大国之材,从一粒粉末做起——中航迈特高正江



 

在刚刚结束的十九大上,3D打印行业的发展再次成为报告的焦点之一。根据市场预测,未来几年中国3D打印市场仍将保持40%左右的增长速度,到2018年有望突破200亿元。即使在这样的一个发展势头下,也存在着一些行业发展的焦虑。3D打印的全过程包括原料、设备、设计、成型和后处理,行业过往专注于设计、成型和后处理过程,原料和设备的发展成为制约发展的主要因素之一。如何解决原材料和设备的制约瓶颈,推动行业快速发展成为目前摆在所有3D打印从业人员面前的困扰。日前,记者就联合中国有色报记者潘延祥记者、淮金记者一起采访了中航迈特粉冶科技(北京)有限公司高正江总经理,以期获得上述问题的答案。

中航迈特公司——由军工院所里走出来的材料工匠群体创办,专注于3D打印金属粉末材料制备技术和成套装备研发,短短两年时间先后突破了VIGA、EIGA、PREP等先进3D打印球形金属粉末制备关键技术,研制出满足AMS、ASTM等标准的合金粉末材料,该类材料已成功应用于我国航空航天、医疗领域金属3D打印工艺,甚至出口欧美,打破欧美粉末企业的市场垄断和技术封锁。中航迈特先后与EOS、SAFRAN、GKN等建立合作关系,成为我国3D打印材料公司参与全球竞争的重要力量之一。

1.从科研到产业化

——专注技术突破,摆脱桎梏

20多年前,我国3D打印领域的研究和成果转化开始起步。近些年来,在国家的大力支持和市场的推动下,金属3D打印技术发展迅猛,应用前景广阔。带有江苏人与生俱来的敏锐嗅觉,高正江总经理看到了自己所学专业——金属粉末材料在3D打印应用领域的巨大发展机遇。

2015年,他毅然选择了自主创业之路。高正江总经理这样告诉记者:“我国的基础粉末材料产业多年来虽受到国家支持,但技术成果多集中于院所高校,技术成果转移转化不足,高端粉末材料市场一直被发达国家的大公司垄断。目前,新兴3D打印金属粉末这一关键性基础材料基本依赖进口。虽然近年来我国金属粉末技术产业发展取得了一些成绩,但是跟欧美老牌企业相比,在产品质量和种类方面还有不小的差距。这主要有以下两方面的原因:首先,欧美高端球形金属粉末材料制备已经进入工业化生产应用阶段,而我国还处于小批研制阶段。因此,从成本和质量稳定性两个方面来讲,我国竞争力明显不足;其次,欧美粉末企业3D打印应用研究工作做得非常系统,打印机设备制造商亦对粉末原材料开发深入,形成一整套材料、设备、应用技术体系,而我国这三方面是脱节的,是有鸿沟的,应用研究往往粗枝大叶。”

中航迈特就是看到了这种不利局面,创立之初就专注于先进球形金属粉末材料的制备和3D打印应用技术研究,投入大量的财力和人力以期取得材料制造和应用技术的突破。中航迈特的快速进步得益于其科研团队长期在航空航天材料院所从事金属粉末材料及其制品的研发经历。

当记者提到中航迈特的技术创新时,高经理打开电脑,向记者介绍:“被别人卡住脖子的感觉很不好”。拿大家都知道的注射成型行业来说,普普通通的原材料粉末喂料被欧美大公司控制了长达10多年之久。最开始我国花大价钱引进国外的注射成型设备,但是有了设备,还要高价进口配套的原料。现在我国金属3D打印行业仍在走注射成型的老路。各大增材制造研究中心和3D打印公司斥巨资从国外,比如德国EOS进口设备,同时会被要求定制打印原料粉。不预定的话,要么设备软件无法解锁,不提供售后服务。所以我国金属3D打印技术产业的发展急需国产化,而且是全面国产化。

首先是材料国产化、装备国产化和软件国产化,最后是应用技术国产化,实现国产化需要我们大力协同、需要齐心协力。中航迈特为了实现粉末材料的全面国产化,大力进行成套国产制粉装备的研制和攻关,从根本上打破欧美进口制粉装备动辄上千万元的高价垄断局面。截止到我们前去采访,中航迈特已经在标准化、模块化研发生产大容量VIGA真空感应气雾化制粉炉、EIGA电极感应气雾化制粉炉装备,同时在深入开发新型等离子制粉技术和设备。这一系列制粉技术的突破,将为我国3D打印金属粉末材料国产化贡献力量。据悉,中航迈特还开发了自动化控制和动态监测传感技术,实现制粉设备的智能化。

2.搭建产研结合平台

——产业发展必须依拖标准的建立

近年来,在政策的引导和国家项目的带动下,我国增材制造技术发展迅猛,光固化、选区激光烧结、选区激光熔融、熔融沉积成形等工艺和装备等方面已具有良好的基础,部分增材制造技术和产品在航空航天、生物医疗、文化创意等领域取得广泛应用,高性能金属构件增材制造技术等领域已达到国际先进水平。但我国在增材制造标准方面刚刚起步。

谈到国家标准的意义,王华明院士曾提到过:“标准化对于加快推动中国增材制造技术产业化发展具有重要意义,中国增材制造领域已显现出大量的标准化需求。中国要在制定更多优质国家标准的基础上,积极提出更多更好的团体标准,让更多的高素质、高水平、国际化的企业和专家参与到标准的制定当中,通过标准助推中国增材制造技术产业化发展。”高经理也看到了标准的重要性。他介绍,中航迈特两年内制定了30余项3D打印粉末材料企业标准,积极参与增材制造国家标准、行业标准的商讨制定,贡献了大量粉末样本数据。“有了行业标准、国家标准、生产标准,3D打印金属粉末技术产业发展才能更稳健。”高正江如是说。

