智能制造背景下解析粉末擠出3D打印工藝及其設備體系的優(yōu)勢

來源：升華三維


智能制造浪潮之下，催生出更多新技術。3D打印作為翻涌而來的浪頭，為制造變革引領了新的航向。伴隨著高端制造業(yè)的快速發(fā)展，圍繞3D打印設備、軟件、材料、工藝及相關方向逐步形成了行業(yè)生態(tài)體系，包含3D打印設備的研發(fā)、生產(chǎn)，材料的研發(fā)、制備，以及去除、回收等工藝及裝備，后續(xù)加工、精加工、熱處理等后處理等，各方面協(xié)同配合，形成了更系統(tǒng)化的解決方案。然而，正如我們所知道的，3D打印工藝多種多樣，每種流程都有獨特的優(yōu)缺點，那么，我們該如何在制造實踐中選擇最優(yōu)的解決方案呢？

3D打印照進智能制造
三維打�。�3D printing）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術，通過材料堆積的方式來制造零件或?qū)嵨锏墓に�，此術語通常作為增材制造的同義詞，因此，又稱為“3D打印”。3D打印擺脫傳統(tǒng)制造方式的局限性，集合復雜高性能整體制造與生產(chǎn)靈活性等優(yōu)點，真正地將制造廠商從僵化的生產(chǎn)周期中解放出來，為工業(yè)化市場量身定制引領制造潮流的解決方案，可被引入制造業(yè)的全流程中，幫助廣大企業(yè)早日實現(xiàn)真正的智能制造。

根據(jù)制造形式的不同，國際上ISO/ASTM認可七種不同類型的3D打印技術：
1、光固化--紫外光通過逐點或逐層的光照，選擇性地固化液態(tài)樹脂；
2、粉末床熔合（PBF）--使用能量源（通常是激光或電子束）將粉末狀金屬或聚合物熔合在一起；
3、粘合劑噴射--沉積在金屬粉末或沙子上的粘合劑形成了幾何形狀；對于金屬，通常在打印之后還需要進行燒結(jié)，以熔化粉末；
4、材料噴射--材料的液滴被精確地沉淀下來，以建立一個幾何體；
5、片材層壓--通過超聲波焊接、釬焊、粘合劑或化學手段將材料片材堆疊并層壓在一起；
6、材料擠出--聚合物長絲或顆粒等材料被加熱并通過噴嘴擠出；
7、定向能量沉積（DED）--金屬粉末或金屬絲被送入由激光或電子束產(chǎn)生的熔池中，過程類似于焊接。

其實，在上述這七個系列中，每一個系列都有不同的3D打印細分類別，這里暫不做一一贅述，簡單地說，3D打印已毫無疑問地在引發(fā)制造轉(zhuǎn)型，從快速交付備件到定制化生產(chǎn)，3D打印技術可以幫助簡化設備維護，加速研發(fā)過程以及通過功能為導向的設計來提升產(chǎn)品性能。但是無論是哪種工藝類別，3D打印都不能解決所有問題，應當考慮與其他制造技術配合使用，并且在有必要時使用。

粉末擠出3D打印工藝
作為一種材料擠出工藝，粉末擠出打印技術（Powder Extrusion Printing，PEP）的開發(fā)在國內(nèi)以升華三維為“領頭雁”。它是一種基于金屬/陶瓷的專有3D打印工藝，利用“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的間接工藝，實現(xiàn)了金屬/陶瓷零部件低溫段成形，高溫段成性的技術突破。

PEP技術的由來?
該技術源自于金屬注射成型技術（MIM)，MIM技術因其生產(chǎn)率高，脫脂和燒結(jié)工藝廣為人知，在20世紀80年代后期開始在工業(yè)制造中得到廣泛應用。但該技術在實際應用中也存在著局限性，因為每一個金屬零件都需要設計一個相對應的模具，這需要較長的交貨期和高昂的啟動資金。而3D打印技術完全擺脫了模具的束縛，通過逐層打印，可以在短短數(shù)小時內(nèi)得到客戶想要的模型生坯。后續(xù)通過傳統(tǒng)MIM的脫脂和燒結(jié)工藝，得到最終的致密的高性能的金屬部件。

