3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告

3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-1-3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告一、概况（一）金属粉末的简述3D打印金属粉末作为金属零件3D打印产业链最重要的一环，也是最大的价值所在。在“2013年世界3D打印技术产业大会”上，世界3D打印行业的权威专家对3D打印金属粉末给予明确定义，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。（二）3D打印材料类别3D打印技术的兴起和发展，离不开3D打印材料的发展，不同的应用领域所用的耗材种类是不一样的，所以材料的丰富和发展程度决定着它是否能够普及使用。据了解，目前可用的3D打印材料种类已超过200种，但对应现实中纷繁复3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-2-杂的产品还是远远不够的。如果把这些打印材料进行归类，可分为石化产品类、生物类产品、金属类产品、石灰混凝土产品等几大类，在业内比较常用的有以下几种：1.ABS塑料类ABS可以说是FDM（也叫“熔融沉积”技术）最常用的打印材料，目前有多种颜色可以选择，是消费级3D打印机用户最喜爱的打印材料，比如打印玩具、创意家居饰件等。ABS材料通常是细丝盘装，通过3D打印喷嘴加热熔解打印。由于喷嘴喷出之后需要立即凝固，喷嘴加热的温度控制在ABS材料热熔点高出1°C到2°C，不同的ABS由于熔点不同，对于不能调节温度的喷嘴，是不能通配的。这也是为什么最好在原厂商购买打印材料的原因。2.PLA塑料类PLA塑料熔丝可以说是另外一个非常常用的打印材料，尤其是对于消费级3D打印机来说，PLA可以降解，是一种环保的材料。PLA一般情况下不需要加热床，这一点不像ABS，所以PLA容易使用，而且更加适合低端的3D打印机。PLA有多重颜色可以选择而且还有半透明的红、兰、绿以及全透明的材料。和ABS同样的原因，PLA的通用性也有待提高。3.亚力克Acrylic类材料3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-3-亚力克(有机玻璃)材料表面光洁度好，可以打印出透明和半透明的产品，目前利用亚力克材质，可以打出牙齿模型用于牙齿矫正的治疗。4.尼龙铝粉材料(Alumide)这种材料在尼龙的粉末中参杂了铝粉，利用SLS技术（光固化技术）进行打印，其成品就有金属光泽，经常用于装饰品和首饰的创意产品的打印中。5.陶瓷(Ceramic)陶瓷粉末采用SLS进行烧结，上釉陶瓷产品可以用来盛食物，很多人用陶瓷来打印个性化的杯子，当然3D打印并不能完成陶瓷的高温烧制，这道手续现在需要在打印完成之后进行高温烧制。6.树脂(Resin)树脂是SLA——Stereolithography（也叫“立体光固化成型”技术）光固化成型的重要原料，其变化种类很多，有透明的、半固体状的，可以制作中间设计过程模型，由于其成型精度比FDM高，可以作为生物模型或医用模型。7.玻璃(Glass)3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-4-真正的玻璃目前正在试验当中，玻璃粉末采用SLS技术进行打印，玻璃材质的变化种类就像树脂和聚丙乙烯一样多。8.不锈钢(StainlessSteel)不锈钢坚硬，而且有很强的牢固度。不锈钢粉末采用SLS技术进行3D烧结，可以选用银色、古铜色以及白色的颜色。不锈钢可以制作模型、现代艺术品以及很多功能性和装饰性的用品。9.其他金属——银、金和钛金属这些金属材料都是采用SLS的粉末烧结，金银可以打印饰品，而钛金属是高端3D打印机经常用的材料，用来打印航空飞行器上的构件。10.彩色打印和其他材质彩色打印有两种情况，一种是两种或多种颜色的相同或不同的材料从各自的喷嘴中挤出，最常用的是消费级的FDM双喷嘴的打印机，通过两种或多种材料的组合来形成有限的色彩组合。