破解金屬3D打印效率與成本瓶頸,，這家企業(yè)瞄準(zhǔn)半導(dǎo)體、新能源的制造

來源：新材料在線

有外媒報(bào)道蘋果公司正嘗試采用3D打印的方式生產(chǎn)其智能手表的鋼制底盤,，這一消息引起了3D打印界的震動(dòng),。這意味著，批量化3D打印金屬的技術(shù)成熟度又邁進(jìn)了一步,。

不過,，從3D打印提出至今，制造成本和效率等瓶頸問題,，仍然懸而未解。尤其是面向工業(yè)應(yīng)用的增材制造,，其客戶群的開拓更是停留在對成本更不敏感的航空航天,、軍工、醫(yī)療等高端裝備的領(lǐng)域,。如何讓3D打印進(jìn)入更廣泛的國計(jì)民生領(lǐng)域,，是現(xiàn)在亟待解決的難題。

在工業(yè)化應(yīng)用上,，當(dāng)前主要以PBF（粉末床熔合）式激光直接金屬3D打印為主,，可生產(chǎn)直接使用的最終功能件。在龐大的3D打印隊(duì)伍中,，升華三維卻是另辟蹊徑,，發(fā)展3D打印結(jié)合傳統(tǒng)粉末冶金工藝的間接3D打印技術(shù)，以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期,、降低生產(chǎn)成本,、提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率。

在聯(lián)合創(chuàng)始人劉業(yè)看來,，升華三維的這條路線,，是實(shí)現(xiàn)批量化金屬、陶瓷3D打印的優(yōu)異選擇,。

01
開辟與傳統(tǒng)制造強(qiáng)耦合的3D打印技術(shù)

升華三維對于間接3D打印技術(shù)的提出,，源于劉業(yè)及其另一位創(chuàng)始人吳敏對于粉末冶金專業(yè)知識(shí)的深度理解。

在走出象牙塔之前,，劉業(yè)與吳敏是中南大學(xué)粉末冶金研究院的同學(xué),。2013年，二人畢業(yè)后，吳敏進(jìn)入了富士康,，接觸到了3D打�,。欢鴦�業(yè)先后進(jìn)入廈門鎢業(yè)和信維通信持續(xù)深耕粉末冶金的模壓與注射成型技術(shù),。

此時(shí),，國際上的金屬3D打印已經(jīng)進(jìn)入初步發(fā)展階段，Wohlers Associates的報(bào)告顯示,，2013年共有348臺(tái)金屬3D打印機(jī)被售出,，較上年增幅達(dá)到了驚人的75.8%。

初次接觸到金屬3D打印的吳敏深受觸動(dòng),，對其展開了深入的探索,。相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)，金屬3D打印可以通過軟件快速構(gòu)建金屬零部件,，所需時(shí)間僅為數(shù)小時(shí),。但是，這工藝十分昂貴,，通常在航空航天領(lǐng)域用來制作金屬部件的原型,。

金屬3D打印的昂貴體現(xiàn)在設(shè)備、材料和打印時(shí)間等三個(gè)方面,。在設(shè)備方面,，金屬3D打印設(shè)備中有一項(xiàng)直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)，即采用強(qiáng)大的高能激光束金屬粉末使其逐層燒結(jié)成固體零件,。

劉業(yè)回憶道,，由于激光器的存在，一臺(tái)打印常規(guī)尺寸的打印設(shè)備就需要200多萬元,。據(jù)了解,，當(dāng)時(shí)只有空客、通用電氣,，和Lima Corporate等采用金屬3D打印的方式來為下一代航空航天和醫(yī)療產(chǎn)品制備復(fù)雜的金屬零件,。

此外，由于當(dāng)時(shí)的金屬打印方式是從坯體打印到固化一體成型,，打印的成本十分高昂,，“打1個(gè)產(chǎn)品的單價(jià)和打100個(gè)產(chǎn)品的單價(jià)并沒有區(qū)別，批量化并沒有優(yōu)勢,�,！眲�業(yè)對新材料在線®表示。

打印的耗材問題也成為另一道門檻,，SLM打印技術(shù)采用的是鋪粉打印成型技術(shù),，要求粉體顆粒含氧量低,、球形度高、分散性和流動(dòng)性好,、粒徑分布窄等,，并且對所需顆粒尺寸也提出嚴(yán)格要求。

