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傳統(tǒng)基于激光的SLM 3D打印技術(shù)已經(jīng)可以打印非常廣泛的材料，但仍有一些工業(yè)常用材料被SLM工藝如面臨大敵，如高反射的銅、易產(chǎn)生缺陷的碳化鎢基硬質(zhì)合金以及其他具有極高熔點(diǎn)的難熔合金等。這些材料的工業(yè)用戶實(shí)際上也渴望能夠借助3D打印實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品性能及其他制造優(yōu)勢。本期內(nèi)容，3D打印技術(shù)參考將對以上材料為何采用傳統(tǒng)的金屬3D打印技術(shù)難以生產(chǎn)進(jìn)行補(bǔ)充解釋，并對替代解決方案的潛在優(yōu)勢進(jìn)行分析，后者能夠?qū)ｉT彌補(bǔ)SLM技術(shù)的不足。

采用非SLM工藝3D打印的金屬與陶瓷產(chǎn)品

純銅

純銅具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，但隨著應(yīng)用端對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)制備純銅部件的工藝已無法滿足全部需求。3D打印制造金屬材料最典型的工藝就是SLM和EBM技術(shù)，但實(shí)際上均存在不足，主要原因在于它的高反射、高導(dǎo)電、及高導(dǎo)熱。

首先，純銅屬于高反射金屬，傳統(tǒng)的SLM打印機(jī)難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，這一點(diǎn)已經(jīng)被行業(yè)內(nèi)外所接受。作為替代解決方案，采用短波長的綠/藍(lán)激光打印實(shí)際上也存在問題，那就是成本過高，而且這兩種激光并不普及。EBM由于使用的是電子束為熱源，不會(huì)受到SLM激光高反射因素的影響，因此稍具優(yōu)勢。但因銅具有高導(dǎo)電率，EBM打印過程會(huì)很短；又因銅的高導(dǎo)熱率，會(huì)導(dǎo)致打印的模型尺寸精度和力學(xué)性能各方面的可控性較差，因此打印的銅零件表面質(zhì)量不佳，這又給銅感應(yīng)線圈等應(yīng)用的后處理帶來不便。

很顯然，這兩種常被使用的3D打印工藝面對工業(yè)純銅應(yīng)用均存在很明顯的制造不足，這也導(dǎo)致純銅的3D打印應(yīng)用并未釋放潛力。因此本領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)希望結(jié)合3D打印和傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)，實(shí)現(xiàn)純銅零件控形、控性制造，如借助光固化技術(shù)3D打印純銅漿料以及借助擠出3D打印純銅粒料以進(jìn)行塑坯，之后通過成熟的粉末冶金工藝使之實(shí)現(xiàn)金屬化的解決方案。

升華三維UPS-250打印的純銅換熱器

基于以上方法，純銅3D打印不需要高能激光束，巧妙避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱、高反射問題，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過脫脂、燒結(jié)，得到純銅零件。 

升華三維制備的純銅結(jié)構(gòu)件

對于該方案，想要獲得高致密度或高導(dǎo)電導(dǎo)熱純銅制件，其純銅打印材料配方和脫脂燒結(jié)的工藝要求也非常高。3D打印技術(shù)參考注意到，國內(nèi)升華三維開發(fā)的純銅顆粒料UPGM-CU在保持了原料高純凈度的同時(shí)還具有更易實(shí)現(xiàn)致密化的特性，能滿足不同銅零件的打印需求。該公司利用自主研發(fā)的3D打印設(shè)備，可加工純銅及其合金材料，已幫助用戶實(shí)現(xiàn)熱交換器、散熱器和電感應(yīng)器的產(chǎn)品開發(fā)。

硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是一種復(fù)合材料，通常包括難熔金屬碳化物（鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等的碳化物）和粘結(jié)金屬（鎳、鉬、鎢、鈷等）。硬質(zhì)合金具備優(yōu)良的力學(xué)性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及熱穩(wěn)定性。可用于制造切削刀具、鑿巖工具、采礦工具、鉆孔工具、量具、易損件、金屬磨削工具、氣缸套、精密軸承、噴嘴等，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”。

硬質(zhì)合金傳統(tǒng)制造完全依賴模具，對硬質(zhì)合金制造成本造成很大影響；另外，如復(fù)雜形狀、多功能/變化功能復(fù)合結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)等硬質(zhì)合金也無法采用常規(guī)方法制備，嚴(yán)重限制了硬質(zhì)合金制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間、材料優(yōu)勢發(fā)揮和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

