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破解金属3D打印效率与成本瓶颈,这家企业瞄准半导体、新能源的制造

频道:3D打印企业 日期: 浏览:



     有外媒报道苹果公司正尝试采用3D打印的方式生产其智能手表的钢制底盘,这一消息引起了3D打印界的震动。这意味着,批量化3D打印金属的技术成熟度又迈进了一步。不过,从3D打印提出至今,制造成本和效率等瓶颈问题,仍然悬而未解。尤其是面向工业应用的增材制造,其客户群的开拓更是停留在对成本更不敏感的航空航天、军工、医疗等高端装备的领域。如何让3D打印进入更广泛的国计民生领域,是现在亟待解决的难题。
      在工业化应用上,当前主要以PBF(粉末床熔合)式激光直接金属3D打印为主,可生产直接使用的最终功能件。在庞大的3D打印队伍中,升华三维却是另辟蹊径,发展3D打印结合传统粉末冶金工艺的间接3D打印技术,以缩短产品生产周期、降低生产成本、提高产品性能和生产效率。
在联合创始人刘业看来,升华三维的这条路线,是实现批量化金属、陶瓷3D打印的优异选择。

01.开辟与传统制造强耦合的3D打印技术
      升华三维对于间接3D打印技术的提出,源于刘业及其另一位创始人吴敏对于粉末冶金专业知识的深度理解。在走出象牙塔之前,刘业与吴敏是中南大学粉末冶金研究院的同学。2013年,二人毕业后,吴敏进入了富士康,接触到了3D打印;而刘业先后进入厦门钨业和信维通信持续深耕粉末冶金的模压与注射成型技术。此时,国际上的金属3D打印已经进入初步发展阶段,Wohlers Associates的报告显示,2013年共有348台金属3D打印机被售出,较上年增幅达到了惊人的75.8%。

初次接触到金属3D打印的吴敏深受触动,对其展开了深入的探索。相对于传统制造技术,金属3D打印可以通过软件快速构建金属零部件,所需时间仅为数小时。但是,这工艺十分昂贵,通常在航空航天领域用来制作金属部件的原型。
      金属3D打印的昂贵体现在设备、材料和打印时间等三个方面。在设备方面,金属3D打印设备中有一项直接金属激光烧结技术,即采用强大的高能激光束金属粉末使其逐层烧结成固体零件。

刘业回忆道,由于激光器的存在,一台打印常规尺寸的打印设备就需要200多万元。据了解,当时只有空客、通用电气,和Lima Corporate等采用金属3D打印的方式来为下一代航空航天和医疗产品制备复杂的金属零件。




此外,由于当时的金属打印方式是从坯体打印到固化一体成型,打印的成本十分高昂,“打1个产品的单价和打100个产品的单价并没有区别,批量化并没有优势。”刘业对新材料在线®表示。

打印的耗材问题也成为另一道门槛,SLM打印技术采用的是铺粉打印成型技术,要求粉体颗粒含氧量低、球形度高、分散性和流动性好、粒径分布窄等,并且对所需颗粒尺寸也提出严格要求。

基于粉末冶金专业的知识背景,吴敏敏感地认定,金属3D打印将会是粉末冶金的补充技术,通过自己的专业知识与现有的3D打印技术结合,或许能将金属3D打印的成本打下来。

于是吴敏联系到老同学刘业,一起探索破局之道。

经过对SLM打印路线的研究,刘业发现,其原理在于通过高能激光将金属粉末粘接起来,由点到线到面,形成致密化,从粉末到成品一步到位。二人思考,能否以高分子材料替代高能激光,先将金属粉末粘结起来打印出坯体,然后再以自己熟悉的粉末冶金方式进行烧结呢?

