FAST/SPS火花等離子燒結(jié)技術(shù)對增材制造意味著什么,？

2024年4月，南極熊獲悉,，在慕尼黑舉行的 Ceramitec 展會上,，ExOne（Desktop Metal 的一部分）展示了首個通過粘合劑噴射制造的完全燒結(jié)和完全致密的碳化硅 (SiC) 零件，無需任何后處理滲透,。此零件使用 FAST/SPS 技術(shù)進行燒結(jié),，F(xiàn)AST/SPS 是場輔助燒結(jié)技術(shù)/火花等離子燒結(jié)(Field Assisted Sintering Technology 或 Spark Plasma Sintering)的縮寫，那么這項技術(shù)是什么,？它對于燒結(jié)基增材制造意味著什么,？


△50噸混合動力FAST/SPS生產(chǎn)系統(tǒng)，可選配兩臺ABB工業(yè)機器人進行充放電

FAST/SPS技術(shù)的發(fā)展

FAST/SPS 是由德國FCT Systeme首創(chuàng)的尖端放電等離子燒結(jié)技術(shù),，徹底改變了陶瓷和金屬領(lǐng)域不同粉末的固結(jié),。在過去的十年中，大量的科學(xué)研究展示了放電等離子燒結(jié)快速固結(jié)粉末的能力,，該技術(shù)已在各種材料類別中得到廣泛探索,，包括金屬,、合金,、金屬間化合物、硼化物,、碳化物,、氮化物、硅化物,、氧化物,、復(fù)合材料和專用材料系統(tǒng)等。

FAST/SPS技術(shù)是一種先進的粉末材料燒結(jié)技術(shù),，通過直接向粉末或模具施加直流脈沖電流,，利用電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)來加熱材料，與傳統(tǒng)的燒結(jié)技術(shù)不同,，F(xiàn)AST/SPS不僅能夠在較短的時間內(nèi)將材料燒結(jié)到高密度,，還能夠生產(chǎn)出具有優(yōu)異性能和均勻性的新材料,。

在FAST/SPS過程中，粉末顆粒間的接觸點成為發(fā)熱源,，由于放電部分變成等離子狀態(tài),，這種現(xiàn)象被稱為放電等離子燒結(jié)，可以實現(xiàn)對粉末壓制品的均勻體積加熱,，從而在微觀層面上實現(xiàn)精確的能量分布,，促進材料的燒結(jié)和結(jié)晶。

FAST/SPS的主要特點包括：
    ●快速燒結(jié)：能夠在短時間內(nèi)完成燒結(jié)過程,，提高生產(chǎn)效率,。
    ●高密度材料：可以生產(chǎn)出高密度的材料，提高產(chǎn)品的性能,。
    ●材料多樣性：適用于各種陶瓷和金屬粉末,，擴大了材料的應(yīng)用范圍。
    ●能量集中：電流直接通過粉末或模具,，使得能量集中在需要燒結(jié)的部位,，減少了能量損失。
    ●溫度控制：可以精確控制燒結(jié)溫度,，保證材料的質(zhì)量,。

從 2016 年開始，法國公司 Norimat將自己的 FAST/SPS 工藝商業(yè)化,，將3D打印和放電等離子燒結(jié)結(jié)合起來,。 Norimat 工藝適用于 ExOne 粘合劑噴射 3D 打印零件，可快速單步燒結(jié)具有復(fù)雜幾何形狀的零件,。因此,，可以快速生產(chǎn)具有出色性能特征的幾何形狀復(fù)雜的零件。

然而,，F(xiàn)CT Systeme 指出,，這些研究主要在科學(xué)研究領(lǐng)域取得了成果，向工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)過渡還需要面臨很大的挑戰(zhàn),。工業(yè)制造需要能夠優(yōu)化成本效率的定制設(shè)備,，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的獨特需求。

FCT Systeme GmbH是一家專注于火花等離子燒結(jié)技術(shù)設(shè)備的德國公司,，Norimat是一家利用SPS/FAST技術(shù)生產(chǎn)高性能部件的公司,。Norimat通過分享其在SPS/FAST技術(shù)方面的技術(shù)和專業(yè)知識，支持產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化,，以滿足客戶對復(fù)雜幾何形狀和材料性能的需求,。可以說,，F(xiàn)CT Systeme和Norimat在SPS/FAST技術(shù)領(lǐng)域有著緊密的合作關(guān)系,，共同推動這一先進燒結(jié)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,。

