升华三维PEP技术——3D打印与粉末冶金的创新结合

3D打印将颠覆制造业,曾成为很多重塑产业发展拥趸的共同信仰。但是国内发展十多年,3D打印依然存在工业制造上的成本、效率难题。全球范围内金属3D打印技术主要分为两大阵营:直接金属3D打印和间接金属3D打印。其中,直接金属3D打印是将金属材料直接打印成金属件,而间接金属3D打印是通过粘合剂等将金属材料打印成型,然后将粘合剂去除掉,最终得到金属件。

目前直接金属3D打印技术主要是采用昂贵的激光或电子束或等离子作为输入热源来直接烧结或者熔化金属粉末或其混合物进行逐层叠加打印制品。主要有选区激光烧结/熔化(SLS、SLM)、电子束选区熔化成型(EBSM)、直接金属激光烧结/沉积(DMLS、DMD、LENS)、快速等离子体沉积(RPD)等技术。共同技术特点就是打印与熔化一体、同时获得产品形状与性能。缺陷在于激光器等设备及材料价格高昂,可满足工业化生产的打印材料有限,运营成本高;点线成型算法复杂、打印速度慢、工艺开发难;工艺复杂难以控制、产品性能不一致。

一、PEP技术

PEP技术是“3D打印+粉末冶金”相结合的金属·陶瓷间接3D打印技术——粉末挤出打印技术(Powder Extrusion printing)。有别于利用高强能量束烧结或熔化金属等材料,同步获得产品形状和性能的直接3D打印技术,PEP技术是将打印与脱脂烧结分开、分步获得产品形状与性能。

间接金属3D打印(来源:升华三维官网)

PEP技术创新性地通过3D打印实现对材料的控制和成形,满足金属/陶瓷零件的个性化定制。通过3D打印实现无模具化的模型制备,节省了模具开发的制造成本和时间成本。PEP技术同时也弥补了传统激光3D打印的效率缺陷与尺寸限制,成本更低,正快速挑战着激光在金属粉末材料方面直接打印的应用,成为金属零件批量打印的重点技术。

二、技术特点

PEP技术利用了已发展超过30年、并大规模应用于电子3C、汽车、医疗、军工航天等领域的金属·陶瓷粉末注射成形技术(PIM)。两者工艺流程有很多相通之处,结合3D打印对材料的控制和成形,实现最终的金属·陶瓷零部件个性化定制化生产。在得到具有一定密度和强度的生坯后,利用粉末注射成形技术的相关工艺对产品进行脱脂和烧结,获得性能一致且优良的产品。

粉末注射成形工艺流程(来源:升华三维官网)

PEP技术工艺流程(来源:升华三维官网)

1、3D打印成型

基于PEP技术,金属颗粒通过3D打印机挤压和逐层堆积,按照你的设计,生胚被一层一层地打印出来。3D打印通常适用于原型测试、复杂的几何形状和小批量生产。一般来说,我们自主研发的Uprise 3D打印机可以打印从金属到陶瓷的多种材料,打印性能稳定和精确高。打印成型后,生胚需要进行脱脂和烧结过程。

2、脱脂

脱脂的作用是从3D打印生胚中去除大部分粘结剂聚合物。脱脂过程相对简单,将生胚浸泡于适量的脱脂剂里一段时间。脱脂工艺包括水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂。一般来说,我们的脱脂剂采用温和的草酸而不是硝酸,更环保,更安全。此外,我们的脱脂炉可批量处理,操作简单。一旦粘结剂聚合物被去除,该部分被称为棕胚,被送去烧结得到致密的金属部件。

3、烧结

为了获得最终的金属部件,烧结工艺是必须和关键的。烧结条件需要在真空气氛和高温下进行。烧结炉可批量加工,性能高,操作简单。通过烧结,残余的粘结剂聚合物首先在适当的加热温度下被去除。当温度升高到金属粒子的熔点以上时,这些粒子开始熔化并增长到密度达到几乎98%。值得注意的是,在烧结过程中,由于粘结剂聚合物的去除和金属颗粒的生长,会发生收缩,但收缩率是恒定的。金属部分将按比例放大,以补偿在三维建模步骤中的收缩。烧结金属部件具有良好的力学性能,可用于各种工业用途和应用。

4、后处理

烧结的金属部件是完全致密的,可以随时使用。但是,当需要更好的外观时,可以使用抛光和涂层等后处理方法。通常,数控铣削是为了获得更好的精度。所有这些方法都是全面的,成本是可以承受的。

三、技术优势

PEP技术为粉末冶金行业数字化赋能,解锁3D打印在粉末冶金领域的应用,释放粉末冶金的潜能。主要的技术优势包括以下方面:

  • · 可利用粉末注射成形成熟稳定的技术体系,材料体系广泛、产品性能一致性好

  • · 与直接3D打印技术相比,打印设备、材料及打印成本更低,成形精度高,更有利于3D打印应用的推广及普及

  • · 打印产品性能达到粉末注射成形及锻件水平

  • · 绿色环保,打印材料可循环利用,有效利用率高

  • · 低成本的金属/陶瓷复杂产品定制化、批量化生产解决方案

四、支持的材料体系

从不锈钢、模具钢、铜及铜合金、铝合金、高温合金、钛合金、难熔金属等金属材料,到氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料,几乎无止境的潜在材料清单为3D打印大规模进入应用市场创造有利的客观条件。

五、适用的领域

适用于科研教育、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造、新能源等领域的3D打印技术开发、材料开发和金属/陶瓷产品快速开发制造。

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