三维打印金属粉末概述
3D 打印，又称 快速成型制造三维打印技术为原型设计和生产应用的制造流程带来了革命性的变化。与去除材料的传统减材技术不同，3D 打印是根据数字 3D 模型逐层制造部件。
特别是金属三维打印技术，为利用各种合金粉末制造具有高强度和耐热性的复杂轻质几何体提供了可能性。激光或电子束等热源会选择性地熔化细金属粉末，从而将各层熔合在一起。
加拿大正在成为金属三维打印技术的领先中心，材料供应商、服务机构和终端零件制造商都在采用这项技术。本文全面概述了加拿大用于三维打印应用的金属粉末。
三维打印中使用的金属粉末类型
有几种合金可用于制造金属 3D 打印部件，其中包括
| 合金 粉末 | 主要特性 | 应用 |
|---|---|---|
| 不锈钢粉末 | 耐腐蚀、高强度、耐磨损 | 航空航天、汽车、消费品 |
| 铝合金粉末 | 重量轻、导热性高 | 航空航天、汽车 |
| 钛合金粉 | 高强度重量比、生物相容性 | 航空航天、医疗植入物 |
| 钴铬粉 | 高强度、耐磨性和生物相容性 | 医疗植入物、工具 |
| 镍合金粉 | 耐热、耐腐蚀 | 航空航天、石油和天然气 |
| 铜粉 | 高导热性和导电性 | 电子设备、热交换器 |
目前，三维打印中最常用的金属粉末材料是不锈钢、钛合金、镍超合金和钴铬合金。如何选择取决于机械要求、所需的耐腐蚀性、高温性能、重量考虑、生物相容性和成本。
生产金属粉末的方法
金属粉末可通过各种方法生产，每种方法生产出的粉末都具有适合 AM 工艺的不同特性：
- 气体雾化 - 高压气体将熔融金属流分解成细小的液滴，然后凝固成球形颗粒，非常适合 3D 打印
- 水雾化 - 成本较低，但产生的颗粒形状更不规则
- 等离子雾化 - 可在惰性气氛中雾化钛和铝等活性合金
- 电极感应熔化气体雾化（EIGA） - 将感应熔化和气体雾化相结合，可生产少量特种合金
- 机械铣削/合金化 - 球磨金属粉末以获得特定的微结构和颗粒形状
雾化技术可精确控制粉末成分、形态、晶粒结构、粒度分布和流动特性，满足高质量 3D 打印部件的需要。
金属粉末规格
增材制造中使用的金属粉末必须符合严格的规格要求：
- 颗粒大小 - 通常为 10 至 45 微米
- 形态学 - 球形无卫星颗粒可实现良好的流动性和致密包装
- 化学成分 - 严格控制，获得理想的机械性能
- 微观结构 - 取决于雾化过程中的凝固速率
- 粉末流动特性 - 影响印刷过程中的均匀性
保持这些粉末特性的一致性对于无缺陷、可靠的 3D 打印金属部件至关重要。
加拿大金属粉末供应商
加拿大有越来越多的公司参与生产和供应用于 AM 行业的金属粉末：
加拿大领先的金属粉末供应商
| 公司名称 | 地点 | 材料 |
|---|---|---|
| ATI 粉末金属公司 | 安大略省巴里 | 镍、钴和钛合金 |
| 普莱克斯表面技术公司 | 印第安纳州印第安纳波利斯；加拿大生产 | 钛、镍、不锈钢、钴铬合金 |
| 山特维克鹗 | 威尔士内斯；安大略省温莎的仓库 | 不锈钢、马氏体时效钢、钴铬合金、钽、铌 |
| 木匠添加剂 | 宾夕法尼亚州雷丁；安大略省安卡斯特仓库 | 不锈钢、钴铬合金、钛、铝、铜、镍合金 |
| 赫加纳斯 | 瑞典哈尔姆斯塔德；安大略省多伦多 | 不锈钢、工具钢、低合金钢 |
| AP&C | 魁北克拉瓦尔 | 钛、钽、铝合金 |
这些主要的金属粉末生产商已在加拿大开展业务，以接近不断增长的市场。它们提供符合航空航天、医疗、汽车和工业 3D 打印应用要求的各种合金。
此外，加拿大还是专业金属粉末生产商的发源地，如 Nanosteel、Quebec Metal Powders 和 GKN Powder Metallurgy，它们专注于定制合金。麦吉尔大学、UBC 大学和滑铁卢大学等大学也拥有用于研究目的的粉末生产能力。
金属粉末的成本
金属粉末在金属 AM 的运营成本中占很大比重。价格因成分、质量要求和采购量的不同而有很大差异：
| 材料 | 价格范围 |
|---|---|
| 不锈钢 | 每公斤 $45 - $105 |
| 钛合金 Ti64 | 每公斤 $350 - $500 |
| 镍超合金 | 每公斤 $90 - $250 |
| 钴铬合金 | 每公斤 $110 - $350 |
不锈钢和低合金钢粉最经济实惠，而用于关键应用的钛、镍和钴合金则昂贵得多。
符合严格航空航天和医疗规格的高质量粉末需要高价购买。定制合金和小批量采购也会大大增加成本。重复使用过大和回收的粉末有助于降低成本。
总体而言，随着生产规模的扩大，粉末成本正在下降。但材料成本仍然是一个限制因素，尤其是对小买家而言。大型采购商有更大的优势从金属粉末生产商那里获得折扣。
金属三维打印在加拿大的应用
在加拿大，金属快速成型技术正在被多个行业采用：
航空航天
- 复杂的钛和镍合金组件，如管道、外壳和结构配件
