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突破傳統(tǒng)制造邊界！粉末擠出3D打印鉭金屬的革新之路

升華三維 2025-03-04 | 閱讀：279

鉭金屬：高價(jià)值的"全能材料"

鉭（Tantalum）是一種具有獨(dú)特性能的難熔金屬，以其高熔點(diǎn)、良好的耐腐蝕性、優(yōu)異的生物相容性和穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)而著稱。這些特性使鉭金屬在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

鉭金屬核心特性

極端耐腐蝕性：鉭幾乎對(duì)所有無機(jī)酸（包括王水）和高溫熔鹽具有優(yōu)異的抗腐蝕能力，是化工設(shè)備、核反應(yīng)堆內(nèi)襯的首選材料；

生物相容性：鉭在人體內(nèi)無排異反應(yīng)，且能促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)，成為骨科植入物（如關(guān)節(jié)、骨板）的理想選擇；

高熔點(diǎn)與導(dǎo)電性：熔點(diǎn)高達(dá)3017℃，適合高溫環(huán)境（如火箭噴嘴）；同時(shí)具備良好的導(dǎo)電性，用于高端電容器和半導(dǎo)體器件。

在電子工業(yè)中，鉭金屬被用于制造高性能的電容器、電阻器等電子元件，全球60%以上的鉭用于制造高端電容器，其介電常數(shù)是鋁的100倍，是5G通信、新能源汽車電控系統(tǒng)的核心元件，其穩(wěn)定的電學(xué)性能為電子設(shè)備的可靠運(yùn)行提供了保障。
在航空航天領(lǐng)域，鉭金屬的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能使其成為發(fā)動(dòng)機(jī)部件、航天器熱防護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的理想材料，如在F-35戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，鉭合金燃燒室可承受2000℃以上的高溫。
此外，更令人矚目的是，鉭與人體組織具有天然相容性，是極少數(shù)能直接植入人體的金屬材料，在醫(yī)療器械領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用，如多孔鉭植入物已成功應(yīng)用于骨科、牙科，其仿生結(jié)構(gòu)可促進(jìn)骨細(xì)胞長(zhǎng)入，使植入體壽命延長(zhǎng)3倍以上。

▲鉭金屬應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 ?東方鉭業(yè)、招商證券

3D打印鉭金屬：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的跨越

傳統(tǒng)鉭加工主要包括鍛造、軋制、拉伸、鑄造等方法，但因其高硬度、高熔點(diǎn)的特性，加工即面臨著成本高、周期長(zhǎng)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)難成型的痛點(diǎn)。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了這一局面，通過數(shù)字建模與逐層制造，鉭金屬可被輕易加工成任意復(fù)雜形狀。3D打印鉭金屬是對(duì)傳統(tǒng)加工的一種補(bǔ)充，現(xiàn)階段也主要應(yīng)用在醫(yī)療器械、航空航天、電子工業(yè)等領(lǐng)域。目前，LPBF和EBM是比較常見的用于加工鉭金屬的3D打印技術(shù)。

在醫(yī)療植入領(lǐng)域：如LPBF技術(shù)加工過程中高能量密度的激光束能充分且快速地使難熔鉭粉熔化，大大降低了制備生物醫(yī)用鉭的難度，提高植入體制備效率，如髖臼杯、踝關(guān)節(jié)等個(gè)性化器械，術(shù)后恢復(fù)周期可縮短30%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3D打印多孔鉭髖臼杯的骨長(zhǎng)入率較傳統(tǒng)產(chǎn)品提升40%，已在全球完成超過10萬例臨床植入。在2023年，首款3D打印鉭椎間融合器獲中國(guó)藥監(jiān)局批準(zhǔn)，標(biāo)志著其醫(yī)療應(yīng)用的成熟。

▲3D打印的多孔鉭金屬半骨盆假體 ?大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院趙德偉教授團(tuán)隊(duì)

在航空航天領(lǐng)域：3D打印鉭金屬部件能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造，提高部件的性能和可靠性。鉭鎢合金還可用于高超音速飛行器熱防護(hù)部件，耐溫性能提升50%。某衛(wèi)星推進(jìn)器采用3D打印一體化成型技術(shù)，在保持強(qiáng)度的同時(shí)減重30%，顯著降低發(fā)射成本。

3D打印鉭金屬的技術(shù)突破點(diǎn)

材料利用率：傳統(tǒng)機(jī)加工鉭金屬材料浪費(fèi)率高達(dá)90%，而3D打印可實(shí)現(xiàn)近凈成型，利用率提升至95%；

設(shè)計(jì)自由度：結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，可在鉭部件內(nèi)部構(gòu)建梯度孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)滿足力學(xué)性能與功能需求；

復(fù)雜結(jié)構(gòu)定制：多孔小梁結(jié)構(gòu)可精準(zhǔn)匹配患者骨缺損形狀，孔隙率可達(dá)78%，促進(jìn)骨整合。

PEP工藝：鉭金屬3D打印的"性價(jià)比之選"

