如何打造增材制造金屬粉末生產(chǎn)的綠色未來(lái)？

導(dǎo)讀：在不斷發(fā)展的金屬粉末生產(chǎn)領(lǐng)域，原材料回收的重要性已成為焦點(diǎn)。隨著地緣政治變化，減少碳足跡和可持續(xù)實(shí)踐的必要性推動(dòng)了這一轉(zhuǎn)變。截至 2022 年，全球金屬粉末市場(chǎng)估值約為 48 億美元，預(yù)計(jì) 2023 年至2028 年復(fù)合年增長(zhǎng)率為 3.5%。用于增材制造的金屬材料（包括粉末）到 2022 年估值為 5.92 億美元，同比增長(zhǎng)25%（Wohlers 報(bào)告 2023）。Continuum Powder 預(yù)計(jì)增材制造金屬粉末 2024 年的銷(xiāo)售額可能接近 10 億美元。

然而，金屬粉末的傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程涉及到大量的能源消耗，預(yù)計(jì)在未來(lái)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有挑戰(zhàn)性。本文描述了增材制造行業(yè)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，并為其更具經(jīng)濟(jì)效益和更高質(zhì)量的發(fā)展提供了方向。

能源強(qiáng)度挑戰(zhàn)

金屬粉末生產(chǎn)傳統(tǒng)上涉及合金元素熔化、錠/金屬棒成形、然后進(jìn)一步加工以生產(chǎn)粉末的能源密集型過(guò)程。這些流程的復(fù)雜性和大量的碳排放凸顯了對(duì)更可持續(xù)方法的需求。傳統(tǒng)金屬生產(chǎn)中的能源消耗占該行業(yè)碳排放的很大一部分，這為探索更可持續(xù)的替代品創(chuàng)造了強(qiáng)大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)動(dòng)力。

廢料和回收材料的演變

重新利用工程耗材、工藝廢物和報(bào)廢金屬零件并不是什么新鮮事。然而，近年來(lái)，由地緣政治變化和全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的強(qiáng)調(diào)推動(dòng)，這一領(lǐng)域的受重視程度出現(xiàn)了激增。截至 2022 年，全球金屬回收市場(chǎng)預(yù)計(jì)到 2028 年將達(dá)到 4345.5 億美元，這表明回收在更廣泛的金屬行業(yè)中日益重要?！皬U料”一詞已演變?yōu)椤岸尾牧稀?，?qiáng)調(diào)了隔離、分級(jí)和認(rèn)證材料對(duì)于有效再利用的重要性。多年來(lái)建立的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐確保了材料的質(zhì)量和來(lái)源。

Continuum Powders 的Greyhound 3.0 粉末生產(chǎn)系統(tǒng)即是材料可持續(xù)回收的一個(gè)典型代表（Continuum推出新款再生金屬3D打印粉末系統(tǒng)，產(chǎn)生的碳排放更低-南極熊3D打印網(wǎng) - 平臺(tái)(nanjixiong.com)）。隨著增材制造的發(fā)展，將金屬單元回收或升級(jí)改造為粉末成為焦點(diǎn)。從冗長(zhǎng)、昂貴、碳含量高的鑄錠生產(chǎn)過(guò)渡到更直接轉(zhuǎn)化為粉末，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。到2023年，全球增材制造市場(chǎng)預(yù)計(jì)價(jià)值200億美元，2020年至2025年復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)20%。

△Continuum推出升級(jí)版Greyhound M2P 3.0霧化器

100% 材料回收的障礙

達(dá)到所需的材料規(guī)格需要精細(xì)的工藝、處理和廣泛的表征。合金偏析、涂層去除和氧還原成為金屬粉末生產(chǎn)回收成“二次材料”不可或缺的一部分。

在使用再生金屬和合金時(shí)，一個(gè)常見(jiàn)的誤解是關(guān)于其質(zhì)量。通過(guò)極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒贪芽?，保持再生材料按合金進(jìn)行分離。在金屬回收過(guò)程中，避免在收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生污染是至關(guān)重要的。化學(xué)成分是通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的分析技術(shù)進(jìn)行控制的。通過(guò)升級(jí)再利用這類(lèi)經(jīng)過(guò)認(rèn)證的金屬合金材料生產(chǎn)的粉末將滿足嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)所得粉末質(zhì)量和符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證是至關(guān)重要的，并且已經(jīng)明確定義。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，由于涉及步驟數(shù)量和多個(gè)能源密集型熔化過(guò)程，回收金屬的成本通常超過(guò)提取原始元素的成本。這種經(jīng)濟(jì)失衡對(duì)現(xiàn)有資源的回收利用提出了重大挑戰(zhàn)。然而，通過(guò)開(kāi)發(fā)更少生產(chǎn)步驟的顛覆性技術(shù)，這些挑戰(zhàn)得到緩解。

典型材料

邁向 100% 回收材料的旅程已經(jīng)開(kāi)始，優(yōu)先考慮反應(yīng)性較低的合金，例如不銹鋼和鎳基或鈷基合金。雖然這些合金更容易回收，但人們對(duì)高反應(yīng)性合金的回收產(chǎn)生了極大的興趣，這對(duì)于國(guó)防和高性能應(yīng)用至關(guān)重要。戰(zhàn)略考慮因素包括產(chǎn)量、金屬單位價(jià)值和粉末需求，其中鎳高溫合金、鈦和鋁是幾種有前途的典型材料。

碳強(qiáng)度降低

與傳統(tǒng)方法相比，向回收原料的轉(zhuǎn)變有望顯著降低碳強(qiáng)度和有害排放。新技術(shù)提供了一種可分配的替代方案，可以直接將金屬單元轉(zhuǎn)化為粉末，繞過(guò)能源密集型流程。即使是基本的二氧化碳分析也能顯示出明顯的環(huán)境效益。

成本節(jié)約和供應(yīng)安全

使用回收原料不僅可以減少碳足跡，還可以節(jié)省成本。生產(chǎn)商和粉末加工商之間的高效閉環(huán)系統(tǒng)可確保安全的供應(yīng)鏈，有助于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著戰(zhàn)略生產(chǎn)商及其供應(yīng)鏈之間建立閉環(huán)（或循環(huán)金屬經(jīng)濟(jì)），可承受性效益將最大化。

未來(lái)展望

在不影響質(zhì)量或成本的情況下實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈脫碳不僅僅是一個(gè)標(biāo)題，這更是制造行業(yè)的未來(lái)。金屬粉末生產(chǎn)行業(yè)處于綠色革命的前沿，將回收原料作為可持續(xù)、高效和經(jīng)濟(jì)可行實(shí)踐的基石。全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和綠色技術(shù)的推動(dòng)預(yù)計(jì)將進(jìn)一步推動(dòng)金屬粉末市場(chǎng)，到2030年潛在市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)70億美元。

總之，將傳統(tǒng)金屬粉末生產(chǎn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯釉匣厥諛?biāo)志著向更綠色、更可持續(xù)的未來(lái)的范式轉(zhuǎn)變。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，整合回收材料可以解決環(huán)境問(wèn)題，并帶來(lái)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和安全的供應(yīng)鏈。邁向 100% 回收材料的征程正在進(jìn)行中，預(yù)示著金屬粉末生產(chǎn)的新時(shí)代。