傳統(tǒng)硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)件（來自網(wǎng)絡(luò)）

采用激光粉末床3D打印技術(shù)制造硬質(zhì)合金已經(jīng)能夠成功制備接近理論密度、力學(xué)性能良好的硬質(zhì)合金構(gòu)件，但也存在許多的問題：如該技術(shù)往往需要后續(xù)處理，如元素熔滲提高綜合性能、易產(chǎn)生裂紋孔洞缺陷；打印過程中重復(fù)加熱冷卻過程會(huì)形成獨(dú)有的微觀組織，影響零件性能，需要通過熱等靜壓和熱處理等后處理手段達(dá)到性能，但會(huì)帶來額外的時(shí)間和成本，阻礙了3D打印硬質(zhì)合金的發(fā)展進(jìn)程。

與SLM技術(shù)相比，基于燒結(jié)的技術(shù)線路制備硬質(zhì)合金構(gòu)件一般不存在明顯的裂紋和孔洞缺陷，組織整體分布均勻，力學(xué)性能優(yōu)良，不過表面粗糙度有待加強(qiáng)。升華三維開發(fā)出了適配于擠出工藝的3D打印硬質(zhì)合金材料及打印、后處理解決方案。以所開發(fā)的碳化鎢UPGM-YG10為例，它是一種粒徑在8-14目的近球形顆粒金屬-陶瓷復(fù)合材料，首先3D打印出具有一定密度和強(qiáng)度的生坯，再經(jīng)過專用的脫脂燒結(jié)和后處理工藝，從而獲得最終致密和性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)件。

升華三維硬質(zhì)合金打印材料

3D打印的硬質(zhì)合金樣品（來自：升華三維）

在硬質(zhì)合金的3D打印制造過程中，升華三維利用了低溫成型、高溫成性的規(guī)律，很好地補(bǔ)解決了硬質(zhì)合金3D打印制備過程中極易出現(xiàn)的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產(chǎn)品性能一致性，為硬質(zhì)合金高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造提供有效解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，通過其PEP工藝制備的硬質(zhì)合金構(gòu)件其致密度、均勻性、力學(xué)性能均能達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)粉末冶金工藝，有望為硬質(zhì)合金廣泛應(yīng)用打開新窗口。

難熔金屬

難熔金屬材料具有高熔點(diǎn)及特有性能，一直以來作為高新材料加以發(fā)展。這類材料由于熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高，給冶煉加工也帶來很大困難，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難熔金屬部件更是難以制造。即便是基于激光的3D打印，由于溫度梯度的存在，也易導(dǎo)致殘余應(yīng)力并引起開裂。以鎢為例，使用3D打印多用來制造格柵結(jié)構(gòu)，其他類型的應(yīng)用尤其是涉及到尺寸較大的塊體結(jié)構(gòu)，此時(shí)采用激光3D打印則存在困難。

激光3D打印的鎢易開裂

基于燒結(jié)的技術(shù)為難熔金屬提供了一種新的3D打印解決方案。升華自主研發(fā)了UPGM-93WNIFE鎢合金顆粒料，并掌握了難熔金屬間接3D打印在打印裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等關(guān)鍵技術(shù)，通過其開發(fā)的PEP技術(shù)生產(chǎn)的鎢合金部件完全可直接使用，并且能實(shí)現(xiàn)更快的生產(chǎn)與打樣。該技術(shù)為解決鎢合金機(jī)械加工難、復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和減重設(shè)計(jì)提供一種新的3D打印解決方案。

升華三維鎢合金燒結(jié)樣品

END

總的來說，基于燒結(jié)的擠出PEP工藝有別于傳統(tǒng)的SLM金屬3D打印技術(shù)，其結(jié)合了3D打印和粉末冶金的雙重優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的彌補(bǔ)其他工藝的制造不足。實(shí)際上，本文介紹的難成形材料只是該技術(shù)所擅長的材料之一，其他如高溫合金、不銹鋼等也是該技術(shù)常規(guī)的可成形材料。

采用3D打印與脫脂燒結(jié)分開的工藝模式，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的用戶還可以利用原有的脫脂燒結(jié)設(shè)備，可極大減少投入成本，并充分利用3D打印的優(yōu)勢。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