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PEP工藝及獨立雙噴嘴系統(tǒng)概要
雙材料3D打印是一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種材料復合打印成型的先進制造技術,，可解決多材料復合打印的難題,。允許在單個部件中實現(xiàn)多種材料的集成,，從而制造出傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn),，且滿足不同功能和性能的復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,。為開發(fā)及生產(chǎn)特定具有改進性能的功能部件提供額外的可能性,。
PEP工藝是一種創(chuàng)新的金屬/陶瓷間接3D打印技術,，可以不再局限于某種單一材料制造,，釋放了3D打印技術的潛力，極大滿足了復合打印復雜產(chǎn)品的需求,。它將3D打印與粉末冶金相結(jié)合,，具有低溫成型、高溫成性的獨特特點,。其采用的顆粒材料熔融擠出成型方式,，在3D打印雙材料過程中起著關鍵的作用。基于PEP工藝開發(fā)的獨立雙噴嘴3D打印機,，發(fā)揮了獨立雙噴嘴擠出成型系統(tǒng)的優(yōu)勢,，可以同時打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷材料，能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料的復合打印,。
▲獨立雙噴嘴系統(tǒng)-支撐打印的生坯和燒結(jié)樣品 @升華三維
獨立雙噴嘴系統(tǒng)制備雙材料結(jié)構(gòu)的能力和挑戰(zhàn)
升華三維采用獨立雙噴嘴擠出系統(tǒng)的設計目的和最大功能之一,，就是進行兩種不同材料的打印。該系統(tǒng)可配合公司自主研發(fā)的切片軟件功能得以實現(xiàn)雙材料復合打印,，可在同一個模型上打印兩種不同材質(zhì)的材料,，賦予產(chǎn)品不同部分不同材料的功能及性能。獨立雙噴嘴功能充分釋放了產(chǎn)品設計師的創(chuàng)意思維,，滿足并實現(xiàn)以復合功能設計為導向的復雜產(chǎn)品設計構(gòu)想,。
雙噴嘴系統(tǒng)制備復合結(jié)構(gòu)的能力
設計靈活性：3D打印的層疊成型方式，允許設計師制造復雜的幾何形狀,，可提供更大的設計自由度,；
材料多樣性：PEP工藝可以適配多種金屬和陶瓷粉末材料，包括難熔金屬和高性能陶瓷,，這為制備具有不同物理和化學性質(zhì)的金屬陶瓷復合結(jié)構(gòu)提供了可能,；
復雜結(jié)構(gòu)制造：能發(fā)揮3D打印的高復雜度結(jié)構(gòu)成型和雙噴嘴獨立擠出材料的優(yōu)勢，可制備出傳統(tǒng)方法無法制造的復合材料+復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,；
一體化成型：能夠?qū)崿F(xiàn)雙材料結(jié)構(gòu)件的一體化成型,，避免了傳統(tǒng)工藝中多部件組裝帶來的問題，有助于提高雙材料結(jié)構(gòu)的整體性能和可靠性,；
快速開發(fā)生產(chǎn)：具有快速制備雙材料復雜結(jié)構(gòu)的能力,，能夠縮短制備周期，提高生產(chǎn)效率,，有助于加快產(chǎn)品的開發(fā)和商業(yè)化進程,。
▲獨立雙噴嘴系統(tǒng)不同打印模式的樣品 @升華三維
該系統(tǒng)在制備雙材料復合結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出顯著的潛力，但同時也面臨著一系列技術和工藝上的挑戰(zhàn),，制約著這一技術路線的發(fā)展,。需要通過深入研究和技術創(chuàng)新,，不斷優(yōu)化PEP工藝打印雙材料的實現(xiàn)能力，提高其制備復合結(jié)構(gòu)的能力和市場競爭力,。
雙噴嘴系統(tǒng)制備復合結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)
材料適配性：盡管PEP工藝能夠處理多種材料,，但不同材料之間的適配性仍是一個挑戰(zhàn)。需要深入研究不同材料在PEP工藝中的行為特性,，以確保它們能夠穩(wěn)定地結(jié)合在一起形成復合結(jié)構(gòu),；
擠出脹大效應：在擠出過程中，熱塑性材料可能會因為擠出脹大效應導致最終樣品尺寸比設定尺寸大,，這需要通過優(yōu)化打印工藝參數(shù)來控制,；
層間堆疊孔隙：打印過程中可能產(chǎn)生堆疊孔隙,，尤其是在同一層的相鄰打印線條,、上下相鄰兩層之間，需要通過優(yōu)化打印工藝來減少這些孔隙,；
后處理工藝：PEP工藝制備的復合結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過脫脂燒結(jié)處理后才能達到最終的應用要求,，后處理工藝的選擇和優(yōu)化對雙材料復合結(jié)構(gòu)的性能有重要影響，特別是在兩種燒結(jié)工藝差異較大的材料上,，可能需要結(jié)合特殊的材料設計和后處理技術,。
雙材料制備案例分析及應用方向
PEP技術能實現(xiàn)不同金屬／陶瓷材料間的復合打印，這意味著應用場景也得到了進一步的擴展,?；讵毩㈦p噴嘴系統(tǒng)，升華三維目前已開發(fā)有支撐打印,、支撐連接打印,、復合材料打印、不同部位指定材料打印,、鏡像打印,、復制打印等，為不同材料的復合結(jié)構(gòu)開發(fā)和應用提供支持,。可適用于科研教育,、航天航空、軍事國防,、生物醫(yī)療,、汽車制造、能源化工等領域的金屬/陶瓷多材料,、金屬/陶瓷復合材料及其產(chǎn)品的快速開發(fā)制造,。?
