基于烧结的间接3D打印——为钨金属加工制造及灵活设计开拓新方向
时间: 2023-04-10
自升华三维推出钨合金打印服务以来，陆续接到不少客户的反馈，对公司独特的打印工艺不甚了解。今天小编将对粉末挤出打印技术（PEP）在钨及钨合金3D打印制备工艺做详细解答。钨及钨合金是典型的难熔金属和难成形材料,因其高熔点、高密度、高导热性和适度的热膨胀等性能而成为高温应用的首选材料，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。
钨材料的优点也成为其难以加工的问题。钨的熔点可高达3410℃，很难用常规方法制造。通常，钨及钨合金可经粉末冶金制坯、挤压、锻造、轧制、旋压和拉拔等加工成材，但加工成本高且耗时，所能制造的零件结构复杂度有限。3D打印技术为钨金属的制造提供了新的思路，目前主流的SLM、BJ、FDM挤出以及DLP等基于直接熔化和基于烧结的制备途径均为钨制造提供了可行性。粉末挤出打印技术（PEP）是由升华三维推出的一种将“3D打印+粉末冶金”相结合的金属/陶瓷间接3D打印技术。是在(FDM)熔融沉积成型技术的基础上，再结合粉末冶金工艺形成的一种3D打印方法。采用金属/陶瓷粉体适配粘结剂混炼成颗粒材料、然后通过3D打印设备制备出具有一定密度和强度的生坯，再经过脱脂烧结后处理工艺，从而获得最终致密和性能优异的结构件。有望为钨及钨合金在增材制造的应用提供高效的生产解决方案。
升华三维根据金属/陶瓷粉体的物性（粒径分布、形貌、比表面积等）和产品的性能要求，选择合适的粘接剂配方体系（水基、塑基、蜡基等）进行适配，通过密炼机充分混合密炼高分子粘结剂与金属/陶瓷粉末，最后通过造粒机制备得到粒径可控的颗粒料材料。相继开发出了适配于升华三维3D打印机的材料。如：316L/304/17-4PH不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、钛及钛合金、高温合金、硬质合金难熔金属等金属材料，氧化锆、氧化铝、碳化硅等特种陶瓷材料及羟基磷灰石等生物陶瓷材料，以满足不同应用需求。
UPGM-93WNIFE钨合金颗粒料是升华自主研发的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，可应用于航空航天、军事国防、核工业、工业制造及饰品等领域的钨金属结构件开发制造。
3D打印成型
基于PEP技术，以按照模型设计 →工艺经验评估/软件模拟 → 原型法验证 → 生坯打印的规范生产流程。通过升华三维3D打印机系统将颗粒料加热成熔融膏状，再挤压并逐层堆积成形，可得到高精度并具有一定密度和强度的生坯。该系统可实现大尺寸（最大成型体积：500×500×600mm）钨金属结构件打印，且具有热风腔体恒温系统和真空吸附平台，可有效防止翘边现象。打印成型后，生胚还需要进行脱脂和烧结过程。
▲UPGM-93WNIFE钨合金生坯样品
脱脂工艺
脱脂的作用是从3D打印生胚中去除大部分粘结剂聚合物。脱脂工艺包括水脱脂、溶剂脱脂和催化脱脂。脱脂过程相对简单，将生胚浸泡于适量的脱脂剂里一段时间，被去除粘结剂聚合物的生坯称之为棕胚，将被送至烧结环节从而得到致密的金属/陶瓷结构部件。升华三维目前已拥有成熟的水基93W-NiFe打印材料。如下图所示，在脱脂环节，使用“处理水脱脂工艺”，溶解脱除粘接剂B；脱脂后，残留的粘接剂A，使棕坯具有一定的强度，以方便转运。而残留的粘接剂A，将在后续烧结过程中高温去除。
▲脱脂工艺图示
烧结工艺
获得的棕坯因在脱脂后存在一定的空隙，其强度和密度较低。基于PEP技术路线已摸索出合适的烧结工艺，并可根据客户粉体物性调整烧结工艺参数。通过烧结，残余的粘结剂聚合物首先在适当的加热温度下被去除。当温度升高到金属/陶瓷粒子的熔点以上时，这些粒子开始熔化并增长到密度达到近乎致密。因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性。
▲UPGM-93WNIFE钨合金烧结件力学性能
需要注意的是，在烧结过程中，由于粘结剂聚合物的去除和材料颗粒的生长，会发生一定比率的收缩，但收缩率是恒定的。设计和成型步骤将按比例放大，以补偿在烧结步骤中的收缩。烧结后的钨合金构件，能达到或超过传统工艺制备性能指标。PEP技术为解决钨合金机械加工难、复杂结构生产和减重设计提供一种新的解决途径，通过PEP工艺制备的钨合金部件是完全可直接使用的，并且能实现更快的生产与打样。升华三维将进一步挖掘技术潜能，建立完备的工艺路线。推出的钨合金3D打印服务，也将为航天、航空、军事、医疗以及核工业等应用领域在钨金属加工制造及灵活设计开拓新方向。
客户提出产品制造需求，提供产品设计源文档，指定制造类型、材料。
我司会根据客户的需求对模型文档提出优化建议，毕竟3D打印的制造设计和模具制造在部分产品上是有一定差异的。
在确定好模型文件、制造类型、材料后，我司在模拟打印后会给客户进行报价。
在合同签订后，我们根据具体需求来制定制造周期。如遇产品材料需要定制或者没有存货，我们会与客户确定到货时间以及打样时间。
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