另外一种是采用喷墨打印机的原理，通过不同的染色剂的组合，和粘黏剂混合注入打印材料粉末中进行凝3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-5-固，理论上这种技术可以打印出“真彩”的3D物品。打印材料通常选择为树脂、聚丙乙烯或ABS。（三）金属粉末的应用领域1.生物医学领域在生物医学领域，可通过3D打印进行手术预诊断，个性化设计等，在国内外都已应用到实例当中，且有了相对的突破与成果。3D打印技术在医学领域突显的个性化定制、精确度较高、组织重生等优势，解决了此领域无法进行手术预测等难题，降低了手术中的风险，如何短时间内模拟制作出3D模型，进行手术环境模拟，及寻找与人体器官类似的材料用于制作，是此领域的新热点。2.航空航天领域3D打印技术是军民两用技术，经历了多年的潜伏期，现已进入高速发展阶段，未来的发展趋势不容小觑。3D打印在航空航天领域上的应用前景较为乐观，虽在产品质量和可靠性上与锻造件相比还有差距，但加工产品在尺寸精度、力学性能上有所提高。未来的产品发展方向，将从变形、开裂等问题入手，研究如何改变组织提高性能，在减轻部件重量，节省材料、保证材料性能的前提下，由非承力件、次承力件走向主承力件。3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-6-3.模具领域快速模具制造是将3D打印运用到模具制造上的新方法，目前该方法已在工业生产中运用，并具有良好的使用前景。主要有两大类：一类是通过选择激光烧结/熔融（SLS/SLM）等技术直接成形模具，一类是快速成形原型，通过金属喷涂等手段成形铸模的方法。现阶段大多数对模具快速制造的研究集中在铸造模具、注塑模具等软金属的冲压模具上，受机械力学性能的限制，针对锻模和挤压模具的快速成形研究相对较少，因此如何提高模具的力学性能、模具寿命、使其满足高强度模具的要求是该领域的研发热点。二、技术分析（一）技术简介目前，粉末制备方法按照制备工艺主要可分为：还原法、电解法、羰基分解法、研磨法、雾化法等。其中，以还原法、电解法和雾化法生产的粉末作为原料应用到粉末冶金工作的较为普遍。但电解法和还原法仅限于单质金属粉末的生产，而对于合金粉末这些方法均不适用。雾化法可以进行合金粉末的生产，同时现代雾化工艺对粉末的形状也能够做出控制，不断发展的雾化腔结构大幅提高了雾化效率，这使得3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-7-雾化法逐渐发展成为主要的粉末生产方法。雾化法满足3D打印耗材金属粉末的特殊要求。雾化法是指通过机械的方法使金属熔液粉碎成尺寸小于150μm左右的颗粒的方法。按照粉碎金属熔液的方式分类，雾化法包括二流雾化法、离心雾化、超声雾化、真空雾化等。这些雾化方法具有各自特点，且都已成功应用于工业生产。其中水气雾化法具有生产设备及工艺简单、能耗低、批量大等优点，已成为金属粉末的主要工业化生产方法。（二）技术状况1.国外技术情况气雾化法是生产金属及合金粉末的主要方法之一。气雾化的基本原理是用高速气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固成粉末的过程。由于其制备的粉末具有纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向。但是，气雾化法也存在不足，高压气流的能量远小于高压水流的能量，所以气雾化法对金属溶体的破碎效率低于水雾化，从而增加了雾化粉末的制备成本。目前，具有代表性的几种气雾化制粉技术气雾化如下。（1）层流雾化技术3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-8-层流雾化技术是由德国NanovaL公司等提出，该技术对常规喷嘴进行了重大改进。改进后的雾化喷嘴雾化效率高，粉末粒度分布窄，冷却速度达106-107K/s。在2.0MPa的雾化压力下，以Ar或N2为介质雾化铜、铝、316L不锈钢等，粉末平均粒度达到10μm。该工艺的另一个优点是气体消耗量低。经济效益显著，并且适用于大多数金属粉末的生产。缺点是技术控制难度大，雾化过程不稳定，产量小（金属质量流率小于1KG/min）,不利于工业化生产。Nanoval公司正致力于这些问题的解决。（2）超声紧耦合雾化技术超声紧耦合雾化技术是由英国PSI公司提出。