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增材制造（AM ，也稱3D打?。?，由于其可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體成型，可以減少材料的浪費，被視為制造業(yè)的重要“法寶”。被認(rèn)為是未來與等材制造、減材制造并駕齊驅(qū)的三大主流制造工藝之一。

不過，從3D打印提出至今，制造成本和效率等瓶頸問題，仍然沒有突破性的解決方案。尤其是面向工業(yè)應(yīng)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(lǐng)域。如何能進(jìn)入更廣泛的民用領(lǐng)域，是現(xiàn)在亟待解決的難題？

3D打印按照打印材料分類，主要包括金屬3D打印和非金屬3D打印。其中，前者的主流技術(shù)路線是激光選區(qū)熔化（SLM）和電子束選區(qū)熔化（EBSM），后者則以FDM和光固化成形（SLA/DLP/LCD）為主。在金屬3D打印技術(shù)路線中，不管選擇何種打印方式，其根本技術(shù)路徑都是一次性實現(xiàn)產(chǎn)品的成形和性能，都屬于直接3D打印范疇。缺陷在于激光器等設(shè)備價格高昂，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)的打印材料有限。

開辟與傳統(tǒng)制造強耦合的技術(shù)

而升華三維卻是另辟蹊徑，作為“金屬/陶瓷間接3D打印引領(lǐng)者”發(fā)展的是3D打印結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金工藝的間接3D打印技術(shù)，以縮短產(chǎn)品制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率。粉體網(wǎng)近期采訪到深圳升華三維科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人劉業(yè)。一起聊聊這一技術(shù)的創(chuàng)新之路。

升華三維推出的間接3D打印技術(shù)實則是將上述兩種不同的技術(shù)路徑優(yōu)勢互補。“升華三維將其命名為——粉末擠出3D打印技術(shù)（Powder Extrusion printing，PEP），國內(nèi)間接3D打印思路也是由我們提出來的?，F(xiàn)在也已成為市場認(rèn)可的一種技術(shù)路線了?！眲I(yè)指出：“間接的概念可以說是針對金屬打印來說的，像陶瓷打印都是需要經(jīng)過燒結(jié)的，PEP將3D打印中的制備過程分為打印和后處理（包括脫脂、燒結(jié)、表面后處理等）。從這個層面講，3D打印更像是粉末冶金環(huán)節(jié)中的一個制備環(huán)節(jié)，主要負(fù)責(zé)將金屬/陶瓷粉末跟粘合劑融合的復(fù)合材料料逐層打印成形的生坯。真正考驗產(chǎn)品性能的關(guān)鍵在于后續(xù)的燒結(jié)工藝也就是粉末冶金環(huán)節(jié)。間接3D打印技術(shù)路線，是一個跨學(xué)科的創(chuàng)新，各工藝流程之間是一個強耦合的關(guān)系?！?/p>

“3D打印+粉末冶金”的粉末擠出3D打印技術(shù)

PEP技術(shù)是一種“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬/陶瓷顆粒材料3D打印工藝。采用顆粒材料熔融擠出方式，創(chuàng)新性地通過3D打印來實現(xiàn)對材料的控制和成形，實現(xiàn)無模化的模型制備，滿足金屬/陶瓷零件的個性化定制。在得到具有一定密度和強度的生坯后，再利用成熟的金屬/陶瓷粉末注射成形技術(shù)（PIM）的相關(guān)工藝對產(chǎn)品進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，獲得性能一致且優(yōu)良的產(chǎn)品。PEP技術(shù)可適配PIM工藝所用的金屬/陶瓷粉末材料，適用于粉末冶金行業(yè)的3D打印技術(shù)開發(fā)、材料開發(fā)和金屬/陶瓷產(chǎn)品開發(fā)制造。

PEP技術(shù)原理圖

PEP技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其結(jié)合了已發(fā)展超過30年，并大規(guī)模應(yīng)用于電子3C、汽車、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的粉末冶金技術(shù)，工藝成熟且穩(wěn)定；具有低溫成型，高溫成性的特性，合理規(guī)避了快速熱循環(huán)導(dǎo)致的冶金缺陷；且材料體系廣泛、產(chǎn)品性能一致性好；與直接3D打印技術(shù)相比，打印設(shè)備、材料及打印成本更低，成形精度高，更有利于3D打印應(yīng)用的推廣及普及；打印產(chǎn)品性能達(dá)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；低成本的金屬/陶瓷復(fù)雜產(chǎn)品定制化、批量化生產(chǎn)。適用于傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和先進(jìn)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)制造。

“PEP技術(shù)呈現(xiàn)‘兩頭寬’的形態(tài)，3D打印部分只是中間成型的環(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(shè)備和工藝?！眲I(yè)介紹到：“PEP技術(shù)既可以充分體現(xiàn)3D打印技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化、輕量化等技術(shù)特點，又能發(fā)揮粉末冶金可加工材料廣泛，加工成本低等技術(shù)優(yōu)勢。實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法達(dá)到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件制造，可大幅減少制造工序并縮短加工周期，能夠同時滿足材料開發(fā)、產(chǎn)品原型研發(fā)與批量化生產(chǎn)的需求。有利于3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)的普及和應(yīng)用拓展。而更廣泛的材料適配，也是PEP技術(shù)助力粉末冶金行業(yè)智能化的關(guān)鍵，有望成為促進(jìn)粉末冶金產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級的新工具，具有很高的應(yīng)用價值?！?/p>