- 轻量化高难度几何形状，提高燃油效率
- 减少部件数量，将组件合并为一个部件
- 传统飞机的定制维修和零部件
医疗
- 钛和钴铬骨科植入物，如髋关节、膝关节和脊柱植入物
- 通过 3D 扫描根据解剖结构匹配特定患者的植入物
- 促进骨骼生长的多孔结构
- 按需打印的切割指南和手术工具
汽车
- 轻质铝和钛部件
- 定制工具，如夹具、夹具和夹钳
- 支架、外壳、歧管的小批量生产
- 售后市场定制配件和改装组件
石油和天然气
- 用于阀门、泵和配件的不锈钢部件
- 用于井口设备的耐腐蚀镍合金部件
- 为海上平台定制一次性更换部件
消费品
- 定制产品，如用贵金属印制的珠宝、数字和五金件
- 限量版不锈钢优质产品，如手表、钢笔、雕塑等
- 定制牙齿矫正、牙齿种植、修复组件
这些行业在加拿大采用金属 AM 技术的原因在于其设计自由度、部件整合、轻量化、性能提升、大规模定制和数字化库存能力。
加拿大金属三维打印服务提供商
除零部件供应商外，加拿大还拥有一个强大的专业服务局网络，专注于金属快速成型制造：
加拿大领先的金属三维打印服务局
| 公司名称 | 地点 | 材料与工艺 |
|---|---|---|
| 3DSP | 安大略省多伦多市 | 钛、铬镍铁合金、不锈钢 - 直接金属激光烧结技术 |
| 快速成型制造技术 | 安大略省 | 钛、钢、铝、铬镍铁合金 - 激光粉末床熔化 |
| 金属快线 | 安大略省 | 不锈钢、工具钢、钛、铝 - 激光粉末床熔化 |
| 加拿大金属加工 | 温哥华 | 不锈钢、铝、工具钢 - 激光粉末床熔化 |
| 极光实验室 | 温哥华 | 钛、镍合金 - 直接能量沉积 |
| 伯勒克技术公司 | 安大略省 | 钛、铝、钢、镍 - 直接能量沉积 |
| 激光粘合 | 魁北克 | 不锈钢、铝、钛 - 激光粉末床融合 |
| 激光原型制作 | 魁北克 | 钛、铝 - 定向能沉积 |
这些服务局面向加拿大各地的航空航天、医疗、汽车和工业客户，提供各种金属三维打印技术，以满足原型设计和生产需求。他们的专业技术和高端设备有助于加拿大公司采用高质量的金属三维打印技术。
加拿大金属 AM 的趋势和前景
加拿大在航空航天和医疗行业培育了强大的金属粉末供应链、服务局网络和终端用户基础。影响加拿大金属三维打印发展的一些主要趋势包括
- 庞巴迪、普惠、贝尔直升机等领先航空航天公司越来越多地采用 AM 技术
- 资助加拿大大学和政府实验室的金属 AM 研究
- 国际粉末供应商在加拿大建厂，以开拓日益增长的市场
- 加拿大金属粉末生产商崛起，专注于利基合金
- 将服务局扩展到最终用途部件的批量生产
- 越来越多的中小企业探索利用 AM 技术实现轻量化、定制化和集成化装配
- 通过 CRIAQ、NGen、CAMX 等组织开展政府和行业合作
- 制定金属 AM 专用的工艺控制和标准
- 金属 AM 与减法数控加工相结合的混合制造技术
- 提高质量和可重复性的模拟和工作流程软件
随着老用户和新用户对金属快速成型技术的兴趣日益浓厚，加拿大的金属快速成型技术有望实现强劲的持续增长。材料、工艺、设计工具和质量控制的不断改进将有助于扩大在航空航天、医疗、汽车和一般工业领域的应用。加拿大的创新生态系统和能力使其能够很好地推动全球金属三维打印技术的进步。
有关 3D 打印金属粉末的常见问题
以下是有关 AM 金属粉末的一些常见问题的答案：
问：推荐用于金属 3D 打印粉末的粒度范围是多少？
答：理想的颗粒大小通常为 10-45 微米。较细的颗粒包装效果更好，但流动性差，而较粗的颗粒则会影响密度和表面光洁度。
问：AM 工艺中金属粉末的球形度应该是多少？
答：高球形度和光滑表面有助于粉末流动和包装。卫星和松散团块会影响这些性能，应尽量减少。
问：哪种金属 3D 打印工艺需要最高质量的粉末？
答：激光粉末熔床对粉末特性和一致性有着最严格的要求，以确保顺利运行。
问：在使用 3D 打印之前，金属粉末是否应该干燥？
答：是的，建议进行干燥处理，以去除在加工过程中可能引起问题的任何吸收的水分。通常采用真空干燥或烘烤的方法。
问：未使用的金属印刷粉可以回收吗？
答：是的，未使用的粉末通常可以回收、过筛并与新鲜粉末混合再利用，从而降低成本。
问：如何处理含有钛或铝等活性元素的金属粉末？
答：需要专门的惰性处理，如手套箱和密封容器，以防止氧化或污染。
问：未使用的金属粉末的保质期一般有多长？
答：如果在凉爽、干燥、惰性的环境中储存得当，粉末在性能降低前可持续使用数年。建议采用先进先出（FIFO）库存管理。
问：用于 AM 的金属粉末是否需要作为危险材料处理？
答： 由于细金属粉末有易燃和爆炸的危险，必须采取预防措施。必须使用适当的防护装备和安全程序。
问：目前正在开发哪些用于金属 AM 的新型合金粉末？
答：用于电接触的铜镍硅、用于软磁体的铁镍钴钛、用于高熵合金的钴铬铁镍、用于形状记忆的铜钴锰镍是一些新兴材料。