难熔金属的“香饽饽”——升华三维使用PEP 3D打印技术制备钨基金属产品

来源：升华三维

钨基金属材料，包括钨、钨合金和钨基金属基复合材料，作为难熔金属的一种，其快速原型制造一直属于极具挑战性的工作。基于高端应用领域需求的高品质，传统制造工艺日益展现出不同的弊端，如较高的孔隙率、熔化不足、微观组织相关的韧脆转变等，而3D打印作为智能制造的关键性技术，正以一种推动实现产品生产方式变革的新路径成为市场认可的 “香饽饽”。由于其整体材料经济性、制造过程和打印结构的自由度、跨尺度材料构建的便捷性等特点，日益受到学术界研究和工业界应用的青睐，也日益成为了重要的先进制造手段。

传统制造技术制备钨基金属产品——无法满足要求
钨及钨合金属于典型的高熔点难熔金属，超高的密度、硬度、光泽度和质感，耐腐蚀性、延展性及导热性好，电性能优良，抗拉强度高，低热膨胀，吸收射线能力强，被广泛应用于医疗器械、国防军工、航空航天、电子信息、能源、化工冶金、核工业等诸多领域。

△钨合金穿甲弹（来源：网络）

近年随着医疗器械、国防军工和航空航天等领域的快速发展，对钨材零部件结构提出更高要求，如具有薄壁、曲面、弯曲管道、孔和槽等特征，利用传统制造技术制备钨基金属产品，主要存在以下问题：1、由于较高的熔点和低温脆性，一般的铸造和机加工方法无法制备钨或钨合金材；2、即使采用粉末冶金方法，所得常规烧结态的钨材存在密度低、强度低、塑性差以及杂质含量难以控制等缺点；3、钨材零部件的结构有薄壁、曲面、孔、槽以及弯曲管道等特征，采用粉末冶金方法难以实现成形。

PEP 3D打印技术制备钨基金属产品——满足实际应用需求
为解决上述问题，升华三维的“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（PEP），打破了传统的制造模式，能够在无模具的情况下将钨基金属材料成型，然后再结合传统的脱脂烧结等工艺进行后处理，获得最终的强度。这样通过低温段成形，高温段成性，可以确保产品性能的一致性，从而获得满足实际应用需求的产品。

△粉末挤出打印技术（PEP）

该技术的优势主要有：
1、无需开模，操作简单，敏捷成形；
2、为产品功能而设计优化，实现传统制造工艺无法实现的几何形状；
3、成本降低90%，效率提升10~100倍，制造周期大幅缩减；
4、3D打印成形+粉末冶金烧结，获得产品性能一致且优良；
5、材料可循环利用；
6、可利用粉末注射成形成熟稳定的技术及材料体系，满足工业化生产需求；
7、批量化烧结处理，可规模化制造。

推荐钨基金属产品的制备方案
UPS-556 3D打印机 & 钨合金颗粒料（UPGM-96WNIFE）

大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556
设备特点

• 成形尺寸：500mm×500mm×600mm
• 可基于PIM的材料进行二次开发及适配，材料可循环利用
• 负压吸附成型平台，安装拆卸十分便捷
• 自动进料功能，可实现无人看守长时间打印
• 喷嘴自动擦拭功能，缓解喷嘴粘料现象
• 内置热风控制系统，保证腔室内恒温环境
  

钨合金颗粒料 UPGM-96WNIFE
UPGM-96WNIFE是一种金属聚合物复合材料，呈灰色，粒径在8-14目的近球形颗粒，可用于生产钨合金的金属部件。通过升华三维3D打印机逐层快速打印出你预设的模型生坯，然后经过脱脂和烧结工艺，得到最终致密的金属部件。

△升华三维钨合金烧结件力学性能

钨材应用案例
材料、设备、工艺三位一体整合
升华三维通过对金属3D打印设备的升级、打印材料配方以及对钨材3D打印工艺的系统性研究，已掌握钨材的金属3D打印能力。打印好的钨合金部件具有超高的密度、硬度，良好的光泽度和质感，延展性及导热性好，电性能优良，抗拉强度高，吸收射线能力强。

△钨合金样品展示（样品来源：升华三维）

在钨基金属产品的3D打印过程中，材料、设备和工艺是影响最终质量的三个基本要素，围绕这些要素，升华三维通过与材料供应商、科研院所、下游用户等多方联合进行新材料和针对性工艺的开发以及设备的升级迭代。例如针对高比重钨合金材料的开发，升华三维联合天津大学团队采用UPS-556开发了合适的打印工艺，成功制备了高密度99.1±0.2%（见下表），拉伸强度801MPa，延伸率为22.1%（见下图），没有缺陷的高比重钨合金（96W-2.7Ni-1.3Fe）。热处理后，性能进一步提高拉伸强度为838MPa，延伸率达到26.1%。

△不同烧结条件下的硬度和相对密度表

△热处理前后拉伸曲线图

对于难熔金属材料而言，PEP技术是一种创新性的3D打印方法。未来医疗器械、国防军工和航空航天等领域的需求发展可能对含钨超级合金和高比重钨合金有利，预计到2029年，钨在超级合金中的消费量年增长率将达到8%。PEP技术的应用，不仅可以解决钨材传统制造技术难以解决的复杂结构零件的加工制造问题，还能为解决我国航空航天、汽车、船舶、能源、化工、医疗等广大制造业领域的复杂结构件减重设计及制造问题提供一种新的解决途径。