3D打印分金属3D打印和非金属3D打印,当时FDM等高分子3D打印路线已经较为成熟,二人提出高分子粘接金属粉末打印出坯体的灵感正是来自于高分子3D打印的原理。



“这意味着,只需改装一台简单的FDM打印设备,我们就可以实现金属的3D打印。”刘业兴奋地表示。因此二人决定绕开主流SLM路线采用高能激光一体成型的路线,创新性地提出了粉末挤出3D打印技术(PEP)。

“国内间接3D打印思路是由升华三维首先提出来的, PEP将3D打印中的制备过程分为打印和后处理。3D打印更像是粉末冶金环节中的一个生产环节,主要负责将金属粉末跟粘合剂融合的原料逐层打印成形的生坯。真正考验产品性能的关键在于后续的处理也就是粉末冶金环节。”

刘业对新材料在线®表示,间接3D打印技术路线,是一个跨学科的创新,各工艺流程之间是一个强耦合的关系。

02
设备与生产成本都得到控制

2015年,刘业二人决定将想法付诸实践。

由于PEP避开了昂贵的高能激光器,采购设备的价格一下子就降了下来。刘业对新材料在线®介绍道,PEP打印原理与打印高分子材料的FDM技术类似,区别其中一个重要差异就在于挤出系统的设计,FDM只能打印高分子材料。

团队基于FDM技术的挤出思路重新设计成可以打印颗粒料的进料装置,这样一来就可以在更简单的打印机中实现复杂金属结构件打印。

装备搭建好后,需要匹配打印材料。在诸多金属材料中,不锈钢在金属注射成型领域是一个十分成熟的材料体系,生产配套可以轻松拉通,“当时我们还没有烧结炉,选择不锈钢材料的话,只需打印出坯体,可以很容易找到朋友帮忙烧结。”

于是,团队选择了不锈钢作为第一个打印的金属材料。“第一个产品打印的是螺杆,我和吴敏两人在打印现场蹲了一天一夜,幸运的是成功地打印出来了。”刘业兴奋地回忆道,坯体打印出来后,托人帮忙脱脂烧结,第一个产品成功出炉。

作为间接的3D打印技术,相较于打印与固化一体成型的SLM技术,PEP可以通过布局矩阵式的打印,批量打出坯体后,进行批量脱脂烧结,“烧结炉可以很大,像烧砖头的窑炉一样,可以一次性完成大量烧结。”这意味着,更低成本的批量化的金属3D打印技术路线走通了。

“采用直接3D打印成型的方式,打印1个产品和打印100个产品,单个产品的成本没有变化,而采用间接3D打印成型,打印的量越多,成本越低。”

随着后续反复修改配方和调整工艺,打印件的质量也越来越理想,逐步接近粉末冶金工艺的水平,这让刘业和吴敏愈发憧憬起来。

不过,兴奋的心情没持续多久,二人便被现实浇了一盆冷水。他们发现这一技术在业界和投资人面前推广的时候,因为概念过于陌生,并未受到欢迎。

正在心灰意冷时,2017年5月,事情便迎来转机。

原来,国外一家由麻省理工学院教授组建的Desktop Metal公司,也推出了间接金属3D打印的方法,并拿到了福特、宝马等公司的投资,成为当时3D打印界最大黑马。Desktop Metal被国内专业媒体报道后,升华三维团队发现,他们推出的新型打印技术与自己的技术有着异曲同工之处。

“新闻出来后,发现我们并不孤单,而且我们做得比他们更快。”这点燃了团队新的希望。有了国外案例的“背书”,2017年6月,团队顺利地拿到了投资机构的资金,于此同时,升华三维也成立了。

随着升华三维如火如荼的发展,吸引了更多优秀人才的加入。PEP技术也逐渐成熟,成功引入了新的合伙人新兰威尔士大学大学材料学博士熊心润女士,带来了国际视野和先进的研发管理经验,为升华三维的前进方向增添了国际化色彩和全新的动力引擎。

这个时候,不少同行也闻风而至,不过很快又就败阵收场。“PEP技术是需要产业耦合的,不仅是研发装备这么简单,还需要配套材料以及粉末冶金工艺方法。”刘业颇为自豪的表示,这成为了升华三维间接金属3D打印的一道技术门槛。

03
开辟应用领域更加灵活

在成功实现金属3D打印降本增效后,升华三维的下一步棋局又该如何走?

