升华三维粉末挤出3D打印技术在科研领域应用成果速览

升华三维粉末挤出打印技术（Powder Extrusion Printing,PEP）是融合了3D打印与粉末冶金工艺的间接增材制造技术。其核心流程包括：将金属/陶瓷粉末与高分子粘结剂混合制成颗粒喂料，再通过具备螺杆挤出系统的增材设备逐层打印成型，最后经脱脂烧结工艺获得高性能致密结构。该技术突破了传统直接3D打印对高能量束的依赖，通过低温成型与高温成性的分步工艺，有效规避了难熔金属（如钨、钽）在制备过程中易出现的变形、裂纹等缺陷，同时兼容粉末冶金成熟的后处理工艺，材料利用率高达98%。


▲粉末挤出打印（PEP）技术原理图 ©升华三维

升华三维PEP技术已在特种金属及先进陶瓷科研领域深耕多年，可广泛应用于传统粉末冶金和前沿新材料开发，以下为近几年基于PEP技术开展科研工作的典型应用：

Research

PEP制备高性能93W钨合金研究

天津大学材料科学与工程学院水利工程仿真与安全国家重点实验室、天津中德应用科技大学、深圳升华三维科技有限公司、中南大学粉末冶金研究院团队使用PEP打印机UPS-250制备93W-4.6Ni-2.4Fe生坯零件。解决了3D打印技术制备高比重钨合金效率低、加工时间长，甚至无法加工等缺点。提出了不同烧结温度下烧结的93W试样的微观结构演变和强化机制的见解。相关研究成果发表在国际期刊《Additive Manufacturing》上。



https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102216

研究亮点

通过PEP技术可制备高比重钨合金；

确定了打印后93W合金的最佳烧结后处理方法；

讨论了93W合金微观结构的变化行为；

揭示了93W合金机械性能增强的机制。



▲确定了93 W-4.6Ni-2.4Fe试样的烧结温度为1480℃，拉伸强度（1040±6 MPa）和伸长率（20.7±0.4%）最高。 ©来源《Additive Manufacturing》

PEP制备高性能96W钨合金研究

深圳升华三维科技有限公司、天津大学材料学院、中南大学粉末冶金研究院团队使用PEP技术共同完成96W-2.7Ni-1.3Fe生坯零件的打印。并采用脱脂和两步烧结工艺，制备出了具有高机械性能、高密度和合适连续性的96W合金。详细研究了在不同烧结条件下打印的96W生坏零件的致密化和微观结构差异。在此基础上，进一步探讨了热处理对原烧结样品微观结构（晶粒大小和连续性）和机械性能的影响。相关研究成果发表在科学领域顶级期刊《材料科学与工程》上。



https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141417

研究亮点

通过“3D打印”和“高温烧结”相结合的PEP技术，可以制备出高比重钨合金，以解决难熔金属成型难的问题；

通过两步烧结法，可获得最佳烧结性能。96W-2.7Ni-1.3Fe的密度可达99.2%±0.2%，且拉伸强度为801MPa,延伸率为22.1%；

热处理后，性能进一步提高拉伸强度为838MPa，延伸率达到了26.1%；

成分精确可控，烧结过程还是热处理过程都不会产生脆性相。



▲不同烧结条件下的硬度和相对密度

PEP制备梯度硬质合金的研究

中南大学粉末冶金国家重点实验室、升华三维与株洲金韦硬质合金有限公司科研团队，在3D打印梯度硬质合金在PDC衬底的应用研究中，采用PEP工艺的独立双喷嘴3D打印机UPS-250预置了仅外层贫碳的双层硬质合金生坯，通过预烧结渗碳制备了三组新型 FGCCs。为高性能PDC衬底双材料增材制造提供了解决思路。该研究成果发表在国际顶级期刊《Ceramics International》上。



https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.08.312


▲双层硬质合金3D打印模型示意图 ©Ceramics International


▲烧结与渗碳样品宏观形貌与金相图 ©Ceramics International

PEP制备钴基金刚石复合材料的研究

中南大学有色金属成矿预测、地质环境监测教育部重点实验室和湖南工业大学团队采用熔融沉积成型烧结（FDMS）技术（即PEP）在不同温度下制造钴基金刚石复合材料。PEP具有成本低、对金刚石损伤小的特点，为探索增材制造金刚石工具提供了可能性。相关研究成果发表在国际知名期刊《Journal of Alloys and Compounds》上。



https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159569

研究亮点

根据PEP工艺制备了钴基金刚石复合材料，并与粉末热压烧结样品进行对比；

研究其微观结构特征和性能，发现即使在最佳温度下，PEP样品的性能也会更好；

PEP样品的密度和持有的性能相比金刚石颗粒提高了；

PEP是一种很有前途的技术，具有制造复杂形状或超薄结构的金刚石工具的能力，并有大规模制造的潜力。




PEP制备金属陶瓷基复合材料的研究

中南大学粉末冶金国家重点实验室周科朝教授团队利用PEP技术，通过高流动填充打印策略，制备出具有强化层状结构、坚固致密的三维金属陶瓷复合材料。采用固含量为56vol%的原料，利用PEP工艺通过(45°，135°)高流量填充法制备出了高相对密度为96.7%的NiFe2O4-25（Cu-20Ni）金属陶瓷，其平均弯曲强度为173.5 MPa，接近注塑样品的178.4 MPa。研究成果发表在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》上。



