用廉價陶泥機(jī)3D打印金屬？長沙團(tuán)隊首創(chuàng)DDM“間接金屬3D打印”技術(shù)

前不久，南極熊發(fā)布了一篇文章 ““間接”金屬3D打印新流派，會對“直接”造成什么沖擊？”，盤點(diǎn)了兩大技術(shù)流派，并對各流派的代表性公司進(jìn)行了對比分析。可見，“間接金屬3D打印”技術(shù)已經(jīng)越來越成熟并占有重要地位。

2019年4月10日，南極熊獲悉，長沙墨科瑞團(tuán)隊探索出一種新型“間接金屬3D打印”技術(shù)，他們研發(fā)出了一種特殊的“金屬漿料”，使用非常廉價的陶泥3D打印機(jī)，即可完成金屬零件的3D打印。由于打印過程無須加熱，該模式可以被稱為DDM( Direct Deposition Modeling )技術(shù)。

△DDM技術(shù)3D打印金屬零件

△長沙墨科瑞團(tuán)隊在使用陶泥機(jī)3D打印金屬件

從汽車金屬零部件到飛機(jī)發(fā)動機(jī)等航空航天組件，金屬3D打印帶給人們無盡的想象空間，代表著未來智能制造真正的發(fā)展方向。

目前可用于直接制造金屬功能零件的快速成型方法主要有：包括選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS）技術(shù)、直接金屬粉末激光燒結(jié)(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技術(shù)、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技術(shù)和電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Selective Melting, EBSM）技術(shù)等。業(yè)內(nèi)將這些技術(shù)稱為“直接金屬3D打印技術(shù)”。這些技術(shù)都涉及到昂貴的激光或電子束等高能設(shè)備，使用和維護(hù)成本都比較高；另外，低下的打印效率也常常受到業(yè)內(nèi)人士的詬病。

△直接金屬3D打印技術(shù)成本昂貴

目前，在全球范圍內(nèi)興起了一股“間接金屬3D打印技術(shù)”的研發(fā)熱潮。利用成熟的金屬注射成形（MIM）、粘合劑噴射、FDM熔融擠出技術(shù)以及這些技術(shù)的組合，來完成金屬零部件的最終成型。相較于激光或電子束設(shè)備，“間接金屬3D打印技術(shù)”所采用的設(shè)備則要“廉價”的多，打印速度可以提高到百倍以上，顯示出一定的競爭優(yōu)勢。擁有間接打印核心技術(shù)的一些公司受到了資本市場的廣泛關(guān)注，風(fēng)光無限；例如Markforged、Desktop Metal等公司都已經(jīng)獲得多達(dá)10多億美金的大額融資。

△Markforged公司的間接金屬3D打印技術(shù)

冷靜下來分析，大家發(fā)現(xiàn)，大多所謂的“間接金屬3D打印技術(shù)”都是某種“變形”的FDM+MIM技術(shù)組合。所使用的材料可以為絲狀或者顆粒狀，都是由包覆塑料高分子的金屬粉末組成。首先利用FDM技術(shù)將這些絲狀或者顆粒狀材料加熱熔化、擠出、冷卻成型，形成“綠胚”；然后利用特殊的設(shè)備脫膠，以除掉“綠胚”中的塑料高分子；最后進(jìn)行高溫?zé)�結(jié)，以形成最終的金屬零部件。由于“綠胚”中含有較高比例的塑料高分子，后續(xù)的高溫?zé)�結(jié)會產(chǎn)生較大比例的收縮（大于17%）；另外，還有更加難處理的非對稱收縮難題。粘合劑噴射技術(shù)同樣存在上述問題，金屬零部件的燒結(jié)密度也要小于FDM+MIM技術(shù)組合方案，該技術(shù)現(xiàn)在已處于技術(shù)邊緣位置。

在陶泥3D打印領(lǐng)域，借鑒于FDM模式，最近幾年已開發(fā)出比較精密的陶泥3D打印設(shè)備；普通陶泥（瓷泥）可以直接打印成型。由于無須加熱，該模式可以被稱為DDM( Direct Deposition Modeling )或NTDM( Normal Temperature Deposition Modeling )技術(shù)。

長沙墨科瑞團(tuán)隊另辟蹊徑，研發(fā)出了一種特殊的“金屬粘土”，在“間接金屬3D打印”領(lǐng)域首創(chuàng)出了DDM新技術(shù)。“金屬粘土”由特殊成分組合的金屬粉末與特種高分子粘結(jié)劑混合而成，外觀與普通陶泥相似，能夠塑形和雕刻。墨科瑞團(tuán)隊采用普通廉價的陶泥3D打印機(jī)將這種“金屬粘土”打印形成“綠胚”，無須加熱。

△長沙墨科瑞團(tuán)隊用來打印金屬零件所使用的陶泥3D打印機(jī)

△ 打印過程

這種“金屬粘土”新材料（灰色）的打印精度超過了普通陶泥（瓷泥）（白色）。

“綠胚”無須脫膠處理，可以直接放入特殊的真空爐進(jìn)行燒結(jié)，最終變成致密的幾無空隙的金屬成品。

△燒結(jié)后得到的金屬零件

利用DDM模式生產(chǎn)的金屬成品除了高強(qiáng)度之外，還可以具有超級耐腐蝕性能（可以達(dá)到不銹鋼的2-5倍）；通過調(diào)整配方，可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的超級耐磨件（比如，可以生產(chǎn)硬度HRC62左右的金屬陶瓷耐磨件）。這些高附加值性能是現(xiàn)有的“間接金屬3D打印技術(shù)”無法達(dá)到的，具有很強(qiáng)的競爭力。

在南極熊看來，這項新技術(shù)的核心在于金屬漿料的配置，設(shè)備方面使用非常廉價的陶泥3D打印機(jī)即可完成成型，大大降低了制造成本。然而在金屬零件尺寸精度、燒結(jié)收縮情況、金屬件組分等方面，長沙墨科瑞團(tuán)隊仍然有不少工作需要去做。

長沙墨科瑞團(tuán)隊初創(chuàng)于2019年1月，該團(tuán)隊致力于新型的3D打印材料、設(shè)備和工藝的研發(fā)。李昕是該團(tuán)隊負(fù)責(zé)人，畢業(yè)于中國科學(xué)院金屬研究所。具李昕介紹，團(tuán)隊研發(fā)的新型“金屬粘土”，可以解決燒結(jié)收縮和非對稱變形難題；這種新型的DDM技術(shù)模式可以發(fā)展出激光（電子束）打印路徑之外的完全嶄新的“間接功能性金屬3D打印技術(shù)”，大家拭目以待吧！

墨科瑞團(tuán)隊目前正在進(jìn)行相關(guān)材料性能測試和燒結(jié)機(jī)理分析。