PEP工藝流程有哪些？

可以適配哪些材料？
從不銹鋼、鎢合金、高溫合金、難熔金屬、硬質(zhì)合金等金屬材料，到氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、羥基磷灰石生物陶瓷等陶瓷材料，具有類同于粉末注射成形（PIM）工藝所用的潛在材料均可適配。

為何使用PEP？
PEP技術有成熟穩(wěn)定的粉末冶金技術加持，制備的金屬/陶瓷零部件具有良好的機械和物理性能，可達到粉末注射及鍛件水平，滿足高性能金屬基和陶瓷復合材料的制備需求。其主要優(yōu)勢包括：

• 為粉末冶金行業(yè)數(shù)字化賦能，解鎖應用并釋放粉末冶金的潛能
• 可利用粉末注射成形成熟穩(wěn)定的技術體系，材料體系廣泛、產(chǎn)品性能一致性好
• 打印設備、打印材料及打印成本更低，成形精度高，更有利于3D打印應用的推廣及普及
• 打印產(chǎn)品性能達到粉末注射成形及鍛件水平
• 綠色環(huán)保，打印材料可循環(huán)利用，有效利用率高
• 金屬/陶瓷復雜產(chǎn)品定制化、批量化生產(chǎn)解決方案
  

PEP工藝及其設備體系的降本增效
在中國制造產(chǎn)業(yè)升級、制造業(yè)向高附加值領域延伸的大勢下，以3D打印技術制備各領域復雜零部件的要求也越來越高，其中對降本增效的追求也越來越強烈。顯然，選擇適宜的3D打印技術與高性價比的裝備尤為重要。

基于PEP工藝的核心3D打印設備——工業(yè)型獨立雙噴嘴3D打印機UPS-250及大尺寸獨立雙噴嘴3D打印機UPS-556，配套3D打印專用脫脂爐和燒結(jié)爐，構成一套完整高效的間接3D打印裝備體系和解決方案。其降本增效的具體體現(xiàn)有：

• 該方案無需使用模具，大大節(jié)省開模時間與成本；
• PEP技術與直接的激光3D打印技術相比，打印設備、材料及成本大幅降低；
• 打印材料可循環(huán)利用，有效利用率高，廢品損失少；
• 其結(jié)合燒結(jié)制備工藝在復雜結(jié)構件近凈尺寸成型方面擁有巨大的成本和規(guī)模優(yōu)勢，產(chǎn)品生產(chǎn)效率提高且生產(chǎn)成本降低。
  

可見，在成本優(yōu)勢即競爭優(yōu)勢的當下，間接PEP 3D打印工藝的效率優(yōu)勢在疊加成本優(yōu)勢后，其發(fā)展空間自然而然地被打開。

加速推進增材制造的工業(yè)化應用
升華三維具備多元化的3D打印系統(tǒng)及裝備研發(fā)制造體系，全面自主研發(fā)的設備、軟件和材料可穩(wěn)定用于批量的生產(chǎn)型企業(yè)、高職高校、科研院所等多領域，并且在航空航天、國防軍工的重點行業(yè)里被大客戶驗證。未來，PEP工藝也將與其他3D打印工藝實現(xiàn)優(yōu)勢互補。升華三維一方面不斷升級設備端與材料端技術，逐漸幫助3D打印打開產(chǎn)能天花板，使得增材制造邁向產(chǎn)業(yè)化，另一方面把握好關鍵的3D打印設備工藝，通過實現(xiàn)汽車、生物醫(yī)療、航空航天以及國防軍事等應用端的更多突破，助力智能制造、綠色制造。