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3D打印技术进展
国家主席习近平、总理李克强明确表示要加快3D打印等新技术产业的发展;国家工业和信息化部、发展改革委、财政部研究制定颁布《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》,无疑给3D打印产业发展注入了一支强心剂;同时,科技部等有关部门正在对国家重点研发计划增材制造立项,计划用三年的时间,投入约20亿元研发3D打印主流技术和主流装备,并对重点应用领域研发作出示范。
这说明,国家目前高度重视这一技术,已经把3D打印作为重要的战略性新兴产业,国家政策层面的推动与扶持给全国3D打印从业者带来更多的信心,3D打印已经处于国家重点扶持的战略位置。在这种大环境下,2015年中国各类教育科研机构对3D打印的极大热情,很多高校启动了“刚性需求”。
3D打印金属粉末:即指尺寸小于1mm 的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。目前,3D 打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。但是3D 打印金属粉末除需具备良好的可塑性外,还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。
在3D打印技术中金属材料的3D打印制造技术是难度最大的,由于金属的熔点较高、金属液体固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程中复杂的变量,还要考虑生成的晶体组织是否良好,整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等因素,为此,一般需要激光技术加以配合,激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。一般而言,激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面,融化金属粉末,形成液态的熔池,然后移动激光束,熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装置、惰性气体保护、喷头控制等来配套。
金属粉末
作为新一代“工业革命”中备受瞩目的3D打印技术,材料成为决定其能否 “有所作为”的重要指标。我国的基础材料产业多年来虽受到国家的不少关注,但一直处于被世界发达制造业国家压迫和垄断的窘境,而当前的3D打印材料产业更是如此。目前,可用于3D打印的材料包括聚合物、金属、陶瓷制品和其它,而使用最广泛的是聚合物—丙烯腈,虽然3D材料开始向金属方向转移,但聚合物还会在一段时间内成为市场主导材料。金属材料更多地应用于牙医行业,主要有钛、铝、铬、钴等,按收入计算,市场占有率在30%以下。航空将成为驱动金属材料使用增长的主要领域,例如:通用公司使用金属材料生产8.5个飞跃式喷气发动机万的燃油喷嘴。借助3D打印,可使生产和成本更有效。尽管使用新方法和新材料生产3D产品的成本还较高,但随着用于3D打印的材料种类越来越多,3D打印的手段更灵活性,总成本还会下降。
金属增材制造的质量跟金属粉末的特性十分相关,包括粉末的粒度、球形度、流动性、包装密度等。金属球形粉末的粒径和纯净度等难题上难于突破,粉末材料(高分子、金属、陶瓷、砂子等)是常用于激光3D打印的材料。
相比传统的减材制造,3D打印则是增材制造技术,具有制造成本低、生产周期短等明显优势,被誉为第三次工业革命最具标志性的生产技术。它将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加,大大降低了设计与制造的复杂度,尤其适合动力设备、航空航天、汽车等高端品上的关键零部件的制造。
3D打印技术的发展,给工业生产带来的新的生机。它节能、环保,在许多国家已进入战略发展规划中。近几年,国内3D打印也受到更多关注,从设备到材料再到平台服务,行业态势向多样化发展,国家也正式将其列入政策规划,推进国内3D打印行业的发展进程。近年来,3D打印产业和市场呈现爆发式增长,根据权威机构报告,2014年3D打印覆盖了全球41亿美元市场,全球3D打印产品和服务市场增长35.2%,大到航空航天、军工、汽车、生物工程、医疗,小到服装、家居生活、食品,都可以见到3D打印的身影。而我国投入20亿研发3D打印也是大势所趋,对推动这一行业高速发展将起到重要作用。国内外知名金属粉末生产商
