破解金屬3D打印效率與成本瓶頸，這家企業(yè)瞄準半導體、新能源的制造

來源：新材料在線

有外媒報道蘋果公司正嘗試采用3D打印的方式生產(chǎn)其智能手表的鋼制底盤，這一消息引起了3D打印界的震動。這意味著，批量化3D打印金屬的技術成熟度又邁進了一步。

不過，從3D打印提出至今，制造成本和效率等瓶頸問題，仍然懸而未解。尤其是面向工業(yè)應用的增材制造，其客戶群的開拓更是停留在對成本更不敏感的航空航天、軍工、醫(yī)療等高端裝備的領域。如何讓3D打印進入更廣泛的國計民生領域，是現(xiàn)在亟待解決的難題。

在工業(yè)化應用上，當前主要以PBF（粉末床熔合）式激光直接金屬3D打印為主，可生產(chǎn)直接使用的最終功能件。在龐大的3D打印隊伍中，升華三維卻是另辟蹊徑，發(fā)展3D打印結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金工藝的間接3D打印技術，以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率。

在聯(lián)合創(chuàng)始人劉業(yè)看來，升華三維的這條路線，是實現(xiàn)批量化金屬、陶瓷3D打印的優(yōu)異選擇。

01
開辟與傳統(tǒng)制造強耦合的3D打印技術

升華三維對于間接3D打印技術的提出，源于劉業(yè)及其另一位創(chuàng)始人吳敏對于粉末冶金專業(yè)知識的深度理解。

在走出象牙塔之前，劉業(yè)與吳敏是中南大學粉末冶金研究院的同學。2013年，二人畢業(yè)后，吳敏進入了富士康，接觸到了3D打印；而劉業(yè)先后進入廈門鎢業(yè)和信維通信持續(xù)深耕粉末冶金的模壓與注射成型技術。

此時，國際上的金屬3D打印已經(jīng)進入初步發(fā)展階段，Wohlers Associates的報告顯示，2013年共有348臺金屬3D打印機被售出，較上年增幅達到了驚人的75.8%。

初次接觸到金屬3D打印的吳敏深受觸動，對其展開了深入的探索。相對于傳統(tǒng)制造技術，金屬3D打印可以通過軟件快速構(gòu)建金屬零部件，所需時間僅為數(shù)小時。但是，這工藝十分昂貴，通常在航空航天領域用來制作金屬部件的原型。

金屬3D打印的昂貴體現(xiàn)在設備、材料和打印時間等三個方面。在設備方面，金屬3D打印設備中有一項直接金屬激光燒結(jié)技術，即采用強大的高能激光束金屬粉末使其逐層燒結(jié)成固體零件。

劉業(yè)回憶道，由于激光器的存在，一臺打印常規(guī)尺寸的打印設備就需要200多萬元。據(jù)了解，當時只有空客、通用電氣，和Lima Corporate等采用金屬3D打印的方式來為下一代航空航天和醫(yī)療產(chǎn)品制備復雜的金屬零件。

此外，由于當時的金屬打印方式是從坯體打印到固化一體成型，打印的成本十分高昂，“打1個產(chǎn)品的單價和打100個產(chǎn)品的單價并沒有區(qū)別，批量化并沒有優(yōu)勢。”劉業(yè)對新材料在線®表示。

打印的耗材問題也成為另一道門檻，SLM打印技術采用的是鋪粉打印成型技術，要求粉體顆粒含氧量低、球形度高、分散性和流動性好、粒徑分布窄等，并且對所需顆粒尺寸也提出嚴格要求。

基于粉末冶金專業(yè)的知識背景，吳敏敏感地認定，金屬3D打印將會是粉末冶金的補充技術，通過自己的專業(yè)知識與現(xiàn)有的3D打印技術結(jié)合，或許能將金屬3D打印的成本打下來。

于是吳敏聯(lián)系到老同學劉業(yè)，一起探索破局之道。

經(jīng)過對SLM打印路線的研究，劉業(yè)發(fā)現(xiàn)，其原理在于通過高能激光將金屬粉末粘接起來，由點到線到面，形成致密化，從粉末到成品一步到位。二人思考，能否以高分子材料替代高能激光，先將金屬粉末粘結(jié)起來打印出坯體，然后再以自己熟悉的粉末冶金方式進行燒結(jié)呢？

3D打印分金屬3D打印和非金屬3D打印，當時FDM等高分子3D打印路線已經(jīng)較為成熟，二人提出高分子粘接金屬粉末打印出坯體的靈感正是來自于高分子3D打印的原理。

“這意味著，只需改裝一臺簡單的FDM打印設備，我們就可以實現(xiàn)金屬的3D打印�！眲�業(yè)興奮地表示。因此二人決定繞開主流SLM路線采用高能激光一體成型的路線，創(chuàng)新性地提出了粉末擠出3D打印技術（PEP）。

