为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

2023年1月6日

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并不是所有材料都适合于3D打印，受限于多种因素，材料对工艺也非常挑剔。

如金、银、铜高反射金属，对传统SLM金属3D打印设备所使用的激光波段的吸收率极低，在成形过程中存在极大困难；

对于钼、钨、钽等难熔金属，传统激光达到其熔点也并不容易；
而对于具有熔点相差较大元素组成的合金材料，如钨合金、黄铜等，由于各元素饱和蒸气压不同，基于粉末床的激光3D打印仍然难以保证合金中各成分的可控性。

总而言之，高反射金属、难熔金属、元素熔点差异大的合金，采用主流的金属3D打印设备并没有其他材料那般易于使用，从而为其应用造成了重要障碍。陶瓷也是一样，虽然当前已经有很多工艺可以成形，但也有开拓的空间。本文内容，所介绍的就是一条可行的、针对难成形材料的另一条解决途径——基于烧结的挤出3D打印技术。

特殊金属和陶瓷的可行3D打印技术

基于挤出的金属打印技术采用金属线材、粉末以及棒材作为成型材料，这种成型材料采用金属粉末和粘结剂混合而成，虽然机器原理与高分子材料FDM系统非常相似，但关键的区别在于打印头以及后处理环节。金属机的挤出喷嘴具有施加金属材料的特定属性，首先打印出零件的生坯，然后通过烧结，制造出具有高致密度的零件。国际知名品牌Markforged、Desktop Metal均拥有代表性的产品。国内方面，升华三维专注于采用挤出技术实现业内难成形材料的3D打印，其推出有基于颗粒料挤出的3D打印设备、材料以及工艺。

其所开发的粉末挤出打印技术（Powder Extrusion printing，PEP），对原始粉末的球形度和流动性没有严格要求，通过将混合有金属粉末和聚合物粘结剂的颗粒料加热成熔融膏状流体，并将其逐层沉积来生产生坯，后经脱脂和烧结后可形成具有所需结构和高性能的合金零件。

基于该工艺，升华三维相继开发出了适配于PEP工艺的材料，如不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、高温合金、硬质合金、难熔金属等金属材料，氧化锆、氧化铝、碳化硅、生物陶瓷等陶瓷材料，为解决特殊金属和特种陶瓷材料制造加工难等问题开辟了3D打印解决方案。

钨合金挤出3D打印技术应用潜力

钨因其良好的热机械性能（如高熔点、高密度、高导热性和适度的热膨胀）而成为高温应用的首选材料，然而它的广泛优点也成为其难以加工的原因。除此之外，它的高硬度和极高的熔点，也使其成为难以攻克的3D打印材料。

钨合金颗粒料

升华三维基于挤出技术成功攻克其难点，自主研发了一种金属聚合物复合材料UPGM-96WNIFE钨合金颗粒料，粒径在8-14目。利用热融挤出系统有效实现了对材料的一体化成形控制。采用打印与脱脂烧结分开的工艺模式，不仅缩短了制备周期，并且很好地解决钨材料加工中极易出现的变形、裂痕、夹心等问题。

挤出技术在钨等难熔金属3D打印领域的核心竞争力突出，能够满足轻量化、提升强度、耐用性和节省成本等多方面的需求。如有中空或多孔结构，并且不能直接切割的零部件采用传统方法很难制造出来，而利用挤出技术不仅可以解决钨在传统制造技术难以解决的复杂结构零件加工问题，还为解决我国在航空航天、汽车、船舶、能源、化工、医疗等制造业领域的复杂结构、减重设计及加工制造等问题提供一种新途径。

纯铜挤出3D打印技术应用潜力

纯铜具有广泛的用途，也是备受关注的3D打印材料，其在导电器件、散热器、随形冷却模具制造领域具有重要应用价值。但同时也由于铜导热性和反射性高的属性，纯铜和铜金属在金属3D打印技术中往往会反射激光束，导致成形效率低，冶金质量难以控制，使得打印的铜零件质量不佳。因此，铜也极难使用基于激光的3D打印系统来加工。

为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

铜打印样品（来源:升华三维）

为了获得高致密度或高导电导热纯铜制件，升华三维基于挤出工艺开发出的纯铜颗粒料UPGM-CU是一种金属聚合物复合材料，呈紫红色，粒径在8-14目的近球形颗粒。

挤出技术不需要高能激光束，巧妙地避开了铜打印过程中的高导热、高反射问题，以间接3D打印的方式完美驾驭纯铜材料，克服了纯铜材料3D打印制造的挑战。升华三维利用挤出3D打印，创建了高度集成、复杂、贴合零部件表面的随形冷却通道，打印出结构紧凑、流体通道复杂、重量轻，尺寸小、效率高的产品零部件，实现了高性能纯铜组件制造的新突破。采用该技术可以用于热交换器、散热器和电感应器的产品开发。

SiC陶瓷挤出3D打印技术应用潜力

碳化硅陶瓷一直是特种陶瓷3D打印技术进一步拓展的挑战之一，因为其在成型过程中会出现缺陷，如气孔、裂纹、不均一性等，成型陶瓷器件难以抵抗脆性断裂，极大地限制了其机械性能。而复杂几何形状的碳化硅陶瓷构件往往难以用传统的加工技术制造，这在很大程度上制约了复杂结构碳化硅陶瓷的应用。

基于挤出技术的优势，升华三维开发出了碳化硅颗粒料，是一种陶瓷聚合物复合材料，呈灰色，粒径在8-14目的近球形颗粒。并已实现了碳化硅陶瓷复杂结构部件的大尺寸、轻量化、一体化制备，且成功将碳化硅陶瓷制备商业化，为生产高性能碳化硅陶瓷零件打开了大门。

为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

碳化硅样品（来源:升华三维）

2021年，上海硅酸盐研究所在升华三维订购了一套大尺寸独立双喷嘴打印机UPS-556系统，由此展开的高性能结构陶瓷和陶瓷基复合材料等应用的研究并取得进展。利用挤出技术特有的低温成形，高温成性这一特性，将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性，成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件，获得广泛关注。

为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

上海硅酸盐研究所利用UPS-556成功制备的碳化硅陶瓷光学元件及其性能

（*相关资料及数据来自研究团队已公开专利）

END

升华三维作为目前国内具备金属/陶瓷材料开发制备、金属/陶瓷3D打印机研发生产、切片软件开发到3D打印工艺、脱脂及烧结工艺一整套金属/陶瓷间接3D打印工艺链及解决方案的供应商。一直致力于面向解决金属·陶瓷传统制造工艺无法制造的难题，积极贯通金属/陶瓷制造全链条、全流程、全配套的高附加值服务。基于升华三维搭载的系统性软件与控制方法，可根据客户产品开发需求进行多晶格结构的设计与填充制造，快速落地应用。

该工艺为科研教育、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造、新能源等领域智能制造提供了新的可行3D打印解决方案。

注：本文内容为升华三维授权发布。

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