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增材制造（AM ，也稱3D打?。?，由于其可以實現(xiàn)復雜結構的一體成型，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)療等高端裝備的領域。如何能進入更廣泛的民用領域，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打印技術路線中，不管選擇何種打印方式，其根本技術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

而升華三維卻是另辟蹊徑，作為“金屬/陶瓷間接3D打印引領者”發(fā)展的是3D打印結合傳統(tǒng)粉末冶金工藝的間接3D打印技術，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)。一起聊聊這一技術的創(chuàng)新之路。

升華三維推出的間接3D打印技術實則是將上述兩種不同的技術路徑優(yōu)勢互補。“升華三維將其命名為——粉末擠出3D打印技術（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)在也已成為市場認可的一種技術路線了?！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、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)，主要負責將金屬/陶瓷粉末跟粘合劑融合的復合材料料逐層打印成形的生坯。真正考驗產(chǎn)品性能的關鍵在于后續(xù)的燒結工藝也就是粉末冶金環(huán)節(jié)。間接3D打印技術路線，是一個跨學科的創(chuàng)新，各工藝流程之間是一個強耦合的關系?！?/p>

“3D打印+粉末冶金”的粉末擠出3D打印技術

PEP技術是一種“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/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（PIM）的相關工藝對產(chǎn)品進行脫脂和燒結，獲得性能一致且優(yōu)良的產(chǎn)品。PEP技術可適配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打印技術開發(fā)、材料開發(fā)和金屬/陶瓷產(chǎn)品開發(fā)制造。

PEP技術原理圖

PEP技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其結合了已發(fā)展超過30年，并大規(guī)模應用于電子3C、汽車、醫(yī)療、航空航天等領域的粉末冶金技術，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打印技術相比，打印設備、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；低成本的金屬/陶瓷復雜產(chǎn)品定制化、批量化生產(chǎn)。適用于傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和先進制造業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)制造。

“PEP技術呈現(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，也可以適配寬泛的燒結設備和工藝?！眲I(yè)介紹到：“PEP技術既可以充分體現(xiàn)3D打印技術的復雜結構、一體化、輕量化等技術特點，又能發(fā)揮粉末冶金可加工材料廣泛，加工成本低等技術優(yōu)勢。實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法達到的復雜結構零部件制造，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打印技術在傳統(tǒng)制造業(yè)的普及和應用拓展。而更廣泛的材料適配，也是PEP技術助力粉末冶金行業(yè)智能化的關鍵，有望成為促進粉末冶金產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級的新工具，具有很高的應用價值?！?/p>

更高適配性的3D打印裝備

基于PEP技術，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-556兩款核心打印設備。均采用獨立雙噴嘴設計，可以同時打印或者各自輪流打印陶瓷、金屬、陶瓷/金屬復合材料，實現(xiàn)不同種類材料的復合產(chǎn)品開發(fā)及復雜結構制備。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、新能源等領域。

劉業(yè)表示：“金屬3D打印的昂貴體現(xiàn)在設備、材料和打印時間等三個方面。在設備方面，目前主流技術一般采用強大的高能激光束金屬粉末使其逐層燒結成固體零件，設備投入成本極高，且需同步上整套前后處理設備。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成本?？梢愿玫倪m配粉末冶金工藝，并且打印設備、材料及打印成本更低，更有利于3D打印應用普及?！?/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。該設備可以為金屬/陶瓷梯度材料設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。適用于復雜結構的功能梯度材料開發(fā)設計與制備。

▲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，深挖具體應用場景，為不同行業(yè)賦能。“材料一直是升華三維創(chuàng)新的關鍵，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打印技術在打印裝備及其核心器件、成形材料、工藝及軟件等關鍵技術?！拔覀円?D打印裝備為主軸，以材料為核心，面向不同的應用領域解決客戶不同的需求?！眲I(yè)進一步介紹道：“升華三維的間接3D打印技術沉淀了多年，現(xiàn)已構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打印技術的開發(fā)及應用推廣，定位于金屬/陶瓷間接3D打印設備、材料和打印服務提供商，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打印領域深耕，近期也推出了梯度結構材料打印的3D打印設備，以滿足高?？蒲性核趶秃喜牧稀⒐δ芴荻炔牧霞爱a(chǎn)品開發(fā)上的需求；同時，還將進一步拓展碳化硅、氮化硅、鎢合金、純銅、硬質(zhì)合金等細分特種陶瓷和金屬材料領域的應用市場。此外，針對FDM技術打印金屬線材領域，將適時推出高性價比的專用FDM設備、不銹鋼等線材以及解決方案。

劉總最后總結道：“登高望遠謀新局、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都旨在促進3D打印技術的應用普及。2024年我們將繼續(xù)守正創(chuàng)新，形成集設備生產(chǎn)、材料開發(fā)、產(chǎn)品制造及打印服務為一體的全方位布局。勇拓應用邊界，加速傳統(tǒng)制造的智能化升級，為推進增材制造行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造更多的價值?！?/p>

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打印（PEP）技術發(fā)明人之一，累積申請專利80余項。中南大學粉末冶金研究院材料學博士、中南大學深圳校友會理事、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。