谈到3D打印金属粉末的应用市场,高经理说:“3D打印金属粉末的应用主要集中在航空航天、医疗、模具、汽车四大领域。”金属3D打印粉末用在航空航天领域主要是打印一些结构复杂的结构件。不论是现代飞机还是航天器,都追求用尽可能少和轻的材料实现最大强度和刚度,因此构件常常采用“占空比”很大的异形设计,导致其结构特别复杂,像做过“镂空”处理。这种结构用机加工的方法制造则难度很大,有时95%的材料都被切割掉,且制造周期长达几个月,甚至无法实现。而这些像飞机发动机燃烧室部件、机体框梁,航天发动机泵壳体、航天器的网格壁板密封舱等关键部件,采用3D打印技术,使用金属粉末材料,从三维模型剖切成若干层二维“薄片”,那么不论这个三维零件结构多么复杂,只需逐层打印二维“薄片”并叠加粘结,就可快速将产品完整做出来。而金属3D打印粉末的在汽车工业和模具工业的应用跟航空航天有异曲同工之处,也是结构复杂设计奇特的构件。在医疗领域,3D打印粉末未来的前景也很广阔,但是由于粉末需要经过三类医疗注册,其应用推广还需要时间。

3.打造闭环发展团队

——用高品质、低成本粉末制造技术助力金属3D打印产业爆发

金属粉末是金属3D打印工序的直接性、基础性、关键性原材料,其质量是决定零部件冶金质量的关键要因之一,应该得到足够重视。金属粉末品质的评价包括化学性能和物理性能,其中化学性能是基础,主要是化学成分和微量元素的控制。

激光器为粉末微区熔化凝固提供能量,但能量温度梯度极大,需要解决三方面基础问题:一是温度梯度大带来的应力开裂问题,即优化控制冷却凝固问题,进而控形控性;二是微量元素的烧损问题;三是现有常用金属粉末均是传统铸锻合金牌号,其微量元素的调控主要是为了解决铸造、锻造性能,未考虑激光成形的高温度梯度条件,有些元素加剧了3D打印零部件的应力集中和开裂现象,需要建立3D打印专业合金材料体系。

粉末的物理性能评价项目一般包括:粉末粒度分布、粉末球形度、流动性、空心粉、卫星粉、松装密度等。这些指标是金属3D打印过程能否顺利实现、冶金质量是否合格的关键因素。如粒度分布不合理容易造成表面粗糙度大、内部未熔合等问题,球形度、流动性、松装密度达不到指标要求,成形过程中容易产生孔洞等,粉末卫星球、空心粉等问题也可能带来零件内部气孔缺陷。

进口的3D打印金属粉末价格居高不下,主要有两方面原因:首先是我国高端球形粉末技术产业发展滞后,欧美公司的技术垄断和市场封锁;其次是金属3D打印对粉末原料的特殊粒度要求造成成本增加,如SLM工艺指定粉末粒度范围为15~45μm或15~53μm,作为制粉来讲,这个粒度段的收得率只有30%~50%。中航迈特致力于先进制粉技术的突破和低成本制造技术的开发,通过先进气雾化喷嘴的结构设计优化、工艺参数的开发实现了细粉收得率的提升,同时开展了多工艺复合低成本制造技术,未来金属粉末的价格有望大幅下降,为金属3D打印在与传统铸锻工艺成本的竞争中带来新动力,进而带动和影响金属3D打印产业进入爆发期。

作为一位从军工材料院所里走出来的企业家,高正江总经理深知:“我国3D打印材料企业只有不断向欧美看齐,突破成套装备及工艺技术瓶颈,加强应用技术研究和成本控制,不断自我创新,才能保证企业的活力和竞争力。”

高经理认为未来3D打印金属粉末的发展要形成并实现“闭环”式的发展,而这个闭环主要是“装备工艺技术-应用技术-成本控制”构成的一个发展闭环。未来3D打印金属粉末技术产业的发展要在以下三个方面下功夫:

一、重大制粉设备及工艺技术的国产化。粉末材料国产化,首先要解决重大制粉装备及其工艺技术的国产化,如开发新一代大容量智能化气雾化制粉炉设备、超高转速等离子旋转电极制粉设备、新型等离子制粉设备、低成本超高纯净电极感应气雾化制粉设备等,在成套装备的设计制造、工艺攻关、材料开发方面形成我国自主核心竞争力。

二、金属粉体的应用验证。目前全球知名金属3D打印机品牌都使用配套金属粉末产品。我国3D打印粉末材料企业在加大自身3D打印应用技术开发的同时,还要走出国门,面向全球知名打印机设备商提供粉末产品,加大欧美品牌设备的打印应用开发力度,拿到国际上去检验,进而提升产品应用技术水准,才能更好的取得竞争优势。

三、低成本制造。低成本粉末制造是未来金属粉末产业发展必然趋势,其关键仍在于技术突破和跨学科技术互鉴提升。

以上三点发展形成了金属粉末产业快速发展的一个闭环,这也是中航迈特发展规划的重点。也正如高经理一直在强调的:“技术创新是解决受制于人的核心利器”。

在十九大报告中指出:夯实产业技术基础,支撑和服务科技创新成果工程化。围绕核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础四个方面,实施工业强基工程,着力解决工业基础领域关键问题。想要实现我国3D打印产业的健康、快速发展,就要集中力量解决基础材料的问题。只要基础材料问题解决了,3D打印的发展才能实现“设备-原料-应用”的协同发展。

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