更高適配性的3D打印裝備

基于PEP技術(shù)，升華三維提供工業(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-556兩款核心打印設(shè)備。均采用獨立雙噴嘴設(shè)計，可以同時打印或者各自輪流打印陶瓷、金屬、陶瓷/金屬復(fù)合材料，實現(xiàn)不同種類材料的復(fù)合產(chǎn)品開發(fā)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備。具有操作簡單、工業(yè)型、高精度、高質(zhì)量、高性價比等優(yōu)點。適用于科研教育、工業(yè)制造、航天航空、國防、生物醫(yī)療、汽車、模具制造、新能源等領(lǐng)域。

劉業(yè)表示：“金屬3D打印的昂貴體現(xiàn)在設(shè)備、材料和打印時間等三個方面。在設(shè)備方面，目前主流技術(shù)一般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，設(shè)備投入成本極高，且需同步上整套前后處理設(shè)備。此外，由于金屬打印方式是從粉體打印到冶金固化一次成型，打印的成本也十分高昂。而基于PEP工藝的設(shè)備繞開主流如SLM等路線采用高能激光一體成型的路線，利用螺桿擠出更柔性的方式，縮減了對激光器件的投入和維護(hù)成本。可以更好的適配粉末冶金工藝，并且打印設(shè)備、材料及打印成本更低，更有利于3D打印應(yīng)用普及?！?/p>

在2024年 TCT亞洲展上，我們還發(fā)布了最新研發(fā)的金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機UPR-241。該設(shè)備可以為金屬/陶瓷梯度材料設(shè)計提供最佳的組份控制和連續(xù)梯度分布，其獨特的三螺桿雙組份單噴嘴擠出系統(tǒng)，可實現(xiàn)高效的材料混合及實時精準(zhǔn)調(diào)控，大幅優(yōu)化了梯度材料制備工藝和材料成本。為金屬/陶瓷梯度材料開發(fā)帶來了全新的解決方案。

UPR-241成型尺寸為180mm×240mm×160mm(W×D×H)，可通過配套的UPrsie 3D切片軟件自動調(diào)控供料比例（10%-90%），實現(xiàn)材料成份的動態(tài)或等比例梯度層的連續(xù)梯度變化。支持金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷、金屬/金屬不同種類功能梯度材料。適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能梯度材料開發(fā)設(shè)計與制備。

▲金屬/陶瓷功能梯度材料3D打印機UPR-241及打印樣品

材料是3D打印創(chuàng)新的關(guān)鍵

基于PEP工藝，升華三維相繼開發(fā)出了適配該工藝的材料，如不銹鋼、純銅、鎢及鎢合金、硬質(zhì)合金、高溫合金等金屬材料；氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料，以滿足客戶的不同需求。并且在不斷拓展打印材料種類，深挖具體應(yīng)用場景，為不同行業(yè)賦能?！安牧弦恢笔巧A三維創(chuàng)新的關(guān)鍵，我們?yōu)樘厥饨饘俸吞胤N陶瓷材料開辟了新的3D打印解決方案，解決了該類材料采用其他增材工藝制造加工難等問題，這是PEP的優(yōu)勢，可以借此拉開差異化?！眲I(yè)表示。

不同打印材料燒結(jié)性能對照表

升華三維經(jīng)過幾年的發(fā)展，掌握了金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)在打印裝備及其核心器件、成形材料、工藝及軟件等關(guān)鍵技術(shù)?！拔覀円?D打印裝備為主軸，以材料為核心，面向不同的應(yīng)用領(lǐng)域解決客戶不同的需求?！眲I(yè)進(jìn)一步介紹道：“升華三維的間接3D打印技術(shù)沉淀了多年，現(xiàn)已構(gòu)建了一套完整的金屬/陶瓷間接3D打印工藝解決方案，建成了集材料、設(shè)備、工藝一體化的生態(tài)運營體系。已積累了豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗，如在材料開發(fā)上已經(jīng)建成了配方數(shù)據(jù)庫?；跀?shù)據(jù)庫開發(fā)其他成型方式的材料將更加容易，周期會更短?！?/p>

升華三維PEP工藝制造的金屬/陶瓷產(chǎn)品

推動3D打印與傳統(tǒng)制造的融合發(fā)展

升華三維一直致力于金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用推廣，定位于金屬/陶瓷間接3D打印設(shè)備、材料和打印服務(wù)提供商，旨在推動金屬/陶瓷3D打印與傳統(tǒng)制造的深度融合。

升華三維將持續(xù)在金屬/陶瓷間接3D打印領(lǐng)域深耕，近期也推出了梯度結(jié)構(gòu)材料打印的3D打印設(shè)備，以滿足高?？蒲性核趶?fù)合材料、功能梯度材料及產(chǎn)品開發(fā)上的需求；同時，還將進(jìn)一步拓展碳化硅、氮化硅、鎢合金、純銅、硬質(zhì)合金等細(xì)分特種陶瓷和金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用市場。此外，針對FDM技術(shù)打印金屬線材領(lǐng)域，將適時推出高性價比的專用FDM設(shè)備、不銹鋼等線材以及解決方案。

劉總最后總結(jié)道：“登高望遠(yuǎn)謀新局、勇抓機遇，奮力爭先；由創(chuàng)新到創(chuàng)造，升華三維每一次的目標(biāo)都旨在促進(jìn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用普及。2024年我們將繼續(xù)守正創(chuàng)新，形成集設(shè)備生產(chǎn)、材料開發(fā)、產(chǎn)品制造及打印服務(wù)為一體的全方位布局。勇拓應(yīng)用邊界，加速傳統(tǒng)制造的智能化升級，為推進(jìn)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(shù)發(fā)明人之一，累積申請專利80余項。中南大學(xué)粉末冶金研究院材料學(xué)博士、中南大學(xué)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(shù)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。