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升華三維PEP技術——3D打印與粉末冶金的創新結合

升華三維 2022-05-25 | 閱讀：1270

3D打印將顛覆制造業，曾成為很多重塑產業發展擁躉的共同信仰。但是國內發展十多年，3D打印依然存在工業制造上的成本、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。主要有選區激光燒結/熔化（SLS、SLM）、電子束選區熔化成型（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、工藝開發難；工藝復雜難以控制、產品性能不一致。

直接3D打印圖.gif

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。

間接金屬陶瓷3D打印

PEP技術創新性地通過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，節省了模具開發的制造成本和時間成本。PEP技術同時也彌補了傳統激光3D打印的效率缺陷與尺寸限制，成本更低，正快速挑戰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技術利用了已發展超過30年、并大規模應用于電子3C、汽車、醫療、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，獲得性能一致且優良的產品。

粉末注射成形工藝流程

間接3D打印工藝流程

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，可用于各種工業用途和應用。