本刊編譯整理

　　當(dāng)前，可持續(xù)性已上升到全球制造業(yè)議程的首位。雖然金屬增材制造被認(rèn)為是一種綠色技術(shù)，但其生產(chǎn)過程并非對(duì)環(huán)境沒有影響。本文探討了全球如何通過使用更具可持續(xù)性的金屬粉末，同時(shí)更注重粉末的再利用和再循環(huán)，以此改善對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。當(dāng)然，與此密不可分的還有經(jīng)濟(jì)收益，以及在供應(yīng)鏈方面的國家安全利益。

　　在過去五年，對(duì)于增材制造零件生產(chǎn)商來說，金屬增材制造的“可持續(xù)性”始終是一個(gè)重要問題，即使他們沒有表明?，F(xiàn)在，綠色政策和倡議已經(jīng)上升到?jīng)Q策者議程的首位。本文將嘗試深入探討材料的回收利用，包括其實(shí)際含義以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展背后的現(xiàn)實(shí)。

　　廢料凸顯可持續(xù)性

　　現(xiàn)在，許多粉末供應(yīng)商和材料生產(chǎn)商會(huì)經(jīng)常談?wù)摵托麄髟诳沙掷m(xù)發(fā)展方面所做的努力。在去年舉行的歐洲PM2023 全體會(huì)議上。Tikomet Oy 公司的研發(fā)主管TeemuKarhumaa 說：“廢料是新的黃金”。他還指出，隨著全球都在努力降低金屬材料的生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境的影響，在不久的將來，二次原材料將面臨巨大的競爭。這確實(shí)凸顯了回收材料用于生產(chǎn)金屬粉末的潛在價(jià)值。

　　材料供應(yīng)鏈的可持續(xù)性可能一直是廢金屬行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力。任何從事鋼材或鋁合金生產(chǎn)的人，都不認(rèn)為廢金屬回收是一個(gè)新概念，而是會(huì)告訴你，廢金屬是一種關(guān)鍵原材料。不過，人們可能沒有意識(shí)到，回收材料已被大量用于生產(chǎn)普通金屬粉末。

　　例如，很難想象任何年產(chǎn)量達(dá)數(shù)千噸鋼的粉末生產(chǎn)商，不依賴廢料來降低成本。只是在此之前，他們可能不太愿意公開這一事實(shí)。不過，考慮到世界上有大量的不銹鋼廢料（鎳基合金、鋁和銅也很可能如此，但活性金屬可能不是這樣），這樣做是完全合理的。

　　在可持續(xù)發(fā)展成為各行各業(yè)和各國政府關(guān)注的主流領(lǐng)域前，粉末冶金領(lǐng)域（包括金屬注射成型、沖壓和燒結(jié)以及熱等靜壓）各種零件的產(chǎn)出，都含有回收材料粉末。在這方面，循環(huán)經(jīng)濟(jì)也并非新鮮事物。

　　然而在金屬增材制造的早期，那些粉末生產(chǎn)企業(yè)很可能是利用預(yù)合金坯料或?qū)⒃刂苯右脎釄鍋砩a(chǎn)粉末?，F(xiàn)在，隨著人們認(rèn)識(shí)到保護(hù)環(huán)境是工業(yè)界的責(zé)任，可以看到創(chuàng)建更清潔、更可持續(xù)的金屬粉末供應(yīng)鏈，用于增材制造。如果不出意外，隨著更廣泛的最終用戶和消費(fèi)者提出相應(yīng)要求，很可能成為許多購買決策中的差異化因素。

　　在去年的Formnext 展覽會(huì)上，包括Tekna 和Höganäs在內(nèi)的幾家主流供應(yīng)商都將展覽的部分重點(diǎn)放在了回收利用和可持續(xù)發(fā)展上。增材制造設(shè)備供應(yīng)商EOS 表示，今年將對(duì)其粉末規(guī)格進(jìn)行修改，首先從AlSi10Mg 開始。該公司現(xiàn)在要求供應(yīng)商在任何原料中至少包含30% 的可回收材料，并聲稱這將使二氧化碳排放量減少25%。

　　金屬增材制造技術(shù)為在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)可持續(xù)制造提供了絕佳機(jī)會(huì)。與那些被視為“傳統(tǒng)”工藝相比，有可能使用更少的材料和能源，對(duì)環(huán)境造成更小的影響。

　　增材制造的現(xiàn)狀

　　十多年前，增材制造剛開始流行時(shí)，它是作為一種更環(huán)保的零件生產(chǎn)方式而出現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)增材制造只使用成品中的少量材料，同時(shí)，關(guān)于增材制造幾乎零浪費(fèi)的說法不絕于耳。然而，隨著時(shí)間的推移，人們逐漸明白，事實(shí)并非如此；根據(jù)所選工藝，會(huì)產(chǎn)生固有的損耗水平。例如，使用激光粉末床熔融設(shè)備，保守估計(jì)每次生產(chǎn)的粉末損耗量為分配粉末的5-15% 之間。

　　金屬粉末在增材制造中的應(yīng)用無疑將繼續(xù)增長。這不僅適用于已經(jīng)普遍使用的合金，還將包括越來越多的其他合金，這主要是由于使用金屬粉末的打印設(shè)備發(fā)生了兩大變化。首先，隨著設(shè)備越來越大，生產(chǎn)零件的能力越來越強(qiáng)，它們需要更多的粉末填充。其次是設(shè)備的多樣化。過去，粉末床熔融占據(jù)主導(dǎo)地位，而現(xiàn)在，電子束粉末床熔融、定向能沉積、粘結(jié)劑噴射 、材料擠壓和冷噴的市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大。