FAST/SPS 用于快速固結(jié)粉末
放電等離子燒結(jié)及其最先進的版本（稱為 FAST/SPS）是從傳統(tǒng)熱壓衍生而來的燒結(jié)技術(shù)。因此,，F(xiàn)AST/SPS 系統(tǒng)包括水冷容器,、液壓系統(tǒng)、使用溫度和力測量和控制的計算機輔助過程控制,，以及分別用于容器內(nèi)部真空和大氣控制的系統(tǒng),。與傳統(tǒng)熱壓機的最大區(qū)別是沒有加熱元件以及傳統(tǒng)的容器隔熱。使用一個特殊的電源系統(tǒng)將高電流饋送到水冷機沖頭中,，水冷機沖頭同時充當(dāng)電極,，將高電流直接饋送到壓制工具和包含的粉末壓塊中。


△FCT Systeme

這種特殊的結(jié)構(gòu)可以利用焦耳熱對壓制工具以及所含粉末進行均勻的體積加熱,，即使在高加熱速率下也只能產(chǎn)生很小的熱梯度,，而傳統(tǒng)的燒結(jié)方法受到熱梯度的阻礙，僅允許中等加熱速率并且需要較長的停留時間來進行均質(zhì)化,。

與傳統(tǒng)工藝相比,，火花等離子燒結(jié)（SPS）可以生產(chǎn)具有更高材料性能的高性能樣品。然而,，隨著樣品變大,，控制零件內(nèi)部的熱梯度變得更加困難，此處涉及三種挑戰(zhàn)：
    ●材料的熔化：尤其是金屬,，其燒結(jié)溫度接近熔點,。
    ●微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性：因為溫度強烈影響致密化和晶粒尺寸，從而影響最終零件的物理性能,。
    ●顏色問題：因為某些材料中使用的顏料對溫度非常敏感,，可能會導(dǎo)致最終部件的顏色不均勻。


△FCT Systeme

SPS 用戶現(xiàn)在可以使用多種工具來限制其零件內(nèi)部的熱梯度,，即使對于大型樣品也是如此,。 Norimat 展示了兩個基于碳纖維增強板的使用和模具設(shè)計優(yōu)化的示例，碳纖維增強板CFC越來越多地在 SPS 領(lǐng)域得到使用,，因為它們能夠限制燒結(jié)部件內(nèi)部的熱梯度并降低整體 SPS 功率,。
    ●對于 100mm 氧化鋯樣品,，在模具中的沖頭和墊片之間使用 CFC 板可將熱梯度降低約 75%,。然而，所得到的 51°C 梯度對于某些應(yīng)用來說仍然太高,。
    ●除了CFC板之外,，用戶還可以優(yōu)化模具設(shè)計。對于相同的 100mm 氧化鋯樣品,，使用更高且稍薄的模具會將熱梯度降低至僅 12°C,。由于氧化鋯內(nèi)部存在這種程度的溫差,，預(yù)計不會出現(xiàn)密度或微觀結(jié)構(gòu)差異，這使得 SPS 成為生產(chǎn)高性能材料的有價值且可靠的制造工藝,。

FCT Systeme 在下圖中展示了 FAST/SPS 的另一大優(yōu)勢——加熱功率不僅在宏觀尺度上均勻地分布在粉末壓塊的體積上,，而且還精確地耗散在需要能量的位置。燒結(jié)過程,，即在粉末顆粒的接觸點處,。這導(dǎo)致良好的燒結(jié)行為，晶粒生長較少,，粉末分解受到抑制,。根據(jù)粉末的類型，額外的有利效果包括電遷移或微等離子體產(chǎn)生,。

△FAST/SPS 與傳統(tǒng)熱壓的比較

用于增材制造的 FAST/SPS
在Norimat 的FAST/SPS 工藝中,，高強度脈沖電流通過石墨工具，從而可以達到超過100°C/min 的高加熱和冷卻速率,，這意味著 FAST/SPS 工藝只需幾分鐘即可達到高溫,，而其他燒結(jié)技術(shù)則需要幾個小時。這種粉末冶金技術(shù)的主要優(yōu)點是在加工過程中不存在有機粘合劑,，有機粘合劑會在燒結(jié)過程中引起缺陷,，產(chǎn)生材料內(nèi)的殘余應(yīng)力。

