PEP工藝及獨立雙噴嘴系統(tǒng)概要

雙材料3D打印是一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種材料復(fù)合打印成型的先進制造技術(shù)，可解決多材料復(fù)合打印的難題。允許在單個部件中實現(xiàn)多種材料的集成，從而制造出傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)，且滿足不同功能和性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。為開發(fā)及生產(chǎn)特定具有改進性能的功能部件提供額外的可能性。

PEP工藝是一種創(chuàng)新的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)，可以不再局限于某種單一材料制造，釋放了3D打印技術(shù)的潛力，極大滿足了復(fù)合打印復(fù)雜產(chǎn)品的需求。它將3D打印與粉末冶金相結(jié)合，具有低溫成型、高溫成性的獨特特點。其采用的顆粒材料熔融擠出成型方式，在3D打印雙材料過程中起著關(guān)鍵的作用。基于PEP工藝開發(fā)的獨立雙噴嘴3D打印機，發(fā)揮了獨立雙噴嘴擠出成型系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以同時打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷材料，能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料的復(fù)合打印。

▲獨立雙噴嘴系統(tǒng)-支撐打印的生坯和燒結(jié)樣品 @升華三維

獨立雙噴嘴系統(tǒng)制備雙材料結(jié)構(gòu)的能力和挑戰(zhàn)

升華三維采用獨立雙噴嘴擠出系統(tǒng)的設(shè)計目的和最大功能之一，就是進行兩種不同材料的打印。該系統(tǒng)可配合公司自主研發(fā)的切片軟件功能得以實現(xiàn)雙材料復(fù)合打印，可在同一個模型上打印兩種不同材質(zhì)的材料，賦予產(chǎn)品不同部分不同材料的功能及性能。獨立雙噴嘴功能充分釋放了產(chǎn)品設(shè)計師的創(chuàng)意思維，滿足并實現(xiàn)以復(fù)合功能設(shè)計為導(dǎo)向的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)想。

雙噴嘴系統(tǒng)制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的能力

設(shè)計靈活性：3D打印的層疊成型方式，允許設(shè)計師制造復(fù)雜的幾何形狀，可提供更大的設(shè)計自由度；

材料多樣性：PEP工藝可以適配多種金屬和陶瓷粉末材料，包括難熔金屬和高性能陶瓷，這為制備具有不同物理和化學性質(zhì)的金屬陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了可能；

復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造：能發(fā)揮3D打印的高復(fù)雜度結(jié)構(gòu)成型和雙噴嘴獨立擠出材料的優(yōu)勢，可制備出傳統(tǒng)方法無法制造的復(fù)合材料+復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品；

一體化成型：能夠?qū)崿F(xiàn)雙材料結(jié)構(gòu)件的一體化成型，避免了傳統(tǒng)工藝中多部件組裝帶來的問題，有助于提高雙材料結(jié)構(gòu)的整體性能和可靠性；

快速開發(fā)生產(chǎn)：具有快速制備雙材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，能夠縮短制備周期，提高生產(chǎn)效率，有助于加快產(chǎn)品的開發(fā)和商業(yè)化進程。

▲獨立雙噴嘴系統(tǒng)不同打印模式的樣品 @升華三維

該系統(tǒng)在制備雙材料復(fù)合結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出顯著的潛力，但同時也面臨著一系列技術(shù)和工藝上的挑戰(zhàn)，制約著這一技術(shù)路線的發(fā)展。需要通過深入研究和技術(shù)創(chuàng)新，不斷優(yōu)化PEP工藝打印雙材料的實現(xiàn)能力，提高其制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的能力和市場競爭力。

雙噴嘴系統(tǒng)制備復(fù)合結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)

材料適配性：盡管PEP工藝能夠處理多種材料，但不同材料之間的適配性仍是一個挑戰(zhàn)。需要深入研究不同材料在PEP工藝中的行為特性，以確保它們能夠穩(wěn)定地結(jié)合在一起形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；

擠出脹大效應(yīng)：在擠出過程中，熱塑性材料可能會因為擠出脹大效應(yīng)導(dǎo)致最終樣品尺寸比設(shè)定尺寸大，這需要通過優(yōu)化打印工藝參數(shù)來控制；

層間堆疊孔隙：打印過程中可能產(chǎn)生堆疊孔隙，尤其是在同一層的相鄰打印線條、上下相鄰兩層之間，需要通過優(yōu)化打印工藝來減少這些孔隙；

后處理工藝：PEP工藝制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過脫脂燒結(jié)處理后才能達到最終的應(yīng)用要求，后處理工藝的選擇和優(yōu)化對雙材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能有重要影響，特別是在兩種燒結(jié)工藝差異較大的材料上，可能需要結(jié)合特殊的材料設(shè)計和后處理技術(shù)。