　　所有這些應(yīng)用都在日益普及，需要粒度分布相似或重疊的金屬粉末等級(jí)。所有這些應(yīng)用都在與其他傳統(tǒng)的粉末冶金應(yīng)用競爭，預(yù)計(jì)這些應(yīng)用對(duì)粉末的需求也會(huì)增加。隨著每種增材制造工藝采用率的增加，這些粉末的廢料流也會(huì)隨之增加。就可持續(xù)性而言，每種金屬粉末可能是過濾系統(tǒng)中流失的粉末、增材制造機(jī)器機(jī)械裝置中夾帶的粉末，或者是部件或其支撐結(jié)構(gòu)封閉體積中包含的粉末。對(duì)于后兩種情況，人們一直在努力回收這些粉末，以再利用。

　　材料擠壓

　　在所有增材制造工藝中，材料擠壓成型技術(shù)可能是最具有內(nèi)在可持續(xù)性的工藝。在這種工藝中，細(xì)金屬粉末與粘合劑混合，生產(chǎn)出絲狀、棒狀或顆粒狀的材料，因此該工藝不使用干燥、松散的粉末。由于沒有飛濺物、滯留粉末、過量配料、冷凝物或進(jìn)入過濾器或其他機(jī)器死角的粉末等工藝損失，因此損耗極低。使用這種技術(shù)，最接近于只使用制造零件所需的材料，而且通常情況下，任何未燒結(jié)的材料都可以直接用于生產(chǎn)新的原料。

　　粘結(jié)劑噴射

　　可持續(xù)發(fā)展的下一個(gè)方向是粘結(jié)劑噴射。盡管從技術(shù)上講，這是一種粉末床技術(shù)，但它不涉及加工過程中的熔化，而且粉末回收率非常高。被截留的粉末可能會(huì)造成少量損失，粘結(jié)劑的雜散噴射進(jìn)入粉末床可能會(huì)造成污染，但與基于熔融的工藝相比，使用過的粉末的可回收性應(yīng)該會(huì)更高。

　　粉末床熔融

　　粉末床層熔融工藝要比上述工藝復(fù)雜一些，因?yàn)樗鼈兊膿p耗比上述工藝更大。在熔化過程中，粉末有可能以噴濺顆粒或其他噴出物（如煙霧、冷凝水和細(xì)粉）的形式流失。后兩類顆粒有時(shí)會(huì)被嚴(yán)重氧化，因此通常不考慮再利用或回收。這些廢物流的去向仍然是個(gè)問題；它們很可能被填埋或焚燒。

　　長期以來，粉末床身熔融設(shè)備中所謂的“粉末回收”（在使用粉末制造零件的情況下，實(shí)際上應(yīng)稱為粉末再利用）一直是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題，而且必須比其他增材制造工藝受到更嚴(yán)格的控制。必須比其他增材制造工藝受到更嚴(yán)格的控制。

　　一些最終用戶已經(jīng)完全禁止使用曾經(jīng)暴露在增材制造工藝任何部分的粉末；當(dāng)然，這與增材制造是一套可持續(xù)的、更環(huán)保的工藝完全不符。然而，我們不難理解人們的擔(dān)憂，因?yàn)樵撔袠I(yè)的早期采用者，本身就對(duì)重復(fù)使用暴露金屬粉末的真正風(fēng)險(xiǎn)心存疑慮。

　　這可能是由于缺乏對(duì)工藝本身的了解、大氣暴露對(duì)粉末的影響、成分退化或氧化增加，再加上評(píng)估使用過的粉末的手段不足，甚至是對(duì)不合格的新工藝的簡單不信任。值得慶幸的是，這并沒有讓所有人望而卻步。包括服務(wù)提供商在內(nèi)的其他早期采用者，很快就意識(shí)到了這個(gè)問題并開發(fā)出了自己的方法來跟蹤加工粉末的使用情況和質(zhì)量。

　　因此，金屬增材制造技術(shù)在一級(jí)方程式賽車、航天和醫(yī)療領(lǐng)域取得了顯著成功。如今，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如SAEInternational 的AMS 7031）已經(jīng)發(fā)布，規(guī)定了粉末重復(fù)使用的要求，特別是在 粉末床熔融設(shè)備中。該標(biāo)準(zhǔn)明確區(qū)分了兩種粉末，一種是在設(shè)備中簡單“翻轉(zhuǎn)”并多次使用的粉末，另一種是從工藝中移除的粉末，經(jīng)過修整后與新粉末無異，可以重新投入工藝。

　　對(duì)此，金屬委員會(huì)還在編寫另一份文件，以解決閉環(huán)送粉系統(tǒng)機(jī)器的建議問題。很明顯，粉末的可持續(xù)性現(xiàn)在已成為任何粉末床熔融工藝的關(guān)鍵因素。

　　冷噴和直接能量沉積

　　冷噴（Cold Spray）和直接能量沉積（DED）這兩種沉積技術(shù)的受歡迎程度，緊隨粉末床熔融增材制造工藝之后。在冷噴增材制造中，沒有熔融。相反，該工藝依靠極高的沖擊能量來共同粘合金屬顆粒。雖然這種工藝可以使用極少量的粉末，但會(huì)產(chǎn)生一定量的噴射粉末，目前還不能被認(rèn)為是可重復(fù)使用的，必須在工藝結(jié)束后丟棄。

　　相反，在直接能量沉積打印設(shè)備中，引入的粉末是完全熔化的，可能會(huì)出現(xiàn)大面積的噴濺和其他與熔化有關(guān)的噴出顆粒，這些顆粒都不能在工藝中重復(fù)使用。在這兩種工藝中，無論使用哪種氣體進(jìn)行噴射或保護(hù)，噴出的顆粒都很可能被嚴(yán)重氧化。在數(shù)量允許的情況下，最好的辦法就是將它們收集起來，作為三級(jí)“廢料”送回。

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