不断加强3D打印技术的研发及应用,我国政府也非常重视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。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打印机及其打印作品图示

 

一、3D打印用材料特性及发展现状 

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”两大类。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,就与配套粉体打印材料的发展密不可分。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。近年来,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通过对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。

 

二、我国3D打印及其专用粉体材料产业现状

1国内3D打印产业现况

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。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。

 

2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。

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。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。

 

国外厂商凭借技术优势,常将3D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/kg,国产产品售价一般为300400/kg,而进口粉末售价常在800/kg以上。

 

三、我国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,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地位,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,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:

1、高性能的金属零件直接制造用材料将成为技术制高点

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。


23D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。


33D打印用粉体耗材生产将通用化和专业化 

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。

 

小结:3d打印技术从长远来看,这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变,甚至会引发第三次工业革命。但是由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素,这项技术并不能完全取代传统的减材制造法并实现大规模工业化生产,未来相当长的一段时间内两种生产方式将并存、互补。总体而言,3D打印技术将会进入一个发展的快车道。而作为3D打印技术的核心,3D打印用粉体材料的研发及发展速度决定着这一朝阳产业的前进步伐。因此,3D打印用粉体材料生产技术将是未来粉体材料领域一颗璀璨明珠,谁能抢得先机谁就能成为粉体材料领域的时代弄潮儿。

(粉体圈 作者:梧桐)

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