该技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，使气流的出口速度超过声速，并且增加金属的质量流率。在雾化高表面能的金属如不锈钢时。粉末平均粒度可达20μm左右，粉末的标准偏差最低可以降至1.5μm。该技术的另一大优点是大大提高了粉末的冷却速度，可以生产快冷或非结晶的粉末。从当前的发展来看，该项技术设备代表了紧耦合雾化技术的新的发展方向，且具有工业实用意义，可以广泛应用于微细不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料、储氢材料等合金粉末生产。（3）热气体雾化法3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-9-近年来，英国的PSI公司和美国的HJF公司分别对热气体雾化的作用及机理进行了大量的研究。HJF公司在1.72Mpa压力下，将气体加热至200-400度雾化银合金和金合金，得出粉末的平均粒径和标准偏差均随温度升高而降低。与传统的雾化技术相比，热气体雾化技术可以提高雾化效率，降低气体消耗量，易于在传统的雾化设备上实现该工艺，是一项具有应用前景的技术。但是，热气体雾化技术受到气体加热系统和喷嘴的限制，仅有少数几家研究机构进行研究。2.国内技术情况目前，我国河南黄河旋风股份有限公司已经开始进入3D打印金属粉末研发。其所用的粉末制备工艺如真空雾化制粉，超高压水雾化制粉、惰性气体紧耦合雾化制粉技术。下面着重介绍前两种雾化技术。（1）真空雾化法真空雾化法制粉是指真空条件下熔炼金属或金属合金，在气体保护的条件下，高压气流将金属液体雾化破碎成大量细小的液滴，液滴在飞行中凝固成球形或是亚球形颗粒。真空雾化制粉可以制备大多数不能采用在空气中和水雾化方法制备的金属及其合金粉末，可得到球形或亚球形粉末。由于凝固快克服了偏析现象，可以制取许多特殊合金粉末。采用合适的工艺，可以使粉末粒度达到一个要求的范围。3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-10-（2）超高压雾化法超高压雾化法是采用超高雾化喷嘴制备金属粉末的一种方法。超高压雾化喷嘴的特点是可以在较低的气压下产生更高的超音速气流和均匀的气体速度场，从而更加有效抑制有害激波的产生，明显增加气体的动能，使雾化效率更高。该喷嘴的较低的气压下产生与高压雾化喷嘴相同的雾化效果，而且气流速度更加稳定和均匀。同时，制得的粉末粒径小，分布窄。（三）国内技术不足之处国内尚未针对3D打印技术用粉末开展相应的研究。如粉末成分、夹杂、物理性能对3D打印相关技术的影响及适应性。因此针对低氧含量、细粒径粉末的使用要求，尚需开展钛及钛合金粉末成分设计、细粒径粉末气雾化制粉技术、粉末特性对制品性能的影响等研究工作，国内受到制粉技术所限，目前细粒径粉末制备困难，粉末收得率低、氧及其他杂质含量高等，在使用过程中易出现粉末熔化状态不均匀，导致制品中氧化物夹杂含量高、致密性差、强度低、结构不均匀等问题，国内合金粉末存在的主要问题集中在产品质量和批次稳定性等方面，包括：1.粉末成分的稳定性（夹杂数量、成分均匀性）；2.粉末物理性能的稳定性（粒度分布、3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-11-粉末形貌、流动性、松装比等）；3.成品率问题（窄粒度段粉末成品率低）等。（四）技术比对采用选择性激光烧结法(SLS法)打印两种不同的不锈钢粉末，发现制备出的产品存在明显差异。德国某厂家的不锈钢粉末打印样品表面光泽、收缩率小、不易变形、力学性能稳定。而国内某厂家的不锈钢粉末的打印样品则远远不及前者。为此，对两种不同的不锈钢粉末进行的微观形貌分析。3D打印高纯金属粉末投资机会分析报告-12-图1为德国某厂家不锈钢粉末的微观结构，从图中我们可以看出，粉末颗粒球形度好，颗粒尺寸分布在11.2-63.6μm范围内。图2为国内某厂家的不锈钢粉末的微观结构，可以看出，其颗粒为不规则块状，尺寸较小。通过上述研究表明，3D打印耗材金属粉末需满足粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高。因此，为了得到所需优异性能的3D打印产品，必须寻求一种高效的金属粉末制备方法。三、市场现状及分析（一）国外3D金属粉末主要厂家序号企业名