基于粉末冶金專業(yè)的知識(shí)背景,，吳敏敏感地認(rèn)定,，金屬3D打印將會(huì)是粉末冶金的補(bǔ)充技術(shù)，通過自己的專業(yè)知識(shí)與現(xiàn)有的3D打印技術(shù)結(jié)合,，或許能將金屬3D打印的成本打下來,。

于是吳敏聯(lián)系到老同學(xué)劉業(yè)，一起探索破局之道,。

經(jīng)過對SLM打印路線的研究,，劉業(yè)發(fā)現(xiàn)，其原理在于通過高能激光將金屬粉末粘接起來,，由點(diǎn)到線到面,，形成致密化，從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，先將金屬粉末粘結(jié)起來打印出坯體,，然后再以自己熟悉的粉末冶金方式進(jìn)行燒結(jié)呢？

3D打印分金屬3D打印和非金屬3D打印,，當(dāng)時(shí)FDM等高分子3D打印路線已經(jīng)較為成熟,，二人提出高分子粘接金屬粉末打印出坯體的靈感正是來自于高分子3D打印的原理。

“這意味著,，只需改裝一臺(tái)簡單的FDM打印設(shè)備,，我們就可以實(shí)現(xiàn)金屬的3D打印�,！眲�業(yè)興奮地表示,。因此二人決定繞開主流SLM路線采用高能激光一體成型的路線，創(chuàng)新性地提出了粉末擠出3D打印技術(shù)（PEP）,。

“國內(nèi)間接3D打印思路是由升華三維首先提出來的,， PEP將3D打印中的制備過程分為打印和后處理。3D打印更像是粉末冶金環(huán)節(jié)中的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),，主要負(fù)責(zé)將金屬粉末跟粘合劑融合的原料逐層打印成形的生坯,。真正考驗(yàn)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵在于后續(xù)的處理也就是粉末冶金環(huán)節(jié)�,！�

劉業(yè)對新材料在線®表示,，間接3D打印技術(shù)路線，是一個(gè)跨學(xué)科的創(chuàng)新，各工藝流程之間是一個(gè)強(qiáng)耦合的關(guān)系,。

02
設(shè)備與生產(chǎn)成本都得到控制

2015年,，劉業(yè)二人決定將想法付諸實(shí)踐。

由于PEP避開了昂貴的高能激光器,，采購設(shè)備的價(jià)格一下子就降了下來,。劉業(yè)對新材料在線®介紹道，PEP打印原理與打印高分子材料的FDM技術(shù)類似,，區(qū)別其中一個(gè)重要差異就在于擠出系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，F(xiàn)DM只能打印高分子材料。

團(tuán)隊(duì)基于FDM技術(shù)的擠出思路重新設(shè)計(jì)成可以打印顆粒料的進(jìn)料裝置,，這樣一來就可以在更簡單的打印機(jī)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件打印,。

裝備搭建好后，需要匹配打印材料,。在諸多金屬材料中,，不銹鋼在金屬注射成型領(lǐng)域是一個(gè)十分成熟的材料體系，生產(chǎn)配套可以輕松拉通,，“當(dāng)時(shí)我們還沒有燒結(jié)爐,，選擇不銹鋼材料的話，只需打印出坯體,，可以很容易找到朋友幫忙燒結(jié),。”

于是,，團(tuán)隊(duì)選擇了不銹鋼作為第一個(gè)打印的金屬材料,。“第一個(gè)產(chǎn)品打印的是螺桿,，我和吳敏兩人在打印現(xiàn)場蹲了一天一夜,，幸運(yùn)的是成功地打印出來了�,！眲�業(yè)興奮地回憶道,，坯體打印出來后，托人幫忙脫脂燒結(jié),，第一個(gè)產(chǎn)品成功出爐,。

作為間接的3D打印技術(shù)，相較于打印與固化一體成型的SLM技術(shù),，PEP可以通過布局矩陣式的打印,，批量打出坯體后，進(jìn)行批量脫脂燒結(jié),，“燒結(jié)爐可以很大,，像燒磚頭的窯爐一樣,，可以一次性完成大量燒結(jié)�,！边@意味著,，更低成本的批量化的金屬3D打印技術(shù)路線走通了。

“采用直接3D打印成型的方式,，打印1個(gè)產(chǎn)品和打印100個(gè)產(chǎn)品,，單個(gè)產(chǎn)品的成本沒有變化，而采用間接3D打印成型,，打印的量越多,，成本越低�,！�

隨著后續(xù)反復(fù)修改配方和調(diào)整工藝,，打印件的質(zhì)量也越來越理想，逐步接近粉末冶金工藝的水平,，這讓劉業(yè)和吳敏愈發(fā)憧憬起來,。

不過，興奮的心情沒持續(xù)多久,，二人便被現(xiàn)實(shí)澆了一盆冷水,。他們發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)在業(yè)界和投資人面前推廣的時(shí)候，因?yàn)楦拍钸^于陌生,，并未受到歡迎,。

正在心灰意冷時(shí)，2017年5月,，事情便迎來轉(zhuǎn)機(jī),。

原來，國外一家由麻省理工學(xué)院教授組建的Desktop Metal公司,，也推出了間接金屬3D打印的方法，并拿到了福特,、寶馬等公司的投資,，成為當(dāng)時(shí)3D打印界最大黑馬。Desktop Metal被國內(nèi)專業(yè)媒體報(bào)道后,，升華三維團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，他們推出的新型打印技術(shù)與自己的技術(shù)有著異曲同工之處。

“新聞出來后,，發(fā)現(xiàn)我們并不孤單,，而且我們做得比他們更快�,！边@點(diǎn)燃了團(tuán)隊(duì)新的希望,。有了國外案例的“背書”,，2017年6月，團(tuán)隊(duì)順利地拿到了投資機(jī)構(gòu)的資金,，于此同時(shí),，升華三維也成立了。

隨著升華三維如火如荼的發(fā)展,，吸引了更多優(yōu)秀人才的加入,。PEP技術(shù)也逐漸成熟，成功引入了新的合伙人新蘭威爾士大學(xué)大學(xué)材料學(xué)博士熊心潤女士,，帶來了國際視野和先進(jìn)的研發(fā)管理經(jīng)驗(yàn),，為升華三維的前進(jìn)方向增添了國際化色彩和全新的動(dòng)力引擎。

這個(gè)時(shí)候,，不少同行也聞風(fēng)而至,，不過很快又就敗陣收場�,！癙EP技術(shù)是需要產(chǎn)業(yè)耦合的,，不僅是研發(fā)裝備這么簡單，還需要配套材料以及粉末冶金工藝方法,�,！眲�業(yè)頗為自豪的表示，這成為了升華三維間接金屬3D打印的一道技術(shù)門檻,。

03
開辟應(yīng)用領(lǐng)域更加靈活

在成功實(shí)現(xiàn)金屬3D打印降本增效后,，升華三維的下一步棋局又該如何走？

當(dāng)前國內(nèi)從事金屬3D打印的企業(yè)中,，如鉑力特,、華曙高科等上市企業(yè)采用的是SLM的路線，并且服務(wù)的大客戶仍舊是軍工,、航空航天,、醫(yī)療等高端領(lǐng)域的客戶。

而同樣走間接金屬3D打印路線的Desktop Metal,，僅在汽車領(lǐng)域,，就已經(jīng)拿到福特汽車的零部件訂單和寶馬的動(dòng)力總成部件訂單。

“只靠資本推動(dòng)的話,，活下去都成問題,。”升華三維決定找到出路,。

升華三維也曾嘗試找國內(nèi)的汽車客戶,，但是發(fā)現(xiàn)同樣的技術(shù)，在國內(nèi)卻難以推動(dòng),。劉業(yè)分析認(rèn)為存在幾大因素：一是如今燃油汽車正在往新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展,，面臨巨大的競爭壓力,，無暇采用新技術(shù)；二是燃油汽車的零部件工藝已經(jīng)十分成熟,，成本已經(jīng)到達(dá)極限,，采用新技術(shù)反而增加制造成本。

幸運(yùn)的是,，基于PEP技術(shù),，升華三維在應(yīng)用的探索上可采用更加靈活的策略。

“PEP技術(shù)呈現(xiàn)‘兩頭寬’的形態(tài),，3D打印部分是中間最小的環(huán)節(jié),，一頭是材料體系，具有廣泛的適配性,，另一頭則是燒結(jié),，也可以適配寬泛的燒結(jié)設(shè)備和工藝�,！�

憑借材料方面的廣泛適配性,，升華三維決定以材料作為核心維度，切入應(yīng)用場景,。升華三維開發(fā)出難熔合金材料體系,，“SLM難以打印難熔合金等材料，這是PEP的優(yōu)勢,，可以借此拉開差異化,。”劉業(yè)表示,。

