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如何降低3D打印金属粉末成本?

2021-10-23 08:18:15

金属3D打印正在逐渐走向批量规模化应用,如果成本得到50%以上的下降,应用规模可能会扩大10倍甚至100倍。在“设备-材料-3D打印”这个产业链条中,其中一个很重要的问题是,如何降低3D打印金属粉末成本?

关于如何降低金属材料成本,王院士提到,从金属矿冶炼之后一两步,直接还原成球形金属粉末材料是Z便宜的。而现在使用Z多的方法是经过好几步加工成棒材之后,再雾化加工成粉末,成本依然贵。

这一技术思路,与3D 打印技术中所使用的材料现状类似,绝大部分 3D打印机使用的丝材需要先使用高分子聚合物拉成丝,然后再供3D打印机使用。而一部分 3D打印则开始尝试直接使用颗粒料高分子聚合物作为材料,直接高温熔融从喷嘴喷出,层层堆叠而实现3D打印。这样一来,材料成本降低60%以上。

金属3D打印要求粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高,当前制备方法主要有等离子旋转电极法(PREP)、等离子雾化法(PA)、气雾化法(GA)。以上3D打印金属粉末设备制备方法的工序如下:

1. 通过电解法、热还原法、热分解法将矿石原料提炼成纯金属;

2. 将纯金属按需求配料、混合熔炼成合金锭;

3. 通过轧制、拉伸等加工工艺得到合金棒材、丝材;

4. 通过PREP、PA、GA 方法将合金棒材、丝材进行熔化、破碎制成粉末。

如何降低金属3D 打印粉末成本,可从两个方面着手:

1. 减少制粉工序

矿石的提炼过程,根据金属粉末化学元素指标,结合矿石中金属材料性质,直接提炼出合金材料,再次进行配料、熔炼,最后进行雾化制粉。例如:可以通过Na、Mg 直接还原TiCl4、AlCl3、VCl4 得到Ti6Al4V 合金。对于易氧化等特殊合金材料可以使用无接触坩埚熔炼,通过惰性气体雾化制粉。例如:水冷铜坩埚。

2. 提高粉末收得率

根据金属材料性能,不同的熔融金属液的表面张力不同,因此在雾化过程中,不同的金属材料液流需要适配合理的喷盘、雾化气体的温度和压力等,实现破碎后粉末的飞行轨迹和球化时间的有效控制,可以显著改善粉末的球形度、提高粉末收得率。

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