難熔金屬的“香餑餑”——升華三維使用PEP 3D打印技術制備鎢基金屬產品

來源：升華三維

鎢基金屬材料，包括鎢、鎢合金和鎢基金屬基復合材料，作為難熔金屬的一種，其快速原型制造一直屬于極具挑戰(zhàn)性的工作�；�于高端應用領域需求的高品質，傳統(tǒng)制造工藝日益展現(xiàn)出不同的弊端，如較高的孔隙率、熔化不足、微觀組織相關的韌脆轉變等，而3D打印作為智能制造的關鍵性技術，正以一種推動實現(xiàn)產品生產方式變革的新路徑成為市場認可的 “香餑餑”。由于其整體材料經濟性、制造過程和打印結構的自由度、跨尺度材料構建的便捷性等特點，日益受到學術界研究和工業(yè)界應用的青睞，也日益成為了重要的先進制造手段。

傳統(tǒng)制造技術制備鎢基金屬產品——無法滿足要求
鎢及鎢合金屬于典型的高熔點難熔金屬，超高的密度、硬度、光澤度和質感，耐腐蝕性、延展性及導熱性好，電性能優(yōu)良，抗拉強度高，低熱膨脹，吸收射線能力強，被廣泛應用于醫(yī)療器械、國防軍工、航空航天、電子信息、能源、化工冶金、核工業(yè)等諸多領域。

△鎢合金穿甲彈（來源：網絡）

近年隨著醫(yī)療器械、國防軍工和航空航天等領域的快速發(fā)展，對鎢材零部件結構提出更高要求，如具有薄壁、曲面、彎曲管道、孔和槽等特征，利用傳統(tǒng)制造技術制備鎢基金屬產品，主要存在以下問題：1、由于較高的熔點和低溫脆性，一般的鑄造和機加工方法無法制備鎢或鎢合金材；2、即使采用粉末冶金方法，所得常規(guī)燒結態(tài)的鎢材存在密度低、強度低、塑性差以及雜質含量難以控制等缺點；3、鎢材零部件的結構有薄壁、曲面、孔、槽以及彎曲管道等特征，采用粉末冶金方法難以實現(xiàn)成形。

PEP 3D打印技術制備鎢基金屬產品——滿足實際應用需求
為解決上述問題，升華三維的“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬·陶瓷間接3D打印技術——粉末擠出打印技術（PEP），打破了傳統(tǒng)的制造模式，能夠在無模具的情況下將鎢基金屬材料成型，然后再結合傳統(tǒng)的脫脂燒結等工藝進行后處理，獲得最終的強度。這樣通過低溫段成形，高溫段成性，可以確保產品性能的一致性，從而獲得滿足實際應用需求的產品。

△粉末擠出打印技術（PEP）

該技術的優(yōu)勢主要有：
1、無需開模，操作簡單，敏捷成形；
2、為產品功能而設計優(yōu)化，實現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝無法實現(xiàn)的幾何形狀；
3、成本降低90%，效率提升10~100倍，制造周期大幅縮減；
4、3D打印成形+粉末冶金燒結，獲得產品性能一致且優(yōu)良；
5、材料可循環(huán)利用；
6、可利用粉末注射成形成熟穩(wěn)定的技術及材料體系，滿足工業(yè)化生產需求；
7、批量化燒結處理，可規(guī)�；�制造。

推薦鎢基金屬產品的制備方案
UPS-556 3D打印機 & 鎢合金顆粒料（UPGM-96WNIFE）

大尺寸獨立雙噴嘴3D打印機UPS-556
設備特點

• 成形尺寸：500mm×500mm×600mm
• 可基于PIM的材料進行二次開發(fā)及適配，材料可循環(huán)利用
• 負壓吸附成型平臺，安裝拆卸十分便捷
• 自動進料功能，可實現(xiàn)無人看守長時間打印
• 噴嘴自動擦拭功能，緩解噴嘴粘料現(xiàn)象
• 內置熱風控制系統(tǒng)，保證腔室內恒溫環(huán)境
  

鎢合金顆粒料 UPGM-96WNIFE
UPGM-96WNIFE是一種金屬聚合物復合材料，呈灰色，粒徑在8-14目的近球形顆粒，可用于生產鎢合金的金屬部件。通過升華三維3D打印機逐層快速打印出你預設的模型生坯，然后經過脫脂和燒結工藝，得到最終致密的金屬部件。

△升華三維鎢合金燒結件力學性能

鎢材應用案例
材料、設備、工藝三位一體整合
升華三維通過對金屬3D打印設備的升級、打印材料配方以及對鎢材3D打印工藝的系統(tǒng)性研究，已掌握鎢材的金屬3D打印能力。打印好的鎢合金部件具有超高的密度、硬度，良好的光澤度和質感，延展性及導熱性好，電性能優(yōu)良，抗拉強度高，吸收射線能力強。

△鎢合金樣品展示（樣品來源：升華三維）

在鎢基金屬產品的3D打印過程中，材料、設備和工藝是影響最終質量的三個基本要素，圍繞這些要素，升華三維通過與材料供應商、科研院所、下游用戶等多方聯(lián)合進行新材料和針對性工藝的開發(fā)以及設備的升級迭代。例如針對高比重鎢合金材料的開發(fā)，升華三維聯(lián)合天津大學團隊采用UPS-556開發(fā)了合適的打印工藝，成功制備了高密度99.1±0.2%（見下表），拉伸強度801MPa，延伸率為22.1%（見下圖），沒有缺陷的高比重鎢合金（96W-2.7Ni-1.3Fe）。熱處理后，性能進一步提高拉伸強度為838MPa，延伸率達到26.1%。

△不同燒結條件下的硬度和相對密度表

△熱處理前后拉伸曲線圖

對于難熔金屬材料而言，PEP技術是一種創(chuàng)新性的3D打印方法。未來醫(yī)療器械、國防軍工和航空航天等領域的需求發(fā)展可能對含鎢超級合金和高比重鎢合金有利，預計到2029年，鎢在超級合金中的消費量年增長率將達到8%。PEP技術的應用，不僅可以解決鎢材傳統(tǒng)制造技術難以解決的復雜結構零件的加工制造問題，還能為解決我國航空航天、汽車、船舶、能源、化工、醫(yī)療等廣大制造業(yè)領域的復雜結構件減重設計及制造問題提供一種新的解決途徑。