國內已實現量產3D打印抗拉強度高達1500兆帕的鈦合金再生粉

自上世紀50年代以來，鈦合金因其戰略金屬的地位與優異的性能，主要應用于航空、軍工、醫療等高端領域，鈦合金的“貴族”形象一直深入人心。在2000年初，鈦合金曾一度用作ThinkPad電腦、徠卡相機等數碼產品的外殼。直至近兩年，鈦合金開始大量出現在消費電子產品上，例如Apple Watch Ultra、iPhone 15 Pro、HUAWEI WATCH 4 Pro等。2023年7月，在榮耀發布的折疊屏手機Magic V2中，甚至直接采用了3D打印的鈦合金鉸鏈軸蓋，從而減小了折疊屏整體厚度和重量。

當前，鈦合金在金屬3D打印市場占比高達30%，每年消耗的3D打印用鈦合金粉超過1000噸。常規3D打印用鈦合金制粉工藝主要是EIGA、PA、PREP三種，除此以外也存在一些特殊工藝，如PIGA、PS、VIGA-CC等。無論哪種工藝都無一例外帶來了大量的、難以重熔回收的鈦合金粗粉廢料，使用*多的EIGA工藝，不符合3D打印使用的副產物廢料甚至占通粉的50%以上。

相比3D打印增材技術，CNC數控機加工等減材技術所產生的車削、銑削等碎屑廢料體量更加龐大，比例可能超過90%。通常，體積大的鈦合金邊料或失敗制件，可以通過傳統的VAR重熔方法回收。但是，鈦合金CNC碎屑就必須要額外處理氧化皮與油污，以減少雜質引入，而粗粉廢料則須先加溫加壓預制成坯，才可以重熔回收，否則會因粗粉表面活性較高，造成重熔飛濺爆炸事故。

鑒于此，全球已有多家公司推出，免VAR重熔的方案，將鈦合金廢料直接轉化成3D打印用鈦合金粉的設備和工藝。鈦合金3D打印技術目前很可能會在3C消費電子行業的推動和影響下，朝著一個體系更完整、可持續、低成本、綠色低碳環保、循環金屬制造的方向發展。

FSD循環再生制粉技術

2023年9月，南極熊在亞洲3D打印、增材制造展覽會，專訪了來自深圳市的低碳再生鈦粉開發商3R Additive思銳增材。3R思銳團隊今年成功開發出FSD循環再生制粉技術，使用粗粉廢料直接制備出滿足3D打印使用的鈦合金粉，并完成了每月噸級的量產建設。如圖所示，FSD循環再生制粉技術須經過三個特殊優化設計的加工工序：破碎—球化—脫氧。

再生鈦粉性能優異

3R思銳總經理徐鵬博士表示：采用FSD技術回收粗粉生產15-45μm粒徑的再生鈦粉“Regenepowder”，收得率大于80%，振實密度可達2.95g/cm3，霍爾流速低于38g/50s，3D打印態試棒室溫塑性不小于5%，抗拉強度高達1500兆帕，比EIGA原生鈦合金粉還高出兩三百兆帕，3D打印良品率超過95%。如果客戶需要強塑性均衡的3D打印產品，只需與EIGA原生鈦合金粉進行合批，便可以獲得滿足ELI標準的鈦合金粉材，或添加微量稀土元素也可以實現強塑性均衡的調控。

3R思銳在TCT期間，展示了很多采用“Regenepowder”再生鈦粉的3D打印制件，不論是具有復雜內流道的航空發動機葉片盤、還是多孔拓撲結構以及外觀結構性測試件，幾乎無法分辨這些制件到底是使用了循環再生還是原生鈦粉。

技術被需要，得到資金和市場青睞

3R思銳董事長嚴明博士表示：2015年以來，我們一直潛心專研多角鈦粉的球化，19年*證實了多角鈦粉可經機械球磨實現0.85以上的球化整形，并揭示遺傳細晶強化現象與原理。22年，又成功開發出鈦合金粉CPS冷球化工藝、半固態輔料及配套裝置，冷加工艙內腔的莫氏硬度更是高達9.5，僅次于鉆石，幾乎不會引入任何雜質。23年，我們完成了整個FSD循環再生制粉技術的研發和量產建設，再生鈦粉的成本也下降了一半以上。為此，3R思銳研發團隊小試和中試累計超過300多輪，核心關鍵技術是經歷了大量的測試分析才實現突破。

3R思銳公司現已獲得1300萬政府項目和500萬天使基金投資（力合科創），正計劃在中國內陸擴建二期，希望在24年再開設一個年產能達到200噸、采用綠電進行鈦合金粗粉廢料回收制粉的現代化工廠。目前，這種“Regenepowder”再生TC4鈦合金粉的公開市場售價已經低至每公斤300元（按照大批量階梯定價）。而該團隊相信，在完成工廠現代化建設后，“Regenepowder”市場售價有望進一步下探至200元每公斤。這將會把鈦合金材料的戰略價值在制造業中更大地發揮出來，讓更多的領域可以獲益于鈦的優異特性。3R思銳當前也在積極尋求更匹配的合作伙伴，欲加速推動鈦合金粗粉廢料回收制粉的產業化進程。

其實，市場近些年也逐漸意識到了3D打印先進制造與循環金屬綠色制造更容易建立聯系。尤其是，3C消費電子行業對降低碳排放的急迫需求，以及低成本化能夠帶來的巨大經濟效益。因而催生了這個新產業的發展——將金屬廢料轉化成可3D打印的金屬粉，特別是高價值的材料。

3D打印用金屬粉回收再利用，國外已成氣候

國內除了3R思銳，其它極少聽聞過有類似回收再利用廢料制備3D打印用金屬粉的工藝和相關企業。但南極熊注意到，國外已經有非常成熟的企業出現：

1、美國6K Additive開發了一種微波等離子制粉系統UniMelt，可回收CNC碎屑廢料、打印支撐和報廢制件，僅僅用很少的氣體與能源，通過微波控制霧化過程的電磁場，制備近乎*的球形粉，收得率高達90-95％。2022年5月獲得了1.5億美金D輪融資。

2、美國MolyWorks子公司Continuum，基于240千瓦的等離子體火炬和水平氬氣霧化工藝，開發了緊湊型Greyhound移動方艙，可在金屬廢料的產生地，比如戰場現場回收用過的彈殼、損毀的裝甲、武器輜重等，并轉化為優質的金屬粉“Optipowder”。22年11月通過私募股權融資籌集3600萬美元。

3、美國IperionX基于氫氣輔助鎂熱還原法HAMR，將用過的鈦粉或廢料在閉環中連續進行氫化研磨—噴霧造粒—脫脂燒結—金屬脫氧工序，生產出低成本、低碳環保的球形鈦合金粉。2022年5月于美國納斯達克上市，股票代碼IPX，市值超18億美元。

4、波蘭AMAZEMET推出了基于超聲波霧化金屬粉末制備技術的Repowder設備系統，使用高強度超聲波振動來噴射熔融金屬，形成微小液滴，然后凝固形成球形金屬粉，可使任何材料在無預先準備的情況下熔化并霧化，包括失敗制件、條狀廢料、線材、棒材、粗粉等。瑞士EMPA研究所已基于Repowder系統，開展金屬3D打印廢件回收研究。

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