山特维克Osprey的金属粉末在全球市场占有率最高,Osprey开发了一系列适用于所有增材制造的气雾化金属粉末,包括:选择性激光烧结、熔渗、选择性激光熔融、电子束熔炼、直接金属沉积、激光工程化净成形。山特维克Osprey现在供应的市场领域包括用于航空航天工业的镍基超合金,用于医疗行业的钴合金、不锈钢,用于快速模具的马氏体实效钢、工具钢。山特维克Osprey气雾化粉末产品包括不锈钢、工具钢、低合金钢、铜和青铜合金、齿科合金和医疗合金、超合金等预合金粉末。另外,Osprey只是山特维克集团的一个业务分支,山特维克集团投入巨资在位于瑞典山特维肯的3D打印技术研发中心上,正在招聘研究和开发3D打印技术金属材料的核心员工。美国卡彭特技术公司成立于1889年,专业致力于特种合金的开发、制造和销售,至今已有120余年历史。卡彭特技术公司生产包括镍基、钴基、钛、铬、铁等合金。在增材制造领域,主要提供不锈钢、钛合金以及工具钢金属粉末。
吉凯恩是一家工程技术型跨国集团——吉凯恩的技术和工程设计是全球各主要汽车、飞机和工作车辆等生产商产品的核心。吉凯恩下设四个事业部门,分别为:吉凯恩传动系统、吉凯恩粉末冶金、吉凯恩航宇和吉凯恩陆地系统;主要服务于汽车、航空航天和陆地系统市场。吉凯恩旗下的Hoeganaes有限公司生产的金属粉末制品在北美地区所占的市场份额超过了50%、Hoeganaes有限公司的产品在欧洲金属粉末制品市场的销售也呈快速增长。Hoeganaes主要为增材制造行业提供钛合金金属粉末AncorTi™。其标准满足ASTM要求。而吉凯恩粉末冶金事业部则已经与霸州市宏升实业有限公司(位于中国河北省霸州市)协议成立合资公司。新的合资公司将生产国际级的铁粉。
AP&C生产金属粉末,粒径分布小,包括钛及其他活性金属以及镍基高温合金和铌等高熔点合金,专为增材制造以及其他粉末冶金技术(MIM,涂层,热等静压)定制。粉末纯度高(无杂质,低氧化条件下熔化),球形度高,伴生颗粒非常少。具有出色的流动性和表观密度、振实密度。主要服务对象为生物医疗和航空航天工业,产品畅销20余个国家。
LPW公司已开发出了全系列专门针对SLM、LMD和EBM工艺进行优化设计的粉末。他们还可以根据要求提供定制的合金材料。包括Al、Co、Fe、Ni、Ti合金等金属粉末。LWP为汽车、航空航天和医疗行业提供3D打印的金属粉末,粉末质量是产品的基础。所以LPW为其金属粉末提供全生命周期的服务:金属粉末、粉末分析、合金的开发、粉末管理。
H.C.Starck是德国拜耳集团的全资子公司,主要生产难熔金属的粉末及制品,包括Ta、Nb、Mo、W 等,服务于电子、机械、充电电池等行业。H.C.Starck 生产用于P/M 的雾化合金及纯金属粉末超过800种,还生产烧结添加剂,如氮化物、碳化物及硫化物等。另外H.C.Starck还与瑞典的Metasphere Technology合作,由Metasphere生产一种新型球形金属粉末,H.C.Starck负责销售。
瑞典赫格纳斯产品运用的领域包括: 粉末冶金零件,为每种零件和工艺提供最适合的粉末,其最著名的是铁基金属粉末。赫格纳斯铁粉在化学、冶金领域的应用非常广泛。比如塑料的生产、作为其他金属生产的强化剂等,也用于化工产品的循环利用以及农业和制药等行业。赫格纳斯高品质镍基、钴基和铁基表面热喷涂粉末,能改进高耐磨零件的性能并延长其使用寿命。
印度普莱克斯通过其气雾化钛金属粉末生产线上,为全世界的客户提供优质的3D打印用钛金属粉末材料。2015年第三季度开始,普莱克斯就将开始全规模生产航空级的优质球形钛金属粉末。这些钛金属粉末将被用于制造如航天支架和生物医用植入物等3D打印产品。
NanoSteel携手Connecticut先进技术中心手在其纳米工程合金钢粉末材料基础上进行优化和创新。NanoSteel专有的金属合金材料可支持实现以经济的成本通过粘接剂喷射3D打印技术生产出高质量零部件,将助于加速诸如耐磨零件、轴承、刀具等从减材制造到增材制造的转换。
另外还有美国的阿美特克AMETEK提供不锈钢、Ni基合金,Co基合金,不锈钢粉末,工具钢金属粉末;美国的Argen Corporation主要为牙科提供Au,Pt,Pg,Ag,Cu合金金属粉末;意大利的Legor Group提供金、银金属粉末,以及Co基,Ni基合金金属粉末;日本的大阪钛Osaka Titamium提供钛合金金属粉末;美国的Pyrogenesis主要为国防部门提供Ti,Niobium,Nitinol,Al基合金;英国的Cooken Gold为首饰行业提供金等贵金属粉末。除此之外,增材制造设备厂商例如Concept Laser,EOS,SLM Solutions,Renishaw,Exone等均提供金属粉末。
飞而康科技:国际3D打印快速成型领军者
飞而康科技是一个科技创新型企业,主要致力于利用增材制造技术(即3D打印技术)生产航空航天、医疗器械、海洋船舶、化工等行业用高品质零部件,同时接受私人订制。飞而康航空级粉末生产部采用全程无接触、无污染的电极感应熔化气体雾化法制取高纯净、高球形度的钛合金粉末。
粒径分布包括: 0-53 µm、45-105 µm、50-100、50-150、50-200、50-350 µm、0-350 µm;氧含量ELI(
工艺保证:保证产品化学成分满足航空航天和生物医学标准规范;保证高纯度(H
