突破传统制造边界！粉末挤出3D打印钽金属的革新之路

升华三维 2025-03-03 | 阅读：36

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钽金属：高价值的"全能材料"

钽（Tantalum）是一种具有独特性能的难熔金属，以其高熔点、良好的耐腐蚀性、优异的生物相容性和稳定的物理化学性质而著称。这些特性使钽金属在众多领域都有着广泛的应用。

钽金属核心特性

极端耐腐蚀性：钽几乎对所有无机酸（包括王水）和高温熔盐具有优异的抗腐蚀能力，是化工设备、核反应堆内衬的首选材料；

生物相容性：钽在人体内无排异反应，且能促进骨细胞生长，成为骨科植入物（如关节、骨板）的理想选择；

高熔点与导电性：熔点高达3017℃，适合高温环境（如火箭喷嘴）；同时具备良好的导电性，用于高端电容器和半导体器件。

在电子工业中，钽金属被用于制造高性能的电容器、电阻器等电子元件，全球60%以上的钽用于制造高端电容器，其介电常数是铝的100倍，是5G通信、新能源汽车电控系统的核心元件，其稳定的电学性能为电子设备的可靠运行提供了保障。
在航空航天领域，钽金属的高温强度和抗蠕变性能使其成为发动机部件、航天器热防护系统等关键部件的理想材料，如在F-35战斗机的发动机部件中，钽合金燃烧室可承受2000℃以上的高温。
此外，更令人瞩目的是，钽与人体组织具有天然相容性，是极少数能直接植入人体的金属材料，在医疗器械领域也有着重要的应用，如多孔钽植入物已成功应用于骨科、牙科，其仿生结构可促进骨细胞长入，使植入体寿命延长3倍以上。

▲钽金属应用领域广泛 ©东方钽业、招商证券

3D打印钽金属：从实验室到产业化的跨越

传统钽加工主要包括锻造、轧制、拉伸、铸造等方法，但因其高硬度、高熔点的特性，加工即面临着成本高、周期长、复杂结构难成型的痛点。而3D打印技术的出现彻底改变了这一局面，通过数字建模与逐层制造，钽金属可被轻易加工成任意复杂形状。3D打印钽金属是对传统加工的一种补充，现阶段也主要应用在医疗器械、航空航天、电子工业等领域。目前，LPBF和EBM是比较常见的用于加工钽金属的3D打印技术。

在医疗植入领域：如LPBF技术加工过程中高能量密度的激光束能充分且快速地使难熔钽粉熔化，大大降低了制备生物医用钽的难度，提高植入体制备效率，如髋臼杯、踝关节等个性化器械，术后恢复周期可缩短30%。据统计，3D打印多孔钽髋臼杯的骨长入率较传统产品提升40%，已在全球完成超过10万例临床植入。在2023年，首款3D打印钽椎间融合器获中国药监局批准，标志着其医疗应用的成熟。

▲3D打印的多孔钽金属半骨盆假体 ©大连大学附属中山医院赵德伟教授团队

在航空航天领域：3D打印钽金属部件能够实现复杂结构的设计和制造，提高部件的性能和可靠性。钽钨合金还可用于高超音速飞行器热防护部件，耐温性能提升50%。某卫星推进器采用3D打印一体化成型技术，在保持强度的同时减重30%，显著降低发射成本。

3D打印钽金属的技术突破点

材料利用率：传统机加工钽金属材料浪费率高达90%，而3D打印可实现近净成型，利用率提升至95%；

设计自由度：结合拓扑优化技术，可在钽部件内部构建梯度孔隙结构，同时满足力学性能与功能需求；

复杂结构定制：多孔小梁结构可精准匹配患者骨缺损形状，孔隙率可达78%，促进骨整合。

PEP工艺：钽金属3D打印的"性价比之选"

但常见激光3D打印钽金属，面临着粉末成本高（球形粉要求严格）、残余应力大、设备投入高等问题，限制规模化应用。升华三维自主研发的粉末挤出3D打印（PEP）技术，融合了“3D打印+粉末冶金”的双重优势。针对钽金属特性进行了深度优化，将钽粉与高分子粘结剂均匀混合，制成粒径为0.3-3mm的颗粒喂料；再通过独立双喷嘴螺杆挤出系统3D打印机将喂料精确沉积，构建三维坯体；最后采用催化脱脂+高温烧结工艺，使得钽金属部件致密度达99.5%以上。

▲PEP制备的钽植入体+难熔金属难熔金属复杂填充样品 @升华三维

相比常见激光打印工艺，形成差异化竞争优势：

PEP打印钽金属的差异化优势

低温成型、高温成性：无需激光或电子束，通过蜡基颗粒料在低温（160-180℃）下成型，并采用独创"双阶段脱脂法"+烧结（与粉末冶金兼容），将坯体开裂率降低至0.5%以下。能有效规避钽等高熔点金属在制备过程中，极易出现的变形、裂纹、孔洞等问题，从而确保了产品性能一致性；

材料普适性：兼容球形度低、流动性差的钽粉（0.2-100μm粒径），从而降低原料成本，支持高固含量（50-65vol%）的喂料，可进一步提升致密度；

成本与效率优势：设备成本仅为激光打印的1/5-1/3，且支持粉末循环使用，材料利用率达95%以上，适合中小批量生产；

结构性能稳定：结合粉末冶金烧结工艺，产品力学性能接近锻件水平，组织均匀、结构无缺陷；

复合材料制备：独立双喷嘴挤出系统可支持不同金属和陶瓷材料的复合打印；

复杂结构能力：支持中空、多孔一体化成型，无需清粉，满足医疗植入物和轻量化工业件需求。

不过，PEP技术在制备钽金属时也存在一些不足。由于PEP技术需要进行脱脂烧结等后处理工艺，整个生产周期相对较长，另外烧结过程中约有15-20%的体积收缩也需通过建模进行优化补偿。此外，PEP技术在打印精度和表面质量方面可能不如一些直接熔化型的3D打印技术，对于一些对尺寸精度和表面光洁度要求极高的应用，可能需要进一步的加工和处理。

PEP赋能钽金属制造，未来前景广阔

据天风证券预测，金属增材制造市场将以18.46%年复合增长率扩张，钽作为高附加值材料，有望在2030年前形成百亿级应用规模。而全球骨科植入市场规模预计2030年达800亿美元，3D打印钽器械占比将超20%。升华三维现已攻克难熔金属产品的快速开发及复杂结构制造等难题，通过对“金属间接3D打印”的工艺革新，为钽金属增材制造提供了高性价比、高自由度的解决方案。

▲PEP可打印的难熔金属及其合金材料 @升华三维

在医疗器械领域，PEP技术的颗粒挤出方式可呈现出独特的高接触面积和低表面质量特性，非常适用于定制复杂结构的钽金属植入体，以满足不同患者的需求；在多材料打印方面，升华三维已可实现钽与羟基磷灰石等生物陶瓷的复合打印。

▲PEP工艺制备的难熔金属应用样品 @升华三维

在航空航天领域，PEP技术可以实现复杂结构钽金属部件的一体化设计制造，从而提高部件的性能和可靠性。此外，PEP技术还可以利用打印材料可循环特性，为电子工业、核工业等领域减少钽资源浪费，实现绿色制造升级。

未来，随着材料数据库的完善与Ai辅助智能化工艺的融合，PEP技术有望引领钽金属从“小众高端”走向“大规模应用”，开启难熔金属制造的智造新时代。

升华三维现面向航空航天、国防工业、核工业、医疗植入等应用领域提供难熔金属增材制造解决方案及打印服务。欢迎垂询！