從制粉到3D打印，增材制造的金屬工藝

葛志偉

近年來，3D打印已經(jīng)逐漸為人們所熟知?，F(xiàn)在多數(shù)的3D打印設(shè)備多采用樹脂、塑料等作為原材料，這類材料熔點(diǎn)較低，容易控制成型。而在一些對設(shè)備要求嚴(yán)苛的例如航空航天、醫(yī)療器械等關(guān)鍵領(lǐng)域中，必須采用金屬材質(zhì)以滿足強(qiáng)度和熔點(diǎn)的需要。對于金屬的增材制造來說，粉末的球形度和大小就對最終產(chǎn)品的性能質(zhì)量有著極大的影響。

西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司是西北有色金屬研究院控股的國家級高新技術(shù)企業(yè)，專業(yè)從事商業(yè)化等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉（PREP）裝備、電子束粉末床增材制造（SEBM）裝備、高品質(zhì)球形金屬粉末的生產(chǎn)銷售以及復(fù)雜金屬構(gòu)件的3D打印相關(guān)的設(shè)計、加工及后處理工作。目前已經(jīng)為科研院所、產(chǎn)業(yè)公司提供了10余臺等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉裝備和電子束粉末床3D打印設(shè)備，同時也為航空、航天、艦船、兵器、汽車、生物醫(yī)用等領(lǐng)域提供配套產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。同時作為中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事單位、全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員單位和中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造分會委員單位，擁有增材制造及粉末冶金相關(guān)授權(quán)專利近20項(xiàng)，旨在為各領(lǐng)域提供定制化的金屬3D打印技術(shù)全套解決方案。

塞隆金屬擁有一批金屬增材制造材料與工藝技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的專業(yè)團(tuán)隊(duì)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)自2001年起深耕增材制造領(lǐng)域，通過近20年的技術(shù)積淀在電子束粉末床增材制造技術(shù)和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉技術(shù)方面已獨(dú)具特色，實(shí)現(xiàn)了電子束粉末床增材制造裝備的商業(yè)化。

所謂等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉設(shè)備，原理是以金屬或合金制成自耗電極，其端面受電弧加熱而熔融為液體，通過電極高速旋轉(zhuǎn)的離心力將液體拋出并粉碎為細(xì)小液滴，冷凝過程中在表面張力的作用下最終得到球形粉末。該制粉設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝參數(shù)控制簡單和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)的粉末粒度范圍窄、粉末顆粒表面光滑潔凈、少無空心粉和衛(wèi)星粉、氣體夾雜少，粉末品質(zhì)高，適合噴涂、熱等靜壓和3D打印等工藝使用。可用于生產(chǎn)鎳基高溫合金粉末、鈦合金粉末、不銹鋼粉末及熔點(diǎn)2600℃以下的難熔金屬粉末等。

如此采用高純氬氣霧化及等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化工藝制備高品質(zhì)球形稀有金屬粉末，可生產(chǎn)的產(chǎn)品包括鈦合金、Ti-A1合金、Ti，A1Nb、Ti-Ta合金、Ti-Nb（-zr）合金、鈮合金、鉭合金等。粒度范圍為15～45μm、45～106μm、75～150μm，并可根據(jù)不同工藝需求進(jìn)行定制化生產(chǎn)。且粉末氧含量低、球形率高、流動性好、性能穩(wěn)定，可很好地滿足電子束鋪粉3D打印、激光鋪粉3D打印、激光同軸送粉3D打印等工藝的不同需求。

高規(guī)格的制粉設(shè)備給3D金屬打印的高標(biāo)準(zhǔn)制作創(chuàng)造了條件。電子束粉末床增材制造裝備一一SailongS2型粉床電子束3D打印設(shè)備是賽隆公司為滿足科學(xué)研究和批量生產(chǎn)的不同需求而推出的第二代EBM設(shè)備。該設(shè)備采用半公開的底層工藝設(shè)計，用戶可以自主開發(fā)新材料體系的成形工藝。且打印成形倉可更換，最大成形零件尺寸為200x200x240mm，最小成形倉的最大成形零件尺寸為100x100x150mm，滿足科研與生產(chǎn)在不同規(guī)格上的需求。同時，用戶可實(shí)時監(jiān)控并在線更改成形工藝參數(shù)，這為產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控、調(diào)校提供了便利。為了提高送粉精度、減少單次投粉量，使用機(jī)械定量送粉，一改以往常規(guī)的粉堆擠粉方式。在質(zhì)量控制上，合理規(guī)劃了掃描路徑，可有效控制零件成形質(zhì)量。

電子束粉床3D打印技術(shù)具有能量利用率高、加工速度快、運(yùn)行成本低、成形件精度高、性能好等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的理想快速制造技術(shù)。特別適合于輕量化減重結(jié)構(gòu)、復(fù)雜內(nèi)腔（內(nèi)流道）結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)功能一體化集成等方面的設(shè)計及快速制造。

電子束粉床3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在真空下成形以減少雜質(zhì)含量，電子束可隨形退火，消除零件內(nèi)部殘余應(yīng)力，因此成形的鈦合金植入物具有純凈度高、綜合力學(xué)性能優(yōu)異及骨小梁結(jié)構(gòu)易于設(shè)計成形等優(yōu)點(diǎn)，是醫(yī)療器械行業(yè)的理想選擇，在頜面修復(fù)、人工關(guān)節(jié)及脊柱修復(fù)等領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。目前在歐美地區(qū)已有等多家公司相繼取得CE和FDA認(rèn)證，批量生產(chǎn)髖臼杯、融合器等醫(yī)用植入物產(chǎn)品，國內(nèi)也有多家知名醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)開展了準(zhǔn)入取證的工作。

目前，塞隆金屬已經(jīng)形成了原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制作、設(shè)備供給等一系列的產(chǎn)業(yè)鏈布局。等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉、電子束粉床3D打印等技術(shù)為科研工作和工業(yè)生產(chǎn)提供極大的便利，尤其在骨科植入物結(jié)構(gòu)設(shè)計、成形以及臨床應(yīng)用等醫(yī)療領(lǐng)域創(chuàng)造了更多的可能性。塞隆金屬將繼續(xù)立足于科研，提高設(shè)備性能，在工業(yè)級設(shè)備中深耕的同時向桌面級設(shè)備發(fā)展，為“中國制造2025”添磚加瓦。