3D打印與粉末冶金的創(chuàng)新結合，升華三維PEP技術支持金屬、陶瓷材料

南極熊注意到，3D打印將顛覆制造業(yè)，曾成為很多重塑產業(yè)發(fā)展擁躉的共同信仰。但是國內發(fā)展十多年，3D打印依然存在工業(yè)制造上的成本、效率難題。全球范圍內金屬3D打印技術主要分為兩大陣營：直接金屬3D打印和間接金屬3D打印。其中，直接金屬3D打印是將金屬材料直接打印成金屬件，而間接金屬3D打印是通過粘合劑等將金屬材料打印成型，然后將粘合劑去除掉，最終得到金屬件。

目前直接金屬3D打印技術主要是采用昂貴的激光或電子束或等離子作為輸入熱源來直接燒結或者熔化金屬粉末或其混合物進行逐層疊加打印制品。主要有選區(qū)激光燒結/熔化（SLS、SLM）、電子束選區(qū)熔化成型（EBSM）、直接金屬激光燒結/沉積（DMLS、DMD、LENS）、快速等離子體沉積（RPD）等技術。共同技術特點就是打印與熔化一體、同時獲得產品形狀與性能。缺陷在于激光器等設備及材料價格高昂，可滿足工業(yè)化生產的打印材料有限，運營成本高；點線成型算法復雜、打印速度慢、工藝開發(fā)難；工藝復雜難以控制、產品性能不一致。

△直接3D打印技術

一、PEP技術
由升華三維推出的“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬·陶瓷間接3D打印技術——粉末擠出打印技術（Powder Extrusion printing，PEP）。有別于利用高強能量束燒結或熔化金屬等材料，同步獲得產品形狀和性能的直接3D打印技術，PEP技術是將打印與脫脂燒結分開、分步獲得產品形狀與性能。

△間接金屬3D打印

PEP技術創(chuàng)新性地通過3D打印實現對材料的控制和成形,滿足金屬/陶瓷零件的個性化定制。通過3D打印實現無模具化的模型制備，節(jié)省了模具開發(fā)的制造成本和時間成本。PEP技術同時也彌補了傳統(tǒng)激光3D打印的效率缺陷與尺寸限制，成本更低，正快速挑戰(zhàn)著激光在金屬粉末材料方面直接打印的應用，成為金屬零件批量打印的重點技術。

二、技術特點
PEP技術利用了已發(fā)展超過30年、并大規(guī)模應用于電子3C、汽車、醫(yī)療、軍工航天等領域的金屬·陶瓷粉末注射成形技術（PIM）。兩者工藝流程有很多相通之處，結合3D打印對材料的控制和成形，實現最終的金屬·陶瓷零部件個性化定制化生產。在得到具有一定密度和強度的生坯后，利用粉末注射成形技術的相關工藝對產品進行脫脂和燒結，獲得性能一致且優(yōu)良的產品。

△粉末注射成形工藝流程

△PEP技術工藝流程

1、3D打印成型
基于PEP技術，金屬顆粒通過3D打印機擠壓和逐層堆積，按照你的設計，生胚被一層一層地打印出來。3D打印通常適用于原型測試、復雜的幾何形狀和小批量生產。一般來說，我們自主研發(fā)的Uprise 3D打印機可以打印從金屬到陶瓷的多種材料，打印性能穩(wěn)定和精確高。打印成型后，生胚需要進行脫脂和燒結過程。

2、脫脂
脫脂的作用是從3D打印生胚中去除大部分粘結劑聚合物。脫脂過程相對簡單，將生胚浸泡于適量的脫脂劑里一段時間。脫脂工藝包括水脫脂、溶劑脫脂和催化脫脂。一般來說，我們的脫脂劑采用溫和的草酸而不是硝酸，更環(huán)保，更安全。此外，我們的脫脂爐可批量處理，操作簡單。一旦粘結劑聚合物被去除，該部分被稱為棕胚，被送去燒結得到致密的金屬部件。

3、燒結
為了獲得最終的金屬部件，燒結工藝是必須和關鍵的。燒結條件需要在真空氣氛和高溫下進行。燒結爐可批量加工，性能高，操作簡單。通過燒結，殘余的粘結劑聚合物首先在適當的加熱溫度下被去除。當溫度升高到金屬粒子的熔點以上時，這些粒子開始熔化并增長到密度達到幾乎98%。值得注意的是，在燒結過程中，由于粘結劑聚合物的去除和金屬顆粒的生長，會發(fā)生收縮，但收縮率是恒定的。金屬部分將按比例放大，以補償在三維建模步驟中的收縮。燒結金屬部件具有良好的力學性能，可用于各種工業(yè)用途和應用。

4、后處理
燒結的金屬部件是完全致密的，可以隨時使用。但是，當需要更好的外觀時，可以使用拋光和涂層等后處理方法。通常，數控銑削是為了獲得更好的精度。所有這些方法都是全面的，成本是可以承受的。

三、技術優(yōu)勢

• PEP技術為粉末冶金行業(yè)數字化賦能，解鎖3D打印在粉末冶金領域的應用，釋放粉末冶金的潛能。主要的技術優(yōu)勢包括以下方面：
• 可利用粉末注射成形成熟穩(wěn)定的技術體系，材料體系廣泛、產品性能一致性好
• 與直接3D打印技術相比，打印設備、材料及打印成本更低，成形精度高，更有利于3D打印應用的推廣及普及
• 打印產品性能達到粉末注射成形及鍛件水平
• 綠色環(huán)保，打印材料可循環(huán)利用，有效利用率高
• 低成本的金屬/陶瓷復雜產品定制化、批量化生產解決方案
  

四、支持的材料體系
從不銹鋼、模具鋼、銅及銅合金、鋁合金、高溫合金、鈦合金、難熔金屬等金屬材料，到氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，幾乎無止境的潛在材料清單為3D打印大規(guī)模進入應用市場創(chuàng)造有利的客觀條件。

△南極熊展會拍攝升華三維間接金屬3D打印展品