這種縮短的加工周期與快速的加熱速率相結(jié)合,，可以產(chǎn)生精細的材料微觀結(jié)構(gòu),，并提高燒結(jié)材料的機械性能。得益于這些優(yōu)勢,，此種粉末燒結(jié)工藝可用于輕松制造高性能和創(chuàng)新材料（復(fù)合材料,、硬質(zhì)金屬、金屬合金,、耐火材料）,。

此外，該工藝可防止材料內(nèi)部晶粒生長,，從而保持精細的微觀結(jié)構(gòu),，并可在 200°C 至 2400°C 之間對任何材料進行致密化，使其密度達到 99.5%,，材料浪費低于 1%,。

Norimat 還開發(fā)了 Engemini 現(xiàn)場輔助燒結(jié)技術(shù)、火花等離子燒結(jié) (FAST/SPS) 模擬工具,。該模型使所有 FAST/SPS 用戶能夠執(zhí)行數(shù)字實驗,，以確定零件和石墨模具在物理燒結(jié)過程中的熱和機械演變。

FAST/SPS工業(yè)應(yīng)用要求
FAST/SPS燒結(jié)方法快速固結(jié)新型材料的工業(yè)應(yīng)用需要特殊的功能，這些功能必須由設(shè)備來滿足：

    ●為了確保高吞吐量,，系統(tǒng)必須提供足夠的電力輸出功率,。系統(tǒng)中的電力損耗要保持較低的水平，以便在需要的位置產(chǎn)生高加熱功率,。所需功率的實際值取決于粉末壓塊和壓制工具的尺寸和材料以及預(yù)期的加熱速率和最高溫度,。

    ●根據(jù)粉末的類型，可能有幾種不同的燒結(jié)機制,。因此,，具有高靈活性的電源對于在產(chǎn)量和材料質(zhì)量方面實現(xiàn)最佳燒結(jié)結(jié)果非常重要。 FAST/SPS 系統(tǒng)能夠生成范圍廣泛的脈沖直流電,，并具有計算機控制的任意脈沖參數(shù),，直至純直流電。

    ●正確的燒結(jié)溫度是除了時間和加熱速率之外最重要的工藝參數(shù),。由于特殊設(shè)計,，F(xiàn)AST/SPS 系統(tǒng)測量粉末壓塊中心附近的溫度，這比測量模具溫度提供更重要的值,。

    ●在硬件方面,，由于FAST/SPS系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)，由兩個沖壓沖頭,、模具和其他輔助部件組成的沖壓工具系統(tǒng)是系統(tǒng)的“心臟”,，因為它不僅包含粉末壓塊同時也充當(dāng)“加熱器”（與壓塊相互作用）。


△ExOne/Desktop Metal 采用 FAST/SPS 技術(shù)燒結(jié)而成的碳化硅 3D 打印零件

高通量FAST/SPS工業(yè)應(yīng)用
FAST/SPS 燒結(jié)技術(shù)的首批工業(yè)應(yīng)用之一是制造板狀大面積物品,，例如用于涂覆具有各種功能表面層的物品的濺射靶材,。混合 FAST/SPS 系統(tǒng)非常適合此類零件的高產(chǎn)量制造,。

為了大規(guī)模生產(chǎn)小型零件（5 至 25 毫米）,，F(xiàn)CT Systeme 開發(fā)了一系列特殊的 FAST/SPS 系統(tǒng)，稱為“FAST2”（FAST square = fast FAST）,，基于最先進的粉末壓制技術(shù)并結(jié)合了采用FAST/SPS燒結(jié)方法,，實現(xiàn)快速、全自動操作,，包括粉末處理,、集成壓制工具的填充和易燒結(jié)部件的排出。此類系統(tǒng)的吞吐量可高達每分鐘六件,，具體取決于實際材料的燒結(jié)特性以及零件的​​尺寸,。

FAST/SPS技術(shù)將繼續(xù)作為一個重要的研究領(lǐng)域，推動新材料的開發(fā)和現(xiàn)有材料性能的提升,。南極熊相信,，隨著技術(shù)的進步和市場的需求，F(xiàn)AST/SPS技術(shù)有望在未來發(fā)揮更大的作用,。