智能制造背景下解析粉末挤出3D打印工艺及其设备体系的优势

来源：升华三维


智能制造浪潮之下，催生出更多新技术。3D打印作为翻涌而来的浪头，为制造变革引领了新的航向。伴随着高端制造业的快速发展，围绕3D打印设备、软件、材料、工艺及相关方向逐步形成了行业生态体系，包含3D打印设备的研发、生产，材料的研发、制备，以及去除、回收等工艺及装备，后续加工、精加工、热处理等后处理等，各方面协同配合，形成了更系统化的解决方案。然而，正如我们所知道的，3D打印工艺多种多样，每种流程都有独特的优缺点，那么，我们该如何在制造实践中选择最优的解决方案呢？

3D打印照进智能制造
三维打印（3D printing）是指利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制造零件或实物的工艺，此术语通常作为增材制造的同义词，因此，又称为“3D打印”。3D打印摆脱传统制造方式的局限性，集合复杂高性能整体制造与生产灵活性等优点，真正地将制造厂商从僵化的生产周期中解放出来，为工业化市场量身定制引领制造潮流的解决方案，可被引入制造业的全流程中，帮助广大企业早日实现真正的智能制造。

根据制造形式的不同，国际上ISO/ASTM认可七种不同类型的3D打印技术：
1、光固化--紫外光通过逐点或逐层的光照，选择性地固化液态树脂；
2、粉末床熔合（PBF）--使用能量源（通常是激光或电子束）将粉末状金属或聚合物熔合在一起；
3、粘合剂喷射--沉积在金属粉末或沙子上的粘合剂形成了几何形状；对于金属，通常在打印之后还需要进行烧结，以熔化粉末；
4、材料喷射--材料的液滴被精确地沉淀下来，以建立一个几何体；
5、片材层压--通过超声波焊接、钎焊、粘合剂或化学手段将材料片材堆叠并层压在一起；
6、材料挤出--聚合物长丝或颗粒等材料被加热并通过喷嘴挤出；
7、定向能量沉积（DED）--金属粉末或金属丝被送入由激光或电子束产生的熔池中，过程类似于焊接。

其实，在上述这七个系列中，每一个系列都有不同的3D打印细分类别，这里暂不做一一赘述，简单地说，3D打印已毫无疑问地在引发制造转型，从快速交付备件到定制化生产，3D打印技术可以帮助简化设备维护，加速研发过程以及通过功能为导向的设计来提升产品性能。但是无论是哪种工艺类别，3D打印都不能解决所有问题，应当考虑与其他制造技术配合使用，并且在有必要时使用。

粉末挤出3D打印工艺
作为一种材料挤出工艺，粉末挤出打印技术（Powder Extrusion Printing，PEP）的开发在国内以升华三维为“领头雁”。它是一种基于金属/陶瓷的专有3D打印工艺，利用“3D打印+粉末冶金”相结合的间接工艺，实现了金属/陶瓷零部件低温段成形，高温段成性的技术突破。

PEP技术的由来?
该技术源自于金属注射成型技术（MIM)，MIM技术因其生产率高，脱脂和烧结工艺广为人知，在20世纪80年代后期开始在工业制造中得到广泛应用。但该技术在实际应用中也存在着局限性，因为每一个金属零件都需要设计一个相对应的模具，这需要较长的交货期和高昂的启动资金。而3D打印技术完全摆脱了模具的束缚，通过逐层打印，可以在短短数小时内得到客户想要的模型生坯。后续通过传统MIM的脱脂和烧结工艺，得到最终的致密的高性能的金属部件。

PEP工艺流程有哪些？

可以适配哪些材料？
从不锈钢、钨合金、高温合金、难熔金属、硬质合金等金属材料，到氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅、羟基磷灰石生物陶瓷等陶瓷材料，具有类同于粉末注射成形（PIM）工艺所用的潜在材料均可适配。

为何使用PEP？
PEP技术有成熟稳定的粉末冶金技术加持，制备的金属/陶瓷零部件具有良好的机械和物理性能，可达到粉末注射及锻件水平，满足高性能金属基和陶瓷复合材料的制备需求。其主要优势包括：

• 为粉末冶金行业数字化赋能，解锁应用并释放粉末冶金的潜能
• 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
• 打印设备、打印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
• 金属/陶瓷复杂产品定制化、批量化生产解决方案
  

PEP工艺及其设备体系的降本增效
在中国制造产业升级、制造业向高附加值领域延伸的大势下，以3D打印技术制备各领域复杂零部件的要求也越来越高，其中对降本增效的追求也越来越强烈。显然，选择适宜的3D打印技术与高性价比的装备尤为重要。

基于PEP工艺的核心3D打印设备——工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250及大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556，配套3D打印专用脱脂炉和烧结炉，构成一套完整高效的间接3D打印装备体系和解决方案。其降本增效的具体体现有：

• 该方案无需使用模具，大大节省开模时间与成本；
• PEP技术与直接的激光3D打印技术相比，打印设备、材料及成本大幅降低；
• 打印材料可循环利用，有效利用率高，废品损失少；
• 其结合烧结制备工艺在复杂结构件近净尺寸成型方面拥有巨大的成本和规模优势，产品生产效率提高且生产成本降低。
  

可见，在成本优势即竞争优势的当下，间接PEP 3D打印工艺的效率优势在叠加成本优势后，其发展空间自然而然地被打开。

加速推进增材制造的工业化应用
升华三维具备多元化的3D打印系统及装备研发制造体系，全面自主研发的设备、软件和材料可稳定用于批量的生产型企业、高职高校、科研院所等多领域，并且在航空航天、国防军工的重点行业里被大客户验证。未来，PEP工艺也将与其他3D打印工艺实现优势互补。升华三维一方面不断升级设备端与材料端技术，逐渐帮助3D打印打开产能天花板，使得增材制造迈向产业化，另一方面把握好关键的3D打印设备工艺，通过实现汽车、生物医疗、航空航天以及国防军事等应用端的更多突破，助力智能制造、绿色制造。