蠟基粘結劑金屬材料的功能特點

粉末擠出3D打印（PEP）是傳統粉末冶金與3D打印成型工藝相結合的一種新興的、且極具發展前途的增材技術，在制造幾何形狀復雜、組織結構均勻的高性能金屬產品方面優勢突出。PEP的關鍵工藝離不開粘結劑的應用，粘結劑的主要功能為增強流動與維持形狀：粉末流動性能降低擠出壓力, 減少磨損, 延長噴嘴及擠出系統的使用壽命；良好的保形性可以使得產品在打印和轉運過程中保持形狀，同時也可以避免成形時出現如裂紋、掉角等缺陷，這對于提高產品成品率尤為重要。

▲蠟基金屬打印材料 @升華三維

根據粘結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劑就屬于典型的熱塑性體系。PEP工藝中3D打印設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高分子粘接劑組成，經混煉機或捏合機混煉而成的混合物。粘接劑在其中起著賦予喂料流動性，坯體維持劑等作用。而由于蠟基粘結劑的兼容性較高，可以更好地適配PEP工藝不同的金屬材料，現已成為PEP技術最重要的粘結劑體系。

蠟基粘結劑的主要特點

• 熔點低且容易固化；

• 室溫下有足夠的強度；

• 具有化學惰性，具有較低的潤濕角＜5°，可以吸附在顆粒表面；

• 成型后易移除。

PEP制備蠟基粘結劑金屬的技術特點及工藝步驟

目前熱塑性體系是MIM粘結劑的主流和先導，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系。PEP充分利用了MIM的喂料開發體系和脫脂燒結工藝，再結合3D打印的靈活設計成形，可快速實現高性能金屬零件的定制生產。

PEP的技術特點

• 無需開模：PEP技術不需要傳統的模具制造過程，直接打印成型，簡化了生產流程，可提高生產效率；

• 設計優化：能夠根據產品功能進行設計優化，且可實現傳統制造工藝難以實現的復雜幾何形狀；

• 成本效率：充分結合了MIM成熟的前后處理工藝，顯著降低了增材工藝投入和運營成本，同時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，可獲得性能一致的高質量產品；

• 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，且打印過程中喂料可循環利用，減少浪費，提高材料使用效率。

PEP技術能一次性打印出具有復雜形狀的生坯，可減少或免除后續的機加工工序，而且在蠟基粘結劑的支持下，金屬喂料的流動狀態更均勻、液相固化過程更穩定可控。能消除傳統粉末冶金壓制成形不可避免的沿壓方向的密度梯度，可獲得組織結構均勻、力學性能優異的近凈成型零部件，PEP的工藝流程主要包括：金屬粉末與粘結劑混合-喂料混煉制粒-3D打印成形-脫脂-燒結。此工藝中粘結劑的應用起到了關鍵作用。

PEP制備蠟基粘結劑金屬材料的優勢

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的蠟基粘結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，且對原粉的球形度、均勻性無明確要求，還聯合客戶需求開發了更多可適配的金屬喂料。且材料配方現已形成研發數據庫，基于此實現更多材料開發將更容易，周期會更短。

基于蠟基粘結劑體系，在結合PEP工藝的3D打印系統方向具有獨特的優勢，使得更容易粘合。采用獨立雙噴嘴3D打印系統，除了能實現單材料的結構件成形，還能發揮其復合材料打印功能，制備出多材料或非連續梯度材料的結構件打印，且在復雜結構成型方面已有新的突破。

▲復合材料打印（左1金屬雙材料打印燒結件，右4復合材料打印生坯） @升華三維

而采用三螺桿雙組份單噴嘴系統的梯度功能材料3D打印機，則可以制備出材料與結構同步梯度變化的復雜產品，可為金屬梯度功能新材料及產品開發，提供設計模擬和試驗支持。

▲鎢-銅梯度功能材料打印 @升華三維

PEP制備蠟基粘結劑金屬材料的應用前景

得益于蠟基粘結劑的使用，PEP在制備金屬材料方面的成本效益、材料適應性、及與傳統工藝的融合都得到了進一步的提升。PEP技術因其綠色環保和可持續發展的特性，有助于減少能源消耗和環境污染，符合當前制造業的環保趨勢，市場潛力巨大。同時，多種成型系統的加持，也為PEP工藝創造工業應用場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、國防工業、核工業、能源化工、汽車制備、電子信息等領域中發揮著重要作用。

▲PEP工藝制備的難熔金屬應用樣品 @升華三維

▲PEP工藝制備的純銅應用樣品 @升華三維

▲PEP工藝制備不同設計需求的金屬結構樣品 @升華三維