本刊編譯整理

　　當前，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為是一種綠色技術，但其生產過程并非對環(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，同時更注重粉末的再利用和再循環(huán)，以此改善對環(huán)境產生的影響。當然，與此密不可分的還有經濟收益，以及在供應鏈方面的國家安全利益。

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

　　廢料凸顯可持續(xù)性

　　現在，許多粉末供應商和材料生產商會經常談論和宣傳在可持續(xù)發(fā)展方面所做的努力。在去年舉行的歐洲PM2023 全體會議上。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成本以及生產過程中對環(huán)境的影響，在不久的將來，二次原材料將面臨巨大的競爭。這確實凸顯了回收材料用于生產金屬粉末的潛在價值。

　　材料供應鏈的可持續(xù)性可能一直是廢金屬行業(yè)的驅動力。任何從事鋼材或鋁合金生產的人，都不認為廢金屬回收是一個新概念，而是會告訴你，廢金屬是一種關鍵原材料。不過，人們可能沒有意識到，回收材料已被大量用于生產普通金屬粉末。

　　例如，很難想象任何年產量達數千噸鋼的粉末生產商，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。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)和各國政府關注的主流領域前，粉末冶金領域（包括金屬注射成型、沖壓和燒結以及熱等靜壓）各種零件的產出，都含有回收材料粉末。在這方面，循環(huán)經濟也并非新鮮事物。

　　然而在金屬增材制造的早期，那些粉末生產企業(yè)很可能是利用預合金坯料或將元素直接引入坩堝來生產粉末?，F在，隨著人們認識到保護環(huán)境是工業(yè)界的責任，可以看到創(chuàng)建更清潔、更可持續(xù)的金屬粉末供應鏈，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者提出相應要求，很可能成為許多購買決策中的差異化因素。

　　在去年的Formnext 展覽會上，包括Tekna 和Höganäs在內的幾家主流供應商都將展覽的部分重點放在了回收利用和可持續(xù)發(fā)展上。增材制造設備供應商EOS 表示，今年將對其粉末規(guī)格進行修改，首先從AlSi10Mg 開始。該公司現在要求供應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%。

　　金屬增材制造技術為在全球范圍內引領可持續(xù)制造提供了絕佳機會。與那些被視為“傳統”工藝相比，有可能使用更少的材料和能源，對環(huán)境造成更小的影響。

　　增材制造的現狀

　　十多年前，增材制造剛開始流行時，它是作為一種更環(huán)保的零件生產方式而出現的。當時增材制造只使用成品中的少量材料，同時，關于增材制造幾乎零浪費的說法不絕于耳。然而，隨著時間的推移，人們逐漸明白，事實并非如此；根據所選工藝，會產生固有的損耗水平。例如，使用激光粉末床熔融設備，保守估計每次生產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用無疑將繼續(xù)增長。這不僅適用于已經普遍使用的合金，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備發(fā)生了兩大變化。首先，隨著設備越來越大，生產零件的能力越來越強，它們需要更多的粉末填充。其次是設備的多樣化。過去，粉末床熔融占據主導地位，而現在，電子束粉末床熔融、定向能沉積、粘結劑噴射 、材料擠壓和冷噴的市場也在不斷擴大。

　　所有這些應用都在日益普及，需要粒度分布相似或重疊的金屬粉末等級。所有這些應用都在與其他傳統的粉末冶金應用競爭，預計這些應用對粉末的需求也會增加。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中流失的粉末、增材制造機器機械裝置中夾帶的粉末，或者是部件或其支撐結構封閉體積中包含的粉末。對于后兩種情況，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，材料擠壓成型技術可能是最具有內在可持續(xù)性的工藝。在這種工藝中，細金屬粉末與粘合劑混合，生產出絲狀、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、冷凝物或進入過濾器或其他機器死角的粉末等工藝損失，因此損耗極低。使用這種技術，最接近于只使用制造零件所需的材料，而且通常情況下，任何未燒結的材料都可以直接用于生產新的原料。

　　粘結劑噴射

　　可持續(xù)發(fā)展的下一個方向是粘結劑噴射。盡管從技術上講，這是一種粉末床技術，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造成少量損失，粘結劑的雜散噴射進入粉末床可能會造成污染，但與基于熔融的工藝相比，使用過的粉末的可回收性應該會更高。

　　粉末床熔融

　　粉末床層熔融工藝要比上述工藝復雜一些，因為它們的損耗比上述工藝更大。在熔化過程中，粉末有可能以噴濺顆?；蚱渌麌姵鑫铮ㄈ鐭熿F、冷凝水和細粉）的形式流失。后兩類顆粒有時會被嚴重氧化，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問題；它們很可能被填埋或焚燒。

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

　　一些最終用戶已經完全禁止使用曾經暴露在增材制造工藝任何部分的粉末；當然，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憂，因為該行業(yè)的早期采用者，本身就對重復使用暴露金屬粉末的真正風險心存疑慮。

　　這可能是由于缺乏對工藝本身的了解、大氣暴露對粉末的影響、成分退化或氧化增加，再加上評估使用過的粉末的手段不足，甚至是對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。包括服務提供商在內的其他早期采用者，很快就意識到了這個問題并開發(fā)出了自己的方法來跟蹤加工粉末的使用情況和質量。

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

　　對此，金屬委員會還在編寫另一份文件，以解決閉環(huán)送粉系統機器的建議問題。很明顯，粉末的可持續(xù)性現在已成為任何粉末床熔融工藝的關鍵因素。

　　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，但會產生一定量的噴射粉末，目前還不能被認為是可重復使用的，必須在工藝結束后丟棄。

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

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