当前国内从事金属3D打印的企业中,如铂力特、华曙高科等上市企业采用的是SLM的路线,并且服务的大客户仍旧是军工、航空航天、医疗等高端领域的客户。

而同样走间接金属3D打印路线的Desktop Metal,仅在汽车领域,就已经拿到福特汽车的零部件订单和宝马的动力总成部件订单。

“只靠资本推动的话,活下去都成问题。”升华三维决定找到出路。

升华三维也曾尝试找国内的汽车客户,但是发现同样的技术,在国内却难以推动。刘业分析认为存在几大因素:一是如今燃油汽车正在往新能源汽车领域发展,面临巨大的竞争压力,无暇采用新技术;二是燃油汽车的零部件工艺已经十分成熟,成本已经到达极限,采用新技术反而增加制造成本。

幸运的是,基于PEP技术,升华三维在应用的探索上可采用更加灵活的策略。

“PEP技术呈现‘两头宽’的形态,3D打印部分是中间最小的环节,一头是材料体系,具有广泛的适配性,另一头则是烧结,也可以适配宽泛的烧结设备和工艺。”



凭借材料方面的广泛适配性,升华三维决定以材料作为核心维度,切入应用场景。升华三维开发出难熔合金材料体系,“SLM难以打印难熔合金等材料,这是PEP的优势,可以借此拉开差异化。”刘业表示。

以高比重钨合金3D打印为例。因钨硬度和极高的熔点,使其成为难以攻克的3D打印材料;基于PEP工艺低温成形,高温成性的优势,很好地解决了钨材料加工中极易出现的变形、裂痕、夹心等缺陷。在满足复杂结构、提升强度、耐用性和节省成本等多方面的需求的同时,获得优异的均匀性、力学性能、热学性能。

除了难熔金属,碳化硅、氮化硅等陶瓷也可以采用PEP技术。而碳化硅作为特种陶瓷,被广泛应用于航空航天、半导体、新能源等各种先进制造领域。

如在晶圆制造的过程中,普遍使用的石英晶圆载具,因其生产工艺和石英材料特性,使用寿命仅为3-6个月;而碳化硅晶圆载具代替石英,使用寿命可达5年以上,“现在碳化硅晶圆载具大部分依赖海外进口,价格昂贵,而且交期至少需要6个月。”

但由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性强、高温烧结变形大、烧结后难以加工等特点,较难使用有模成型技术实现大尺寸、复杂结构的碳化硅产品制造。

通过PEP技术,升华三维正展开一场传统工业领域的革新探索。

04
推动3D打印与传统制造的融合发展

身怀更加先进的金属3D打印技术,面向传统工业领域的革新探索,升华三维构建起更加长远的目标。

不过打铁还需自身硬,当前升华三维已经建成了完整的金属/陶瓷间接3D打印前后处理工艺,覆盖材料开发、打印材料、密炼造粒机、3D打印机、脱脂烧结炉等全工艺链设备,并形成高性能的间接3D打印整体解决方案。

“以打印机为载体,以材料为核心,升华三维可以面向不同的应用领域。”刘业进一步介绍道,“PEP技术现已完成了工艺体系的积累。比如材料配方开发已经形成了数据库,基于数据库开发其他成型方式的材料更加容易,周期会更短。”

2024年,升华三维定下了新的目标,“在打印设备方面,继续精研核心PEP技术,推出可实现梯度结构材料打印的3D打印设备,以满足高校科研院所及企业客户在复合材料、功能梯度材料及产品开发上的需求;同时,针对钨合金、纯铜、硬质合金、碳化硅、氮化硅、等特种材料,也将进行应用市场的进一步探索。”

由创新到创造,升华三维的目光也紧盯着促进3D打印技术的应用普及。“升华三维将继续守正创新,形成集设备生产、材料开发、产品制造及打印服务为一体的全方位布局。勇拓应用边界,加速传统制造的智能化升级,为推进增材制造行业高质量发展创造更多的价值。”

个人介绍:

刘业,深圳升华三维科技有限公司联合创始人,粉末挤出3D打印(PEP)技术发明人之一,累积申请专利80余项。中南大学粉末冶金研究院材料学博士、中南大学深圳校友会理事、深圳市工信局产业高质量发展智库专家、深圳市国家高技术产业创新中心专家、深圳市光明区智能制造协会理事。


关键词:金属3D打印

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