华曙高科是专注于工业级3D打印领域的研发与制造,公司从事选择性激光烧结3D打印 Selective Laser Sintering(SLS)设备制造、材料生产和加工服务三项主营业务,服务于汽车、航空航天、机械制造、医疗器械、房地产、动漫等行业。
华曙高科于2011年成功研制出中国首台高端选择性激光烧结尼龙设备,成为世界上第三家LS设备制造商;同时,华曙高科成功研制出选择性激光烧结尼龙材料,成为世界上第二家该类材料制造商;即制造设备,又生产材料,还从事终端产品加工服务,独立构成选择性激光烧结技术(SLS)完整产业链的企业,华曙高科是全球唯一一家。2015年4月,高分子复杂结构增材制造国家工程实验室落户华曙高科,成为增材制造领域全国首家由企业承建的国家级工程实验室。
华曙高科董事长:许小曙博士(美籍华人科学家)是国际增量制造领域的知名专家,在美国和全球有超过15年的3D打印从业经验,曾担任数家美国增量制造龙头公司的技术总监,掌握了增量制造领域最先进的技术与理念,并作为该领域的领军人物不断推动着增量制造技术的创新与发展。
许小曙博士为湖南省第一批“百人计划”专家,长沙市313人才计划专家,长沙国家高新区35人才计划专家。曾任美国3D Systems、Solid Concepts公司等增材制造龙头企业技术总监,美国Trilogy公司软件开发总工程师、美国焊接研究所技术总监,美国焊接协会A9资深委员,Welding Journal杂志编委。从事智能制造技术研究工作二十余年,开发了多项具有革新意义的智能制造系统,如世界上第一个基于个人计算机的专家系统Weld Selector、被美国金属手册(ASM)指定为标准的自动机器人焊接系统Weld Excell等。在3D打印领域做出了杰出贡献,带领3D Systems公司突破了选择性激光烧结的技术瓶颈,相继开发出四代选择性激光烧结设备,为该公司成为世界上最大的激光增材制造服务商做出了重要贡献。
2011年被国际分层制造行业权威协会AMUG-Additive Manufacturing Users Group授予终身成就奖(“恐龙奖”)。该奖项用以表彰在SLS和SLA领域做出长期卓越贡献以及具有领导力的人士,全世界仅十余人获此殊荣。2012年,美国AMUG协会公布了其新一届理事会成员,许小曙博士成为该届理事会唯一亚太地区理事(Liaison),全面负责该协会的亚洲事务。
许小曙博士于2009年回国创立华曙高科,带领华曙高科团队开发出一系列具有自主知识产权的高分子与金属3D打印装备与材料,使华曙成为全球唯一一家独立构成3D打印设备、材料、加工服务全产业链的企业。担任3D打印领域全国首个落户企业的国家工程实验室——高分子复杂结构增材制造国家工程实验室主任,集聚整合创新与产业化优质资源,开展3D打印领域战略前沿与重点关键技术攻关、工程试验、标准构建与成果转化,打造国际领先的3D打印人才团队与公共服务平台。
上海佳梦亭商贸有限公司:从国外引进优质金属粉末,供应3D打印等专业市场。采用电极感应熔炼技术,对金属材料进行原子雾化,制造出纯度极高,粒度极其规则的金属粉末。
特征:种类齐全。从铝到锆,大部分常用金属及合金粉末均可制造;圆度高,流动性好;组装密度高;含氧量低;粒度分布控制灵活;可依据客人需要,按照不同厂家的设备量身定制粒度大小和分布范围。
成都惠腾新材料有限公司:成立于2014年11月,企业规模逐渐扩大,现有职工50余人,公司占地面积1千平,我公司现金属粉末及金属合金粉末材料广泛地应用于航空、石油、机械、化工、煤矿、交通、电力、冶金等工业部门;近年来,随着科学技术的发展,3D打印工艺以及激光修复等工艺日益兴起,对金属粉末及金属合金粉末的要求更高,应用领域更加广泛。
公司有从事金属粉末材料及应用多年的经验和工程技术人员,有成熟的工艺和先进的雾化设施,生产的粉末氧含量低,使用性能好等特点。公司根据市场需要,针对不同用途的金属粉末及金属合金粉末材料,采用不同的生产工艺条件,加上对产品质量的追求,满足市场需要,生产严格按照国际标准、国家标准执行,主要生产镍基、铁基、钴基、铜基、铬基、锡基等系列产品,主要用于3D打印、激光熔覆、热喷涂(焊)、冷喷涂、粉末冶金压制。
产品生产采用世界先进的真空感应洁净熔炼系统和惰性气体雾化技术制备3D打印用球形金属粉末,突破洁净冶炼与气体雾化、粉末粒度控制、粉末形态控制、粉末气体含量控制、粉末夹杂含量控制等一系列核心关键技术,开发成套制粉装备与工艺技术,研制出满足先进制造工艺需求的高品级球形金属粉末,粉末制备处理技术及产品质量达到了世界先进水平。可用于3D打印激光/电子束增材制造(SLM/EBM)、激光熔铸/激光直接沉积(DLD)、粉末热等静压成型。
适用于 SLM 成形技术,包括 EOS 公司的选区激光熔化设备(EOSINT M系列),ConceptLaser 的激光熔化设备,美国 3Dsystems的激光熔化设备,以及国内的科研院校及企业所研发的选区激光熔化设备,如华曙高科、铂力特等。应用领域。