“國內(nèi)間接3D打印思路是由升華三維首先提出來的， PEP將3D打印中的制備過程分為打印和后處理。3D打印更像是粉末冶金環(huán)節(jié)中的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要負責將金屬粉末跟粘合劑融合的原料逐層打印成形的生坯。真正考驗產(chǎn)品性能的關鍵在于后續(xù)的處理也就是粉末冶金環(huán)節(jié)�！�

劉業(yè)對新材料在線®表示，間接3D打印技術路線，是一個跨學科的創(chuàng)新，各工藝流程之間是一個強耦合的關系。

02
設備與生產(chǎn)成本都得到控制

2015年，劉業(yè)二人決定將想法付諸實踐。

由于PEP避開了昂貴的高能激光器，采購設備的價格一下子就降了下來。劉業(yè)對新材料在線®介紹道，PEP打印原理與打印高分子材料的FDM技術類似，區(qū)別其中一個重要差異就在于擠出系統(tǒng)的設計，F(xiàn)DM只能打印高分子材料。

團隊基于FDM技術的擠出思路重新設計成可以打印顆粒料的進料裝置，這樣一來就可以在更簡單的打印機中實現(xiàn)復雜金屬結(jié)構(gòu)件打印。

裝備搭建好后，需要匹配打印材料。在諸多金屬材料中，不銹鋼在金屬注射成型領域是一個十分成熟的材料體系，生產(chǎn)配套可以輕松拉通，“當時我們還沒有燒結(jié)爐，選擇不銹鋼材料的話，只需打印出坯體，可以很容易找到朋友幫忙燒結(jié)�！�

于是，團隊選擇了不銹鋼作為第一個打印的金屬材料�！暗谝粋�產(chǎn)品打印的是螺桿，我和吳敏兩人在打印現(xiàn)場蹲了一天一夜，幸運的是成功地打印出來了。”劉業(yè)興奮地回憶道，坯體打印出來后，托人幫忙脫脂燒結(jié)，第一個產(chǎn)品成功出爐。

作為間接的3D打印技術，相較于打印與固化一體成型的SLM技術，PEP可以通過布局矩陣式的打印，批量打出坯體后，進行批量脫脂燒結(jié)，“燒結(jié)爐可以很大，像燒磚頭的窯爐一樣，可以一次性完成大量燒結(jié)。”這意味著，更低成本的批量化的金屬3D打印技術路線走通了。

“采用直接3D打印成型的方式，打印1個產(chǎn)品和打印100個產(chǎn)品，單個產(chǎn)品的成本沒有變化，而采用間接3D打印成型，打印的量越多，成本越低�！�

隨著后續(xù)反復修改配方和調(diào)整工藝，打印件的質(zhì)量也越來越理想，逐步接近粉末冶金工藝的水平，這讓劉業(yè)和吳敏愈發(fā)憧憬起來。

不過，興奮的心情沒持續(xù)多久，二人便被現(xiàn)實澆了一盆冷水。他們發(fā)現(xiàn)這一技術在業(yè)界和投資人面前推廣的時候，因為概念過于陌生，并未受到歡迎。

正在心灰意冷時，2017年5月，事情便迎來轉(zhuǎn)機。

原來，國外一家由麻省理工學院教授組建的Desktop Metal公司，也推出了間接金屬3D打印的方法，并拿到了福特、寶馬等公司的投資，成為當時3D打印界最大黑馬。Desktop Metal被國內(nèi)專業(yè)媒體報道后，升華三維團隊發(fā)現(xiàn)，他們推出的新型打印技術與自己的技術有著異曲同工之處。

“新聞出來后，發(fā)現(xiàn)我們并不孤單，而且我們做得比他們更快�！边@點燃了團隊新的希望。有了國外案例的“背書”，2017年6月，團隊順利地拿到了投資機構(gòu)的資金，于此同時，升華三維也成立了。

隨著升華三維如火如荼的發(fā)展，吸引了更多優(yōu)秀人才的加入。PEP技術也逐漸成熟，成功引入了新的合伙人新蘭威爾士大學大學材料學博士熊心潤女士，帶來了國際視野和先進的研發(fā)管理經(jīng)驗，為升華三維的前進方向增添了國際化色彩和全新的動力引擎。

這個時候，不少同行也聞風而至，不過很快又就敗陣收場�！癙EP技術是需要產(chǎn)業(yè)耦合的，不僅是研發(fā)裝備這么簡單，還需要配套材料以及粉末冶金工藝方法�！眲�業(yè)頗為自豪的表示，這成為了升華三維間接金屬3D打印的一道技術門檻。

03
開辟應用領域更加靈活

在成功實現(xiàn)金屬3D打印降本增效后，升華三維的下一步棋局又該如何走？

當前國內(nèi)從事金屬3D打印的企業(yè)中，如鉑力特、華曙高科等上市企業(yè)采用的是SLM的路線，并且服務的大客戶仍舊是軍工、航空航天、醫(yī)療等高端領域的客戶。

