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科技前沿

山阳特钢推进3D打印用金属粉末业务

发布时间:2021-09-15 10:20  作者:admin 点击量: 

1 金属3D打印成型方法
  图1是金属3D打印成型方法,大致分为粉末床熔融法和定向能量沉积法。前者又分为直接增材法和间接增材法。

直接增材法是将金属粉末平铺满,用热源激光或电子束仅使成型部位熔融、凝固的方法。这种直接成型法的开发,获得了高密度成型件,极大地扩大了金属3D打印市场。
  间接增材法也称为黏结剂喷射法,将粉末材料和光敏树脂黏结剂喷射固化成型,但该方法需要脱脂和烧结工序,从这一点而言,间接增材法可以说是与金属注射成型(MIM)接近的成型方法。
  粉末沉积法是一边从喷嘴喷射金属粉末,一边用激光照射使金属熔融并沉积的方法。该方法也可以作为激光堆焊使用,期待在模具和零部件的维修等领域获得应用。
  在粉末床法中,特别是直接增材法和粉末沉积法,对金属粉末要求有以下亮点基本特性要求。
  •使用的粉末粒径为数微米至150微米;
  •需要金属粉末输送和铺设工序,因此粉末必须是球状。
  气雾化法获得的粉末满足这些特性,这也是山阳特钢将气雾化法作为粉末业务重点关注项目的原因。
  2 市场展望
  图2是金属3D打印机销量的变化,从2012年以后显著增加,2018-2020年均保持在2100台以上。

 

根据NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构)的预测,2030年金属3D打印市场的规模将增长到约2兆日元。如果按行业分类,除了目前金属3D打印已经实用化的医疗、航空航天和发电领域实现跨越式发展之外,模具和工具领域成为日本国内重要的金属3D打印市场。
  3 推进金属3D打印业务发展举措
  山阳特钢打造3D打印用金属粉末业务优势的措施有:1)包括成型方法的整体解决方案;2)参与国家项目;3)重点钢种选择和新开发品种。
  1)提出包括成型方法在内的整体解决方案
  3D打印从原料粉末直接塑型,可以省略铸造、机械加工、热处理等多道工序。在3D打印技术中,简化了工序。因此,成型用粉末的制造不仅需要掌握材料物理性质,而且还要求在设计层面把握最终产品的功能,也就是说,3D打印的重点主要集中在材料粉末和成型技术两个方面。山阳特钢作为合金粉末制造商,拥有材料开发和制造的优势,并通过获得成型技术,可以实现最终零部件的设计,可以期待向用户提供整体解决方案。基于这些考虑,该公司先于其他材料制造商,制造了3D打印机,同时,为了对成型件进行无损检测,引入了X射线CT扫描装置,并以用户的产品性能为重点进行材料开发。
  2)参与国家项目
  在3D打印市场,欧美各国竞争激烈,相对而言日本在设备及成型件的实用化方面落后于欧美。在这种情况下,日本经济产业省于2014年成立了TRAFAM(日本未来增材技术研究协会),其目标是:1)明确增材制造的机制;2)开发超越世界的高速、高精度增材制造装置;3)开发适合增材制造的材料(粉末)。
  山阳特钢参与了该项目,致力于为批量生产提供工业制品用金属粉末的开发。具体来说,就是确立一种优化的气雾化方法来制造粉末用于3D打印。在较大的气雾化粉末颗粒(约100微米)周围附着细小颗粒(数微米)的被称为“卫星”粉末,这是阻碍粉末流动性的主要因素。对此,山阳特钢采用空气流冲击、破碎的工序,将破碎后的微粉末用离心力分离,确立了用低成本制造具有良好流动性粉末的方法,如图3所示。

 

3)重点钢种的选择和新开发品种
  表3是用于3D打印的主要合金及其用途。在3D打印市场,医疗、航空航天和发电领域已经实现了量产化,这也是山阳特钢最早涉足的项目。其中,钛合金类的活性金属,也有采用不接触坩埚雾化的事例,但该公司使用通用耐火材料进行气雾化,其优势在于,将Fe、Ni、Co、Cu基作为标准组成系列化,进行适合成型的组成改良和粉末形状改善。
  此外,山阳特钢在提出适合3D打印的新合金时,根据各行业用户的需求,针对材料量产化存在的问题,将以下项目作为重点进行研究。
  • 特定成型件用无Co马氏体时效钢;
  • 高密度、高导热性的优质Cu合金。

(本文为部分内容,全文请参阅《世界金属导报》31期B06)

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