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国产金属FDM打印系统,打破国外技术垄断,开始走向市场
2019-01-08 17:13:54   发布者:System

金属FDM技术似乎具有比较高的门槛,在业内人员的印象中,FDM即输出丝材,而金属丝材印象里似乎无法挤出成型。此前,金属桌面打印技术被美国Markforged以及Desktop Metal两家公司所独有,但由于供应能力和应用所限,真正交付客户使用的设备非常少。这给了国内金属桌面打印技术发展的空间。

国产升华金属FDM打印机及其产品

当前国内至少有两家公司正在研发或者已经研发出金属桌面打印技术,他们都为国内技术的发展做出了贡献。本期的主角是一支叫做升华的团队,他们具备深厚的专业知识和显著的技术特色。接下来笔者将对他们的研发团队、技术形式、产品性能等给予详细分析。

研发团队

深圳升华三维科技有限公司,核心成员均来自中南大学粉末冶金研究院,材料届皆知,它是粉末冶金界的“黄埔军校”、国内最为知名的粉末冶金机构。而黄伯云院士曾担任粉末冶金研究院的院长。

技术方案

当前国内外金属桌面打印技术,均是基于烧结的3D打印成形和粉末冶金的间接解决方案。3D打印首先完成具有一定强度的高精度生坯制备,后续通过脱脂、烧结等粉末冶金工艺获得性能一致的产品。

在打印过程中,升华团队将金属粉末与高分子粘结剂以一定比例混合均匀,通过恒压挤出进入喷嘴,高分子材料在喷嘴中加热熔化粘结金属粉末并挤出成型。

我们将该团队包含打印、脱脂和烧结的工艺称为P-MEM工艺,并与Markforged以及Desktop Metal放在并列的位置进行比较:P-MEM工艺使用的材料为金属粉与粘结剂的混合粉材;Markforged将两者做成了丝材;Desktop Metal将其做成了棒材。简言之,三家技术形式一致,材料组成一致,材料形式不一致。笔者认为,混合粉材对设备的适应性和拓展性更强。

技术特点

P-MEM技术利用了已发展超过30年、早已大规模应用的粉末注射成形技术(MIM),它使用3D打印机来替换需要模具的注射成形设备,通过3D打印直接实现零件成形;同时借助粉末注射成形技术在材料开发和脱脂烧结阶段成熟稳定的技术体系,最终实现高质量金属部件的输出。

与SLM、LENS技术相比,这种间接成型的工艺系统组成包含打印机、脱脂机和烧结炉,然而设备总成本更低,材料体系更广泛、适应性更宽,产品性能的一致性也更好。

上文笔者提到,基于混合粉材的P-MEM工艺设备拓展性较强,主要在于成型材料的广泛性。凡是可进行烧结的粉体材料,从不锈钢、模具钢、高温合金、钛合金、难熔金属等金属材料到氧化锆、氧化铝、碳化硅等陶瓷材料,均可实现成型。

当前,该团队已经实现17-4PH、304、316L不锈钢系列,钛及钛合金,以及ZrO2陶瓷的稳定成型和烧结;而模具钢、氧化铝、碳化硅、氮化硅等材料正处于工艺测试阶段。

技术门槛

基于烧结的金属(陶瓷)FDM技术,挤出工艺不难,难在打通材料(配方)、打印、脱脂、烧结整个工艺链,哪个环节有问题、技术没有解决,都要从头再来。同时不同的材料,它们的整个工艺体系及参数都不一样,这需要大量的实验数据积累。

产品性能

这是笔者第一次看到基于烧结工艺的金属桌面打印制件性能数据,可以看出零件性能高于传统铸件,略低于SLM,能够满足大多数应用需求。升华团队针对其它材料的数据正在检测中。