以高比重鎢合金3D打印為例,。因鎢硬度和極高的熔點(diǎn)，使其成為難以攻克的3D打印材料,；基于PEP工藝低溫成形,，高溫成性的優(yōu)勢，很好地解決了鎢材料加工中極易出現(xiàn)的變形,、裂痕,、夾心等缺陷。在滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu),、提升強(qiáng)度、耐用性和節(jié)省成本等多方面的需求的同時(shí),，獲得優(yōu)異的均勻性,、力學(xué)性能、熱學(xué)性能,。

除了難熔金屬,，碳化硅,、氮化硅等陶瓷也可以采用PEP技術(shù)。而碳化硅作為特種陶瓷,，被廣泛應(yīng)用于航空航天,、半導(dǎo)體、新能源等各種先進(jìn)制造領(lǐng)域,。

如在晶圓制造的過程中,，普遍使用的石英晶圓載具，因其生產(chǎn)工藝和石英材料特性,，使用壽命僅為3-6個(gè)月,；而碳化硅晶圓載具代替石英，使用壽命可達(dá)5年以上,，“現(xiàn)在碳化硅晶圓載具大部分依賴海外進(jìn)口,，價(jià)格昂貴，而且交期至少需要6個(gè)月,�,！�

但由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性強(qiáng)、高溫?zé)�結(jié)變形大,、燒結(jié)后難以加工等特點(diǎn),，較難使用有模成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化硅產(chǎn)品制造,。

通過PEP技術(shù),，升華三維正展開一場傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的革新探索。

04
推動(dòng)3D打印與傳統(tǒng)制造的融合發(fā)展

身懷更加先進(jìn)的金屬3D打印技術(shù),，面向傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的革新探索,，升華三維構(gòu)建起更加長遠(yuǎn)的目標(biāo)。

不過打鐵還需自身硬,，當(dāng)前升華三維已經(jīng)建成了完整的金屬/陶瓷間接3D打印前后處理工藝,，覆蓋材料開發(fā)、打印材料,、密煉造粒機(jī),、3D打印機(jī)、脫脂燒結(jié)爐等全工藝鏈設(shè)備,，并形成高性能的間接3D打印整體解決方案,。

“以打印機(jī)為載體，以材料為核心,，升華三維可以面向不同的應(yīng)用領(lǐng)域,。”劉業(yè)進(jìn)一步介紹道,，“PEP技術(shù)現(xiàn)已完成了工藝體系的積累,。比如材料配方開發(fā)已經(jīng)形成了數(shù)據(jù)庫,，基于數(shù)據(jù)庫開發(fā)其他成型方式的材料更加容易，周期會(huì)更短,�,！�

2024年，升華三維定下了新的目標(biāo),，“在打印設(shè)備方面,，繼續(xù)精研核心PEP技術(shù)，推出可實(shí)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)材料打印的3D打印設(shè)備,，以滿足高�,？蒲性核�及企業(yè)客戶在復(fù)合材料、功能梯度材料及產(chǎn)品開發(fā)上的需求,；同時(shí),，針對鎢合金、純銅,、硬質(zhì)合金,、碳化硅、氮化硅,、等特種材料,，也將進(jìn)行應(yīng)用市場的進(jìn)一步探索�,！�

由創(chuàng)新到創(chuàng)造,，升華三維的目光也緊盯著促進(jìn)3D打印技術(shù)的應(yīng)用普及�,！吧�華三維將繼續(xù)守正創(chuàng)新,，形成集設(shè)備生產(chǎn)、材料開發(fā),、產(chǎn)品制造及打印服務(wù)為一體的全方位布局,。勇拓應(yīng)用邊界，加速傳統(tǒng)制造的智能化升級(jí),，為推進(jìn)增材制造行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造更多的價(jià)值,。”

個(gè)人介紹：

劉業(yè),，深圳升華三維科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人,，粉末擠出3D打印（PEP）技術(shù)發(fā)明人之一,，累積申請專利80余項(xiàng),。中南大學(xué)粉末冶金研究院材料學(xué)博士、中南大學(xué)深圳校友會(huì)理事、深圳市工信局產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展智庫專家,、深圳市國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心專家、深圳市光明區(qū)智能制造協(xié)會(huì)理事,。