雙材料制備案例分析及應(yīng)用方向

PEP技術(shù)能實現(xiàn)不同金屬／陶瓷材料間的復(fù)合打印，這意味著應(yīng)用場景也得到了進一步的擴展。基于獨立雙噴嘴系統(tǒng)，升華三維目前已開發(fā)有支撐打印、支撐連接打印、復(fù)合材料打印、不同部位指定材料打印、鏡像打印、復(fù)制打印等，為不同材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)開發(fā)和應(yīng)用提供支持。可適用于科研教育、航天航空、軍事國防、生物醫(yī)療、汽車制造、能源化工等領(lǐng)域的金屬/陶瓷多材料、金屬/陶瓷復(fù)合材料及其產(chǎn)品的快速開發(fā)制造。?

▲獨立雙噴嘴3D打印機支持的打印模式 @升華三維

雙層梯度硬質(zhì)合金制備

雙材料復(fù)合打印彌補了傳統(tǒng)單材料打印的缺陷，尤其在聚合物基梯度功能結(jié)構(gòu)制備中具有獨特優(yōu)勢。今年10月，中南大學粉末冶金國家重點實驗室與株洲金韋硬質(zhì)合金有限公司科研團隊，在3D打印梯度硬質(zhì)合金在PDC襯底的應(yīng)用研究中，采用間接3D打印工藝制備無η相高韌性滲碳梯度硬質(zhì)合金(FGCCs)。本研究采用PEP工藝的獨立雙噴嘴3D打印機預(yù)置了僅外層貧碳的雙層硬質(zhì)合金生坯，通過預(yù)燒結(jié)滲碳制備了三組新型 FGCCs。為高性能PDC襯底雙材料增材制造提供了解決思路。該研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《Ceramics International》上。

▲雙層硬質(zhì)合金3D打印模型示意圖 @Ceramics International

▲燒結(jié)與滲碳樣品宏觀形貌與金相圖 @Ceramics International

93W和96W梯度功能材料制備

而在鎢合金材料開發(fā)領(lǐng)域，一高校與升華三維的聯(lián)合項目中，也采用雙噴嘴系統(tǒng)實現(xiàn)了難熔金屬93鎢合金和96鎢合金的雙材料打印，打出來的成品界面處無缺陷，γ相分布較為均勻。在航空航天、核能、太陽能、生物工程植入等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值。

▲93W和96W梯度材料 @升華三維

金屬雙材料填充打印

金屬雙材料打印案例中，還有采用兩種不同成分不銹鋼材料進行復(fù)合打印的，用于認證《金屬雙材料復(fù)合結(jié)構(gòu)不同性能變化對功能件影響》研究的可行性。該案例利用了PEP工藝切片軟件的晶格填充功能自動生成晶格骨架，再使用獨立雙噴嘴系統(tǒng)分別擠出骨架和晶格空隙填充材料，從而實現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)的制備。因兩種材料成分接近，可使得兩者能在優(yōu)化后的同一套后處理工藝上實現(xiàn)燒結(jié)，最終獲得了雙材料結(jié)合致密，且冶金性能優(yōu)異的樣品。

▲不同成分不銹網(wǎng)材料復(fù)合打印 @升華三維

銅與陶瓷材料復(fù)合打印

此外，在材料差異較大的應(yīng)用中，以銅線圈&陶瓷絕緣線圈為例，此部件為電動馬達領(lǐng)域的產(chǎn)品，同時由銅線圈和陶瓷隔離層組成。銅線圈能夠與鐵或鐵合金組合產(chǎn)生磁場，使用陶瓷材料使銅導(dǎo)線與鐵及鐵合金部件絕緣。該案例利用了升華三維3D打印設(shè)備的獨立雙噴嘴系統(tǒng)，同步解決了銅及陶瓷結(jié)構(gòu)件的復(fù)合成型和導(dǎo)電絕緣的難題。而打印好的生坯經(jīng)過脫脂燒結(jié)等一系列工藝處理后，可得到最終的成品件。

▲銅線圈&陶瓷絕緣線圈 @升華三維

PEP雙材料復(fù)合打印作為增材制造技術(shù)中的一種獨特體現(xiàn)方式，為設(shè)計和開發(fā)高性能多功能復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域提供了更多可能。其在異質(zhì)功能結(jié)構(gòu)一體化成型、個性化定制、環(huán)保材料開發(fā)等方面都具有前瞻性，有望展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>