基于燒結(jié)的間接3D打印——為鎢金屬加工制造及靈活設(shè)計(jì)開拓新方向

來源：升華三維

鎢及鎢合金是典型的難熔金屬和難成形材料,因其高熔點(diǎn)、高密度、高導(dǎo)熱性和適度的熱膨脹等性能而成為高溫應(yīng)用的首選材料，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、國(guó)防軍工、航空航天、電子信息、能源、化工冶金、核工業(yè)等諸多領(lǐng)域，2023年2月份，金屬·陶瓷間接3D打印技術(shù)的廠商升華三維推出鎢合金3D打印服務(wù)，接下來，將對(duì)粉末擠出打印技術(shù)（PEP）在鎢及鎢合金3D打印制備工藝做詳細(xì)解答。

鎢材料的優(yōu)點(diǎn)也成為其難以加工的問題。鎢的熔點(diǎn)可高達(dá)3410℃，很難用常規(guī)方法制造。通常，鎢及鎢合金可經(jīng)粉末冶金制坯、擠壓、鍛造、軋制、旋壓和拉拔等加工成材，但加工成本高且耗時(shí)，所能制造的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜度有限。3D打印技術(shù)為鎢金屬的制造提供了新的思路，目前主流的SLM、BJ、FDM擠出以及DLP等基于直接熔化和基于燒結(jié)的制備途徑均為鎢制造提供了可行性。

基于燒結(jié)的間接3D打印
粉末擠出打印技術(shù)（PEP）是由升華三維推出的一種將“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)。是在(FDM)熔融沉積成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合粉末冶金工藝形成的一種3D打印方法。采用金屬/陶瓷粉體適配粘結(jié)劑混煉成顆粒材料、然后通過3D打印設(shè)備制備出具有一定密度和強(qiáng)度的生坯，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)后處理工藝，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。有望為鎢及鎢合金在增材制造的應(yīng)用提供高效的生產(chǎn)解決方案。

打印材料的開發(fā)
升華三維根據(jù)金屬/陶瓷粉體的物性（粒徑分布、形貌、比表面積等）和產(chǎn)品的性能要求，選擇合適的粘接劑配方體系（水基、塑基、蠟基等）進(jìn)行適配，通過密煉機(jī)充分混合密煉高分子粘結(jié)劑與金屬/陶瓷粉末，最后通過造粒機(jī)制備得到粒徑可控的顆粒料材料。相繼開發(fā)出了適配于升華三維3D打印機(jī)的材料。如：316L/304/17-4PH不銹鋼、銅及銅合金、鎢及鎢合金、鈦及鈦合金、高溫合金、硬質(zhì)合金難熔金屬等金屬材料，氧化鋯、氧化鋁、碳化硅等特種陶瓷材料及羥基磷灰石等生物陶瓷材料，以滿足不同應(yīng)用需求。

UPGM-93WNIFE鎢合金顆粒料是升華自主研發(fā)的一種金屬聚合物復(fù)合材料，呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒，可應(yīng)用于航空航天、軍事國(guó)防、核工業(yè)、工業(yè)制造及飾品等領(lǐng)域的鎢金屬結(jié)構(gòu)件開發(fā)制造。

3D打印成型

▲3D打印設(shè)備

基于PEP技術(shù)，以按照模型設(shè)計(jì) →工藝經(jīng)驗(yàn)評(píng)估/軟件模擬 → 原型法驗(yàn)證 → 生坯打印的規(guī)范生產(chǎn)流程。通過升華三維3D打印機(jī)系統(tǒng)將顆粒料加熱成熔融膏狀，再擠壓并逐層堆積成形，可得到高精度并具有一定密度和強(qiáng)度的生坯。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大尺寸（最大成型體積：500×500×600mm）鎢金屬結(jié)構(gòu)件打印，且具有熱風(fēng)腔體恒溫系統(tǒng)和真空吸附平臺(tái)，可有效防止翹邊現(xiàn)象。打印成型后，生胚還需要進(jìn)行脫脂和燒結(jié)過程。

▲3D打印工藝參數(shù)

▲UPGM-93WNIFE鎢合金生坯樣品

脫脂工藝
脫脂的作用是從3D打印生胚中去除大部分粘結(jié)劑聚合物。脫脂工藝包括水脫脂、溶劑脫脂和催化脫脂。脫脂過程相對(duì)簡(jiǎn)單，將生胚浸泡于適量的脫脂劑里一段時(shí)間，被去除粘結(jié)劑聚合物的生坯稱之為棕胚，將被送至燒結(jié)環(huán)節(jié)從而得到致密的金屬/陶瓷結(jié)構(gòu)部件。升華三維目前已擁有成熟的水基93W-NiFe打印材料。如下圖所示，在脫脂環(huán)節(jié)，使用“處理水脫脂工藝”，溶解脫除粘接劑B；脫脂后，殘留的粘接劑A，使棕坯具有一定的強(qiáng)度，以方便轉(zhuǎn)運(yùn)。而殘留的粘接劑A，將在后續(xù)燒結(jié)過程中高溫去除。

▲脫脂工藝圖示

燒結(jié)工藝
獲得的棕坯因在脫脂后存在一定的空隙，其強(qiáng)度和密度較低�；�于PEP技術(shù)路線已摸索出合適的燒結(jié)工藝，并可根據(jù)客戶粉體物性調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)。通過燒結(jié)，殘余的粘結(jié)劑聚合物首先在適當(dāng)?shù)募訜釡囟认卤蝗コ�。�?dāng)溫度升高到金屬/陶瓷粒子的熔點(diǎn)以上時(shí)，這些粒子開始熔化并增長(zhǎng)到密度達(dá)到近乎致密。因燒結(jié)溫度低于其他類型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加，從而確保了產(chǎn)品性能的一致性。

▲UPGM-93WNIFE鎢合金燒結(jié)件力學(xué)性能

需要注意的是，在燒結(jié)過程中，由于粘結(jié)劑聚合物的去除和材料顆粒的生長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生一定比率的收縮，但收縮率是恒定的。設(shè)計(jì)和成型步驟將按比例放大，以補(bǔ)償在燒結(jié)步驟中的收縮。燒結(jié)后的鎢合金構(gòu)件，能達(dá)到或超過傳統(tǒng)工藝制備性能指標(biāo)。

▲UPGM-93WNIFE鎢合金燒結(jié)樣品

PEP技術(shù)為解決鎢合金機(jī)械加工難、復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和減重設(shè)計(jì)提供一種新的解決途徑，通過PEP工藝制備的鎢合金部件是完全可直接使用的，并且能實(shí)現(xiàn)更快的生產(chǎn)與打樣。升華三維將進(jìn)一步挖掘技術(shù)潛能，建立完備的工藝路線。推出的鎢合金3D打印服務(wù)，也將為航天、航空、軍事、醫(yī)療以及核工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域在鎢金屬加工制造及靈活設(shè)計(jì)開拓新方向。