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導(dǎo)讀：近日，中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周科朝教授團(tuán)隊(duì)采用升華三維材料擠出增材制造裝備，通過高流動(dòng)填充打印策略，顯著提升了3D構(gòu)件層間結(jié)合強(qiáng)度，材料的相對(duì)密度與力學(xué)性能與傳統(tǒng)注塑件接近，為高強(qiáng)度、致密金屬陶瓷材料的提供新的技術(shù)思路。他們最新的研究成果發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》上。

近年來，隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，含金屬和陶瓷粉末的3D打印材料也取得了顯著的進(jìn)步。與單一的金屬或陶瓷材料不同，金屬陶瓷是一種金屬-陶瓷復(fù)合材料，且有金屬的高導(dǎo)電性和韌性，以及陶瓷的耐高溫、高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。然而，因?yàn)榻饘俜勰┖吞沾煞勰┑娜埸c(diǎn)和表面性能存在較大差異，選擇性激光燒結(jié)(SLS)、三維打印(3DP)和粘結(jié)劑噴射(BJ)等技術(shù)并不太適合金屬陶瓷材料的打印。而采用材料擠出的打印方式，打破了材料類型的界限，使得能夠制造基于粉末冶金(PM)工藝的金屬、陶瓷和金屬-陶瓷復(fù)合材料零件。

材料擠出方式主要包括熔融沉積成型(FDM)和熔融擠壓成型(MEM)。目前，F(xiàn)DM已被證明適用于PM領(lǐng)域，可基于成熟粉末注射成型(PIM)工藝打印幾何復(fù)雜部件，從而降低原料粉末消耗，且可應(yīng)用于昂貴的WC-Co合金和陶瓷粉末，也可很好地適配后續(xù)的脫脂和燒結(jié)工藝。然而，由于高填充絲材的脆性和柔韌性不足，F(xiàn)DM技術(shù)不適合微米級(jí)陶瓷材料的穩(wěn)定打印。為了解決這一問題，該團(tuán)隊(duì)以聚甲醛(POM)為主要粘合劑，開發(fā)了一種基于螺桿擠出方式的顆粒狀原料。采用升華三維大尺寸獨(dú)立雙噴嘴打印機(jī)UPS-556，通過高流動(dòng)填充打印策略，顯著提升了3D構(gòu)件層間結(jié)合強(qiáng)度，材料的相對(duì)密度與力學(xué)性能與傳統(tǒng)注塑件接近，為高強(qiáng)度、致密金屬陶瓷材料的制造提供新的技術(shù)思路。他們最新的研究成果發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》上。

▲基于螺桿擠壓的顆粒進(jìn)料金屬陶瓷加工流程

在材料擠壓打印過程中，原料被加熱到熔融狀態(tài)，由噴嘴擠壓成圓柱形線條，再通過規(guī)劃路徑層層沉積成型，這些線條之間的鏈接會(huì)產(chǎn)生一定縫隙或區(qū)域薄弱等缺陷。為了完全消除相關(guān)缺陷，研究團(tuán)隊(duì)通過不斷認(rèn)證發(fā)現(xiàn)除了材料性能、進(jìn)料制造工藝、打印工藝參數(shù)等多種因素的影響之外，填充路徑對(duì)聚合物打印件的性能有重要影響。該團(tuán)隊(duì)以具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和高溫導(dǎo)電性的NiFe2O4基金屬陶瓷為基礎(chǔ)，制備出了兩種分別為62vol%和56vol%不同固含量顆粒原料，重點(diǎn)研究了材料加載和填充路徑對(duì)nife2o4基陶瓷微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。通過設(shè)置包括(0°，0°)、(0°，90°)、(90°，90°)、同心圓、(45°，45°)和(45°，135°)不同的打印路徑，提出了一種高流量填充方法。

▲不同填充路徑打印方式

該團(tuán)隊(duì)采用固含量為56vol%的原料，且通過(45°，135°)高流量填充法制備出了高相對(duì)密度為96.7%的NiFe2O4-25（Cu-20Ni）金屬陶瓷，其平均彎曲強(qiáng)度為173.5 MPa，接近注塑樣品的178.4 MPa。且通過控制原料的打印參數(shù)和粘度，可以實(shí)現(xiàn)三維樣品的長期高流量填充效果，可制備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能穩(wěn)定的大型PM制品。經(jīng)過研究表明，通過高流量填充方法可以使用材料擠壓工藝制造高質(zhì)量的金屬陶瓷復(fù)合材料，在復(fù)雜形狀的陽極，切削工具和耐磨部件中具有潛在的應(yīng)用前景。

▲固含量為56vol%的燒結(jié)陶瓷的性能

▲具有均勻微觀結(jié)構(gòu)和令人滿意性能的致密樣品的高流量填充印刷的概述圖

升華三維UPS-556采用了獨(dú)立雙噴嘴設(shè)計(jì)，可以同時(shí)打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷不同種類材料的復(fù)合產(chǎn)品開發(fā)，實(shí)現(xiàn)大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速成形。大大節(jié)省了產(chǎn)品打印時(shí)間，具有操作簡單、工業(yè)型、高精度、高質(zhì)量、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。再結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備工藝在復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷產(chǎn)品近凈尺寸成型方面形成了巨大優(yōu)勢(shì)，從而提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本，為制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬陶瓷提供了新的工藝方案。