从“粉末冶金”进阶的粉末挤出打印-PEP 3D打印技术

| 3DScienceValley · 2022/08/09

粉末冶金制造技术借助节能节材、绿色环保和效率高、精度高等优势，被业界公认为是一种绿色、可持续的制造工艺技术。为推进粉末冶金技术更广泛的应用和发展,目前粉末注射成形（Powder Injection Molding,PIM）、3D打印技术等快速成形技术斩崭露头角，使得粉末冶金不断朝着高致密化、高性能化、集成化和低成本的方向持续升级。

升华三维基于“3D打印+粉末冶金”，推出了粉末挤出打印-PEP 3D打印技术，为金属与陶瓷复杂零部件生产带来创新性解决方案，并以数字化技术赋能粉末冶金技术的发展。升华三维分析了粉末冶金工艺的关键特点，粉末注射成形再创新的可能性，以及PEP 3D打印技术的原理与优势。本期，3D科学谷将对此进行分享。

粉末冶金工艺的关键特点

粉末冶金技术集制粉、成形、烧结等多重工艺于一身，具有低成本、高效率、少（无）污染等显著特点。

根据配方不同，粉末冶金零件的抗拉强度在170~1200MPa之间，相比传统零件制造工艺，具有如下特点：

某些特殊性能材料的唯一制造方法（目前有很多复合材料产品性能优异, 只能通过粉末冶金才能加工出来）
加工工艺流程短而简单，易于控制（机械加工十几道工序才能完成的产品在粉末金属工艺中，有时候几道工序就能实现）
零件接近最终尺寸，表面光洁的，减少后续加工成本
节约能源，原料利用率高, 加工效率高（相对传统机加工切削工艺，粉末冶金节能60%，材料利用率高达95%）
制品强度较低；流动性较差，形状受限制
压制成形的压强较高，制品尺寸较小
压模成本较高

为推进粉末冶金技术更广泛的应用和发展，目前粉末注射成形（Powder Injection Molding，PIM）、3D打印技术等快速成形技术斩崭露头角，使得粉末冶金不断朝着高致密化成、高性能化、集成化和低成本的方向持续升级。

粉末注射成形再创新

PIM是一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势。从用户端角度上看，产品的加工能力与成本效益会成为选择PIM的主要原因。
加工能力方面，PIM真正意义上实现了三维复杂零件的成形能力，能制造许多复杂形状的零件，如各种外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔和盲孔、凹台与键销、加强筋板、表面滚花等；由于材料在流动状态下，均匀填充模腔成形，模腔内各点压力一致，密度一致，可以获得组织结构均匀、力学性能优异的近净成形零部件；PIM还可以实现不同材料零部件的一体化制造，并且材料的适应性广，自动化程度高。

成本效益方面，对于很多金属材料体系，PIM粉末成本高，但是PIM方法不像传统机加工进行切削，因此节约的成本最好要能够弥补原材料成本上的差距。同时，PIM的成本效益通常适用于大批量生产，只有生产批量足够大时，才能分摊模具成本；反之，在生产批量较低时，PIM就失去了话语权。

升华三维粉末挤出打印-PEP工艺流程

为破除PIM过程中的限制与障碍，发展3D打印技术成为大势所趋。“3D打印+粉末冶金”相结合的金属/陶瓷间接3D打印技术—粉末挤出打印技术（Powder Extrusion printing，PEP），在国内由升华三维首推。

PEP 技术的基本工艺过程是：首先将金属/陶瓷粉末与有机粘结剂均匀混合造粒，然后经3D打印机成形后，将成形坯（生坯）中的粘结剂脱离，最后经烧结致密化，获得性能一致且优良的产品。

PEP解决方案的三大特征

PEP技术利用成熟的粉末冶金技术进行再创新，创新性地通过3D打印实现对材料的控制和成形，满足客户所需的金属/陶瓷零件的个性化定制。PEP方法通过无模具化的制备，节省了模具开发的制造和时间成本；拓展了高难度、高复杂性零件的加工能力，例如，实现纯铜随形冷却流道的设计制造，复杂结构碳化硅陶瓷的大尺寸、轻量化、一体化制备等；提供了较直接3D打印技术成形更优的精度，打印设备、材料性价比更高，更有利用3D打印应用的推广及普及。

由升华三维UPS-250设备打印加工完成的铜换热器模型（左图为生坯，右图为烧结件）。