▲獨立雙噴嘴3D打印機支持的打印模式 @升華三維
雙層梯度硬質(zhì)合金制備
雙材料復合打印彌補了傳統(tǒng)單材料打印的缺陷，尤其在聚合物基梯度功能結(jié)構(gòu)制備中具有獨特優(yōu)勢,。今年10月,，中南大學粉末冶金國家重點實驗室與株洲金韋硬質(zhì)合金有限公司科研團隊,，在3D打印梯度硬質(zhì)合金在PDC襯底的應用研究中，采用間接3D打印工藝制備無η相高韌性滲碳梯度硬質(zhì)合金(FGCCs),。本研究采用PEP工藝的獨立雙噴嘴3D打印機預置了僅外層貧碳的雙層硬質(zhì)合金生坯,，通過預燒結(jié)滲碳制備了三組新型 FGCCs。為高性能PDC襯底雙材料增材制造提供了解決思路,。該研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《Ceramics International》上,。
▲雙層硬質(zhì)合金3D打印模型示意圖 @Ceramics International
▲燒結(jié)與滲碳樣品宏觀形貌與金相圖 @Ceramics International
93W和96W梯度功能材料制備
而在鎢合金材料開發(fā)領域，一高校與升華三維的聯(lián)合項目中,，也采用雙噴嘴系統(tǒng)實現(xiàn)了難熔金屬93鎢合金和96鎢合金的雙材料打印,，打出來的成品界面處無缺陷，γ相分布較為均勻,。在航空航天,、核能、太陽能,、生物工程植入等領域具有極大的應用價值,。
▲93W和96W梯度材料 @升華三維
金屬雙材料填充打印
金屬雙材料打印案例中，還有采用兩種不同成分不銹鋼材料進行復合打印的,，用于認證《金屬雙材料復合結(jié)構(gòu)不同性能變化對功能件影響》研究的可行性,。該案例利用了PEP工藝切片軟件的晶格填充功能自動生成晶格骨架，再使用獨立雙噴嘴系統(tǒng)分別擠出骨架和晶格空隙填充材料,，從而實現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)的制備,。因兩種材料成分接近，可使得兩者能在優(yōu)化后的同一套后處理工藝上實現(xiàn)燒結(jié),，最終獲得了雙材料結(jié)合致密,，且冶金性能優(yōu)異的樣品。
▲不同成分不銹網(wǎng)材料復合打印 @升華三維
銅與陶瓷材料復合打印
此外,，在材料差異較大的應用中,，以銅線圈&陶瓷絕緣線圈為例，此部件為電動馬達領域的產(chǎn)品,，同時由銅線圈和陶瓷隔離層組成,。銅線圈能夠與鐵或鐵合金組合產(chǎn)生磁場，使用陶瓷材料使銅導線與鐵及鐵合金部件絕緣,。該案例利用了升華三維3D打印設備的獨立雙噴嘴系統(tǒng),，同步解決了銅及陶瓷結(jié)構(gòu)件的復合成型和導電絕緣的難題。而打印好的生坯經(jīng)過脫脂燒結(jié)等一系列工藝處理后,，可得到最終的成品件,。
▲銅線圈&陶瓷絕緣線圈 @升華三維
PEP雙材料復合打印作為增材制造技術中的一種獨特體現(xiàn)方式，為設計和開發(fā)高性能多功能復合材料和復合結(jié)構(gòu)領域提供了更多可能。其在異質(zhì)功能結(jié)構(gòu)一體化成型,、個性化定制,、環(huán)保材料開發(fā)等方面都具有前瞻性，有望展現(xiàn)出廣闊的應用前景和市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>
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