傳統基于激光的SLM 3D打印技術已經可以打印非常廣泛的材料，但仍有一些工業常用材料被SLM工藝如面臨大敵，如高反射的銅、易產生缺陷的碳化鎢基硬質合金以及其他具有極高熔點的難熔合金等。這些材料的工業用戶實際上也渴望能夠借助3D打印實現更高的產品性能及其他制造優勢。本期內容，3D打印技術參考將對以上材料為何采用傳統的金屬3D打印技術難以生產進行補充解釋，并對替代解決方案的潛在優勢進行分析，后者能夠專門彌補SLM技術的不足。

采用非SLM工藝3D打印的金屬與陶瓷產品

純銅

純銅具有較大的發展潛力和應用前景，但隨著應用端對復雜結構零部件的需求增多，傳統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，但實際上均存在不足，主要原因在于它的高反射、高導電、及高導熱。

首先，純銅屬于高反射金屬，傳統的SLM打印機難以實現生產，這一點已經被行業內外所接受。作為替代解決方案，采用短波長的綠/藍激光打印實際上也存在問題，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，不會受到SLM激光高反射因素的影響，因此稍具優勢。但因銅具有高導電率，EBM打印過程會很短；又因銅的高導熱率，會導致打印的模型尺寸精度和力學性能各方面的可控性較差，因此打印的銅零件表面質量不佳，這又給銅感應線圈等應用的后處理帶來不便。

很顯然，這兩種常被使用的3D打印工藝面對工業純銅應用均存在很明顯的制造不足，這也導致純銅的3D打印應用并未釋放潛力。因此本領域內的企業希望結合3D打印和傳統粉末冶金技術，實現純銅零件控形、控性制造，如借助光固化技術3D打印純銅漿料以及借助擠出3D打印純銅粒料以進行塑坯，之后通過成熟的粉末冶金工藝使之實現金屬化的解決方案。

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熱、高反射問題，通過先打印生坯，然后再經過脫脂、燒結，得到純銅零件。 

升華三維制備的純銅結構件

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

硬質合金

硬質合金是一種復合材料，通常包括難熔金屬碳化物（鈦、鉬、鎢、鉭、鈮等的碳化物）和粘結金屬（鎳、鉬、鎢、鈷等）。硬質合金具備優良的力學性能，有良好的耐磨性能、抗氧化性以及熱穩定性。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，被譽為“工業的牙齒”。

硬質合金傳統制造完全依賴模具，對硬質合金制造成本造成很大影響；另外，如復雜形狀、多功能/變化功能復合結構、梯度結構等硬質合金也無法采用常規方法制備，嚴重限制了硬質合金制品的結構設計空間、材料優勢發揮和應用領域的拓展。

傳統硬質合金結構件（來自網絡）

采用激光粉末床3D打印技術制造硬質合金已經能夠成功制備接近理論密度、力學性能良好的硬質合金構件，但也存在許多的問題：如該技術往往需要后續處理，如元素熔滲提高綜合性能、易產生裂紋孔洞缺陷；打印過程中重復加熱冷卻過程會形成獨有的微觀組織，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到性能，但會帶來額外的時間和成本，阻礙了3D打印硬質合金的發展進程。

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

升華三維硬質合金打印材料

3D打印的硬質合金樣品（來自：升華三維）

在硬質合金的3D打印制造過程中，升華三維利用了低溫成型、高溫成性的規律，很好地補解決了硬質合金3D打印制備過程中極易出現的變形、裂紋、孔洞等問題，從而確保了產品性能一致性，為硬質合金高性能復雜結構制造提供有效解決方案。研究發現，通過其PEP工藝制備的硬質合金構件其致密度、均勻性、力學性能均能達到甚至超過傳統粉末冶金工藝，有望為硬質合金廣泛應用打開新窗口。

難熔金屬

難熔金屬材料具有高熔點及特有性能，一直以來作為高新材料加以發展。這類材料由于熔點高、高溫強度高，給冶煉加工也帶來很大困難，具有復雜結構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，也易導致殘余應力并引起開裂。以鎢為例，使用3D打印多用來制造格柵結構，其他類型的應用尤其是涉及到尺寸較大的塊體結構，此時采用激光3D打印則存在困難。

激光3D打印的鎢易開裂

基于燒結的技術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、工藝及軟件等關鍵技術，通過其開發的PEP技術生產的鎢合金部件完全可直接使用，并且能實現更快的生產與打樣。該技術為解決鎢合金機械加工難、復雜結構生產和減重設計提供一種新的3D打印解決方案。

升華三維鎢合金燒結樣品

END

總的來說，基于燒結的擠出PEP工藝有別于傳統的SLM金屬3D打印技術，其結合了3D打印和粉末冶金的雙重優點，能夠很好的彌補其他工藝的制造不足。實際上，本文介紹的難成形材料只是該技術所擅長的材料之一，其他如高溫合金、不銹鋼等也是該技術常規的可成形材料。

采用3D打印與脫脂燒結分開的工藝模式，傳統產業的用戶還可以利用原有的脫脂燒結設備，可極大減少投入成本，并充分利用3D打印的優勢。

注：本文內容由3D打印技術參考整理編輯