但常見激光3D打印鉭金屬，面臨著粉末成本高（球形粉要求嚴(yán)格）、殘余應(yīng)力大、設(shè)備投入高等問題，限制規(guī)模化應(yīng)用。升華三維自主研發(fā)的粉末擠出3D打印（PEP）技術(shù)，融合了“3D打印+粉末冶金”的雙重優(yōu)勢(shì)。針對(duì)鉭金屬特性進(jìn)行了深度優(yōu)化，將鉭粉與高分子粘結(jié)劑均勻混合，制成粒徑為0.3-3mm的顆粒喂料；再通過獨(dú)立雙噴嘴螺桿擠出系統(tǒng)3D打印機(jī)將喂料精確沉積，構(gòu)建三維坯體；最后采用催化脫脂+高溫?zé)Y(jié)工藝，使得鉭金屬部件致密度達(dá)99.5%以上。

▲PEP制備的鉭植入體+難熔金屬難熔金屬復(fù)雜填充樣品 @升華三維

相比常見激光打印工藝，形成差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：

PEP打印鉭金屬的差異化優(yōu)勢(shì)

低溫成型、高溫成性：無需激光或電子束，通過蠟基顆粒料在低溫（160-180℃）下成型，并采用獨(dú)創(chuàng)"雙階段脫脂法"+燒結(jié)（與粉末冶金兼容），將坯體開裂率降低至0.5%以下。能有效規(guī)避鉭等高熔點(diǎn)金屬在制備過程中，極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產(chǎn)品性能一致性；

材料普適性：兼容球形度低、流動(dòng)性差的鉭粉（0.2-100μm粒徑），從而降低原料成本，支持高固含量（50-65vol%）的喂料，可進(jìn)一步提升致密度；

成本與效率優(yōu)勢(shì)：設(shè)備成本僅為激光打印的1/5-1/3，且支持粉末循環(huán)使用，材料利用率達(dá)95%以上，適合中小批量生產(chǎn)；

結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定：結(jié)合粉末冶金燒結(jié)工藝，產(chǎn)品力學(xué)性能接近鍛件水平，組織均勻、結(jié)構(gòu)無缺陷；

復(fù)合材料制備：獨(dú)立雙噴嘴擠出系統(tǒng)可支持不同金屬和陶瓷材料的復(fù)合打印；

復(fù)雜結(jié)構(gòu)能力：支持中空、多孔一體化成型，無需清粉，滿足醫(yī)療植入物和輕量化工業(yè)件需求。

不過，PEP技術(shù)在制備鉭金屬時(shí)也存在一些不足。由于PEP技術(shù)需要進(jìn)行脫脂燒結(jié)等后處理工藝，整個(gè)生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，另外燒結(jié)過程中約有15-20%的體積收縮也需通過建模進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償。此外，PEP技術(shù)在打印精度和表面質(zhì)量方面可能不如一些直接熔化型的3D打印技術(shù)，對(duì)于一些對(duì)尺寸精度和表面光潔度要求極高的應(yīng)用，可能需要進(jìn)一步的加工和處理。

PEP賦能鉭金屬制造，未來前景廣闊

據(jù)天風(fēng)證券預(yù)測(cè)，金屬增材制造市場(chǎng)將以18.46%年復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)張，鉭作為高附加值材料，有望在2030年前形成百億級(jí)應(yīng)用規(guī)模。而全球骨科植入市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)2030年達(dá)800億美元，3D打印鉭器械占比將超20%。升華三維現(xiàn)已攻克難熔金屬產(chǎn)品的快速開發(fā)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造等難題，通過對(duì)“金屬間接3D打印”的工藝革新，為鉭金屬增材制造提供了高性價(jià)比、高自由度的解決方案。

▲PEP可打印的難熔金屬及其合金材料 @升華三維

在醫(yī)療器械領(lǐng)域，PEP技術(shù)的顆粒擠出方式可呈現(xiàn)出獨(dú)特的高接觸面積和低表面質(zhì)量特性，非常適用于定制復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鉭金屬植入體，以滿足不同患者的需求；在多材料打印方面，升華三維已可實(shí)現(xiàn)鉭與羥基磷灰石等生物陶瓷的復(fù)合打印。

▲PEP工藝制備的難熔金屬應(yīng)用樣品 @升華三維

在航空航天領(lǐng)域，PEP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鉭金屬部件的一體化設(shè)計(jì)制造，從而提高部件的性能和可靠性。此外，PEP技術(shù)還可以利用打印材料可循環(huán)特性，為電子工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域減少鉭資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綠色制造升級(jí)。

未來，隨著材料數(shù)據(jù)庫的完善與Ai輔助智能化工藝的融合，PEP技術(shù)有望引領(lǐng)鉭金屬從“小眾高端”走向“大規(guī)模應(yīng)用”，開啟難熔金屬制造的智造新時(shí)代。

升華三維現(xiàn)面向航空航天、國(guó)防工業(yè)、核工業(yè)、醫(yī)療植入等應(yīng)用領(lǐng)域提供難熔金屬增材制造解決方案及打印服務(wù)。歡迎垂詢！

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