从升华团队提供的产品表面粗糙度Ra检测数据得知,在最佳打印层厚时,生坯的表面粗糙度为5μm,烧结后的产品表面粗糙度为2-4μm。如此小的表面粗糙度,使得烧结后的产品进行粗略抛光后即可得到镜面效果,减少了后处理的麻烦。

在陶瓷打印方面,采用升华团队研发的桌面打印机,更换材料及喷头之后即可打印陶瓷产品。同样的,成型材料使用陶瓷粉末和粘结剂混合而成。下图是采用打印并烧结完成的氧化锆陶瓷产品,孔隙最小尺寸可控制在50um。

打印系统介绍

UP-R200正是深圳升华三维科技有限公司自主研发的采用P-MEM技术的3D打印机,配套金属3D打印专用脱脂炉和烧结炉,构成一套完整的金属间接3D打印技术解决方案;配套陶瓷排胶炉和高温烧结炉,则构成一套完整的陶瓷间接3D打印技术解决方案。UP-R200型3D打印机,操作方便简洁,主要面对高职院校、科研院所和粉末冶金领域的客户,适用于金属或陶瓷间接3D打印技术开发、材料开发和产品快速原型制造。

金属FDM技术的优势

金属桌面打印系统改变了以往金属打印和传统制造的规则,是一种先进的创新解决方案。该技术可以降低成本,显著提高速度、安全性和打印质量。同时,它也是一款适用于快速原型制作的办公友好型金属3D打印系统,比现有激光金属打印技术便宜5倍以上(仅打印机),拥有完整的工作平台,可制作形状复杂和各向同性的金属零部件。

与现有的SLM技术相比,金属FDM技术包含以下优势:

● 无需昂贵的工业设施确保安全运行:该工艺几乎不会造成粉尘污染,也不需要激光和线切割工具。仅需使用配备的材料和工艺即可制作高精度可重复的部件,其安全性更接近于传统的塑料FDM技术。

● 使金属打印变得简单:提供专用切片软件,简化整个工作流程,使工程师可以直接从计算机辅助设计(CAD)软件转到打印部件。同时,减少了对支撑设计和工程经验的需求,轻松移除支撑结构。

● 提高原型设计的多功能性:旨在支持数百种用于批量生产的零件和原型制造材料。

背后故事

对于美国Desktop Metal公司,升华团队一直对其保持好奇,究竟什么样的技术可以直接冠名“金属桌面”3D打印? 2017年4月,美国Desktop Metal公司公布其技术及工艺特征,终于揭开其神秘面纱,恰好与升华团队的技术路线一致!升华团队在深感震惊的同时,也有一分庆幸,一分自豪。这说明了在原创性技术创新上,国内并不落后于国外,他们对金属3D打印技术发展的思路和方向是正确的,同时也更坚定了走这条路的决心。

市场竞争

目前国内外越来越多的公司和团队加入这种间接3D打印技术的开发和应用,技术路线看似简单明了,但却有着并不容易解决的技术难题。可以预见的是,2019年这种快速原型设备的市场竞争将会日益激烈。面对日新月异的3D打印新技术的涌现,如何在新技术的洪流中徐徐前行,值得每个公司去思考。

升华团队认为在保证产品质量的前提下,一个公司的技术储备及科研实力,更大程度上决定了一个公司能走多远。而他们从设备、材料到软硬件及前后端均积累了足够的技术和经验,已经走在了技术发展的前列。

点评

在国内3D打印当下的发展阶段,不少企业消亡和兴起此起彼伏,很多人会无视一个从未听说过名字的企业。而恰恰有那么一些怀揣真才实学,有着深厚技术积累的团队,在技术尚未发生深刻变革之前,砥砺前行,补足国内发展的欠缺。

就笔者与升华团队的接触来看,他们恰恰是这样一支怀揣梦想、有专业知识和技术积累的年轻团队。他们开发的产品不是空壳子,也不是花样版,真正实现了质量保证,这为国内相关技术的发展开辟了一条道路,相信他们一定能从容应对2019年的市场竞争。


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