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蠟基粘結(jié)劑金屬材料的功能特點(diǎn)

粉末擠出3D打?。≒EP）是傳統(tǒng)粉末冶金與3D打印成型工藝相結(jié)合的一種新興的、且極具發(fā)展前途的增材技術(shù)，在制造幾何形狀復(fù)雜、組織結(jié)構(gòu)均勻的高性能金屬產(chǎn)品方面優(yōu)勢(shì)突出。PEP的關(guān)鍵工藝離不開(kāi)粘結(jié)劑的應(yīng)用，粘結(jié)劑的主要功能為增強(qiáng)流動(dòng)與維持形狀：粉末流動(dòng)性能降低擠出壓力, 減少磨損, 延長(zhǎng)噴嘴及擠出系統(tǒng)的使用壽命；良好的保形性可以使得產(chǎn)品在打印和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中保持形狀，同時(shí)也可以避免成形時(shí)出現(xiàn)如裂紋、掉角等缺陷，這對(duì)于提高產(chǎn)品成品率尤為重要。

▲蠟基金屬打印材料 @升華三維

根據(jù)粘結(jié)劑的類型可分為熱塑性體系和熱固性體系，采用石蠟作為主要成分的粘結(jié)劑就屬于典型的熱塑性體系。PEP工藝中3D打印設(shè)備所使用的原料被稱為喂料/顆粒料，它一般是金屬粉體和多種有機(jī)高分子粘接劑組成，經(jīng)混煉機(jī)或捏合機(jī)混煉而成的混合物。粘接劑在其中起著賦予喂料流動(dòng)性，坯體維持劑等作用。而由于蠟基粘結(jié)劑的兼容性較高，可以更好地適配PEP工藝不同的金屬材料，現(xiàn)已成為PEP技術(shù)最重要的粘結(jié)劑體系。

蠟基粘結(jié)劑的主要特點(diǎn)

• 熔點(diǎn)低且容易固化；

• 室溫下有足夠的強(qiáng)度；

• 具有化學(xué)惰性，具有較低的潤(rùn)濕角＜5°，可以吸附在顆粒表面；

• 成型后易移除。

PEP制備蠟基粘結(jié)劑金屬的技術(shù)特點(diǎn)及工藝步驟

目前熱塑性體系是MIM粘結(jié)劑的主流和先導(dǎo)，而PEP在金屬材料制造能力方面跟MIM工藝有著密不可分的關(guān)系。PEP充分利用了MIM的喂料開(kāi)發(fā)體系和脫脂燒結(jié)工藝，再結(jié)合3D打印的靈活設(shè)計(jì)成形，可快速實(shí)現(xiàn)高性能金屬零件的定制生產(chǎn)。

PEP的技術(shù)特點(diǎn)

• 無(wú)需開(kāi)模：PEP技術(shù)不需要傳統(tǒng)的模具制造過(guò)程，直接打印成型，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，可提高生產(chǎn)效率；

• 設(shè)計(jì)優(yōu)化：能夠根據(jù)產(chǎn)品功能進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，且可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀；

• 成本效率：充分結(jié)合了MIM成熟的前后處理工藝，顯著降低了增材工藝投入和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)可大幅縮減制造周期；

• 分步工藝：3D打印低溫成形+MIM工藝燒結(jié)，可獲得性能一致的高質(zhì)量產(chǎn)品；

• 材料廣泛：采用蠟基體系喂料，具有可適配MIM工藝的金屬材料，且打印過(guò)程中喂料可循環(huán)利用，減少浪費(fèi)，提高材料使用效率。

PEP技術(shù)能一次性打印出具有復(fù)雜形狀的生坯，可減少或免除后續(xù)的機(jī)加工工序，而且在蠟基粘結(jié)劑的支持下，金屬喂料的流動(dòng)狀態(tài)更均勻、液相固化過(guò)程更穩(wěn)定可控。能消除傳統(tǒng)粉末冶金壓制成形不可避免的沿壓方向的密度梯度，可獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的近凈成型零部件，PEP的工藝流程主要包括：金屬粉末與粘結(jié)劑混合-喂料混煉制粒-3D打印成形-脫脂-燒結(jié)。此工藝中粘結(jié)劑的應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。

PEP制備蠟基粘結(jié)劑金屬材料的優(yōu)勢(shì)

PEP工藝可適配粒徑在0.2-100μm的金屬原粉，升華三維目前自主研發(fā)的蠟基粘結(jié)劑金屬喂料有鎢及鎢合金、銅及銅合金、不銹鋼等，其固含量在50~65vol%之間。除此之外，由于采用顆粒料擠出打印的方式，造粒粉及球磨粉均可使用，且對(duì)原粉的球形度、均勻性無(wú)明確要求，還聯(lián)合客戶需求開(kāi)發(fā)了更多可適配的金屬喂料。且材料配方現(xiàn)已形成研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于此實(shí)現(xiàn)更多材料開(kāi)發(fā)將更容易，周期會(huì)更短。

基于蠟基粘結(jié)劑體系，在結(jié)合PEP工藝的3D打印系統(tǒng)方向具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使得更容易粘合。采用獨(dú)立雙噴嘴3D打印系統(tǒng)，除了能實(shí)現(xiàn)單材料的結(jié)構(gòu)件成形，還能發(fā)揮其復(fù)合材料打印功能，制備出多材料或非連續(xù)梯度材料的結(jié)構(gòu)件打印，且在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型方面已有新的突破。

▲復(fù)合材料打?。ㄗ?金屬雙材料打印燒結(jié)件，右4復(fù)合材料打印生坯） @升華三維

而采用三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)的梯度功能材料3D打印機(jī)，則可以制備出材料與結(jié)構(gòu)同步梯度變化的復(fù)雜產(chǎn)品，可為金屬梯度功能新材料及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，提供設(shè)計(jì)模擬和試驗(yàn)支持。

▲鎢-銅梯度功能材料打印 @升華三維

PEP制備蠟基粘結(jié)劑金屬材料的應(yīng)用前景

得益于蠟基粘結(jié)劑的使用，PEP在制備金屬材料方面的成本效益、材料適應(yīng)性、及與傳統(tǒng)工藝的融合都得到了進(jìn)一步的提升。PEP技術(shù)因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染，符合當(dāng)前制造業(yè)的環(huán)保趨勢(shì)，市場(chǎng)潛力巨大。同時(shí)，多種成型系統(tǒng)的加持，也為PEP工藝創(chuàng)造工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多想象空間。在金屬打印方面，PEP工藝已逐漸成熟，將在科研教育、航天航空、國(guó)防工業(yè)、核工業(yè)、能源化工、汽車制備、電子信息等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。

▲PEP工藝制備的難熔金屬應(yīng)用樣品 @升華三維

▲PEP工藝制備的純銅應(yīng)用樣品 @升華三維

▲PEP工藝制備不同設(shè)計(jì)需求的金屬結(jié)構(gòu)樣品 @升華三維