而同樣走間接金屬3D打印路線的Desktop Metal，僅在汽車領域，就已經(jīng)拿到福特汽車的零部件訂單和寶馬的動力總成部件訂單。

“只靠資本推動的話，活下去都成問題�！鄙�華三維決定找到出路。

升華三維也曾嘗試找國內(nèi)的汽車客戶，但是發(fā)現(xiàn)同樣的技術，在國內(nèi)卻難以推動。劉業(yè)分析認為存在幾大因素：一是如今燃油汽車正在往新能源汽車領域發(fā)展，面臨巨大的競爭壓力，無暇采用新技術；二是燃油汽車的零部件工藝已經(jīng)十分成熟，成本已經(jīng)到達極限，采用新技術反而增加制造成本。

幸運的是，基于PEP技術，升華三維在應用的探索上可采用更加靈活的策略。

“PEP技術呈現(xiàn)‘兩頭寬’的形態(tài)，3D打印部分是中間最小的環(huán)節(jié)，一頭是材料體系，具有廣泛的適配性，另一頭則是燒結(jié)，也可以適配寬泛的燒結(jié)設備和工藝�！�

憑借材料方面的廣泛適配性，升華三維決定以材料作為核心維度，切入應用場景。升華三維開發(fā)出難熔合金材料體系，“SLM難以打印難熔合金等材料，這是PEP的優(yōu)勢，可以借此拉開差異化�！眲�業(yè)表示。

以高比重鎢合金3D打印為例。因鎢硬度和極高的熔點，使其成為難以攻克的3D打印材料；基于PEP工藝低溫成形，高溫成性的優(yōu)勢，很好地解決了鎢材料加工中極易出現(xiàn)的變形、裂痕、夾心等缺陷。在滿足復雜結(jié)構(gòu)、提升強度、耐用性和節(jié)省成本等多方面的需求的同時，獲得優(yōu)異的均勻性、力學性能、熱學性能。

除了難熔金屬，碳化硅、氮化硅等陶瓷也可以采用PEP技術。而碳化硅作為特種陶瓷，被廣泛應用于航空航天、半導體、新能源等各種先進制造領域。

如在晶圓制造的過程中，普遍使用的石英晶圓載具，因其生產(chǎn)工藝和石英材料特性，使用壽命僅為3-6個月；而碳化硅晶圓載具代替石英，使用壽命可達5年以上，“現(xiàn)在碳化硅晶圓載具大部分依賴海外進口，價格昂貴，而且交期至少需要6個月�！�

但由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性強、高溫燒結(jié)變形大、燒結(jié)后難以加工等特點，較難使用有模成型技術實現(xiàn)大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)的碳化硅產(chǎn)品制造。

通過PEP技術，升華三維正展開一場傳統(tǒng)工業(yè)領域的革新探索。

04
推動3D打印與傳統(tǒng)制造的融合發(fā)展

身懷更加先進的金屬3D打印技術，面向傳統(tǒng)工業(yè)領域的革新探索，升華三維構(gòu)建起更加長遠的目標。

不過打鐵還需自身硬，當前升華三維已經(jīng)建成了完整的金屬/陶瓷間接3D打印前后處理工藝，覆蓋材料開發(fā)、打印材料、密煉造粒機、3D打印機、脫脂燒結(jié)爐等全工藝鏈設備，并形成高性能的間接3D打印整體解決方案。

“以打印機為載體，以材料為核心，升華三維可以面向不同的應用領域�！眲�業(yè)進一步介紹道，“PEP技術現(xiàn)已完成了工藝體系的積累。比如材料配方開發(fā)已經(jīng)形成了數(shù)據(jù)庫，基于數(shù)據(jù)庫開發(fā)其他成型方式的材料更加容易，周期會更短�！�

2024年，升華三維定下了新的目標，“在打印設備方面，繼續(xù)精研核心PEP技術，推出可實現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)材料打印的3D打印設備，以滿足高�？蒲性核�及企業(yè)客戶在復合材料、功能梯度材料及產(chǎn)品開發(fā)上的需求；同時，針對鎢合金、純銅、硬質(zhì)合金、碳化硅、氮化硅、等特種材料，也將進行應用市場的進一步探索�！�

由創(chuàng)新到創(chuàng)造，升華三維的目光也緊盯著促進3D打印技術的應用普及�！吧�華三維將繼續(xù)守正創(chuàng)新，形成集設備生產(chǎn)、材料開發(fā)、產(chǎn)品制造及打印服務為一體的全方位布局。勇拓應用邊界，加速傳統(tǒng)制造的智能化升級，為推進增材制造行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造更多的價值�！�

個人介紹：

劉業(yè)，深圳升華三維科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人，粉末擠出3D打�。≒EP）技術發(fā)明人之一，累積申請專利80余項。中南大學粉末冶金研究院材料學博士、中南大學深圳校友會理事、深圳市工信局產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展智庫專家、深圳市國家高技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心專家、深圳市光明區(qū)智能制造協(xié)會理事。