https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104136

研究亮点

采用粉末挤出3D打印工艺；

不同固含量材料加载和填充路径对金属-陶瓷复合材料微观结构及力学性能的影响；

相对密度与力学性能与传统注塑件接近。




▲不同填充路径打印方式 ©Additive Manufacturing

PEP制备反应烧结碳化硅的应用研究

中国科学院上海硅酸盐研究所首次提出高温熔融沉积结合反应烧结制备SiC陶瓷新方法。利用PEP独立双喷嘴打印系统结合直接反应渗硅烧结后实现了低残硅/碳的高效渗透和材料致密化，成功制备出力学性能接近于传统方法制备反应烧结的SiC陶瓷。相关研究成果发表在《Additive Manufacturing》，并申请中国发明专利2项。



https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102994


研究亮点

粉末挤出3D打印+反应熔渗法；

复杂结构碳化硅陶瓷产品的大尺寸、一体化成型；

成品SiC陶瓷产品力学性能满足应用要求。



▲经加工的~200mm 3D打印SiC陶瓷 ©Additive Manufacturing


▲烧结性能参数 ©Additive Manufacturing

PEP挤出工艺在SiC陶瓷的应用研究

中南大学粉末冶金国家重点实验室、中南大学材料科学与工程学院团队借助由深圳升华三维有限公司提供的改进熔融挤出装置，成功实现了高强度的SiC陶瓷的直写成型。相关研究成果发表在《欧洲陶瓷学会杂志》上。



https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.061

研究亮点

采用升华三维开发熔融挤出装置/打印机，现实前驱体碳化硅陶瓷复杂结构结构制备。

使用300μm针头挤出得到陶瓷丝线，丝线断口和表面光滑，无明显缺陷，表明用这种方法可以制备高强度的碳化硅陶瓷。



▲左图：挤出装置示意图，右图：（a）蜂巢结构的打印过程；（b）打印的三维先驱体支架结构


PEP制备Ti/Rb-HAp复合材料的研究

中南大学粉末冶金国家重点实验室和升华三维团队采用PEP打印机制备Rb-HAp质量分数分别为3%和5%的Ti/Rb-HAp复合材料，分析复合材料的物相成分和微观结构，测试材料的抗弯和抗压强度，并研究其体外矿化性能和细胞相容性等，为研究3D打印Ti/HAp复合生物材料提供理论基础和实验依据。相关研究成果发表在《粉末冶金材料科学与工程》上。




DOI: 10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021072

研究亮点

粉末挤出3D打印为快速制备不同复合材料提供支持；

Rb的加入可提高 Ti/HAp 复合材料的抗弯强度、抗压强度和压缩模量，抗压强度和压缩模量均随Rb含量增加而小幅提高；

Ti/HAp 复合材料浸泡在模拟体液中，表面形成致密的磷灰石层，材料具有优异的生物活性。Ti/3%Rb-HAp 复合材料具有最好的生物学性能和力学性能。




PEP制备氧化锆陶瓷及其力学性能研究

长沙理工大学材料科学与工程学院、清华大学材料学院精细陶瓷与先进工艺国家重点实验室团队采用PEP打印机UP-R200制备了氧化锆陶瓷材料和具有多孔结构致密氧化锆部件。该研究成功验证了熔融沉积法3D打印氧化锆陶瓷的可行性。利用该3D打印技术，氧化锆陶瓷打印外观良好，烧结后未见变形开裂，结构致密且晶粒尺寸均匀。烧结后氧化锆陶瓷也具有良好的抗弯强度和抗压强度。相关研究成果发表在《无机材料学报》上。



DOI: 10.15541/jim20200560

研究亮点

采用PEP工艺可制备致密的多孔氧化锆陶瓷，其抗压强度和气孔率之间符合指数规律；

采用PE+EVA+PW+SA粘结剂体系的颗粒状混合料具备良好的流动性和维形性能, 可打印制备倾角达165°和跨度为5.5mm的无支撑结构；

“单线+矩形”复合填充模式比传统单线填充模式更利于制备高强度和高可靠性的氧化锆陶瓷, 抗弯强度达到637.8MPa, Weibull模量达到 9.1。




PEP制备氧化锆陶瓷制品的研究

长沙理工大学材料科学与工程学院、湖南第一师范大学城南学院、斯德哥尔摩大学材料与环境化学系团队采用PEP打印机UP-R200制造了高固含量的氧化锆陶瓷材料和具有复杂几何形状的可控尺寸精度致密陶瓷部件。确定了相关优化结构参数，获得了相对密度为99%，弯曲强度为890±60MPa。评估了层间结合和烧结陶瓷的机械强度。揭示了基于PEP方法在制备复杂形状陶瓷零件方面的可行性。相关研究成果发表在国际期刊《欧洲陶瓷学会杂志》上。



https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.09.018

研究亮点

采用一种适合输送高固含量颗粒状原料的螺杆挤出型熔融沉积成型系统（PEP）；

通过PEP系统制造了致密的氧化锆陶瓷材料和具有复杂几何形状的可控尺寸精度陶瓷部件；

展望了使用PEP技术在工业中的应用前景，可用于增材制造工程陶瓷，如氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)和碳化硅(SiC)等。



▲螺杆挤出熔融沉积致密氧化锆陶瓷零件

END

升华三维PEP技术凭借其独特的分布式增材制造能力，已在航天、国防、核工业、医疗、材料科学等领域展现出无与伦比的科研价值。未来，随着设备智能化升级与跨学科应用拓展，PEP技术有望成为连接基础研究与产业化的关键桥梁，尤其在“双碳”目标下，其在新能源材料和极端环境装备中的应用潜力亟待新的应用进展。