告别铺粉！浆料LPBF金属3D打印的创新启程

今天，AM易道为大家分享一项可能彻底改变金属增材制造格局的新技术 - 基于传统粉末床的浆料金属3D打印。

这项由比利时鲁汶大学研究团队开发的技术，巧妙地将金属粉末与液体混合，突破了传统激光粉末床熔融(LPBF)技术的诸多限制。

让我们一起深入了解这项创新技术的来龙去脉，以及它可能为3D打印行业带来的深远影响。

本文内容基于Sebastian Meyers等人发表在Additive Manufacturing Letters上的研究论文。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addlet.2024.100230

传统LPBF3D打印技术的瓶颈

金属3D打印技术，尤其是激光粉末床熔融(LPBF)技术，近年来在航空航天、医疗、汽车等领域得到了广泛应用。然而，这项技术也面临着一些棘手的问题：

1. 苛刻的粉末要求：

传统LPBF技术要求使用粒径在15-45微米之间、呈球形的金属粉末。这就像是在挑选完美的珍珠，不仅大小要合适，还得是浑圆无瑕的。

2. 高昂的原材料成本：

只有通过昂贵的气体或等离子雾化工艺才能生产出符合要求的粉末，这大大增加了生产成本。

3. 有限的材料选择：

并非所有金属材料都能制成符合LPBF要求的粉末，这限制了技术的应用范围。

4. 粉末利用率低：

在粉末生产过程中，只有一小部分粉末符合尺寸要求，导致大量原材料被浪费。

这些问题是LPBF技术发展道路上需要不断被解决的问题，也在某种程度上阻碍这项技术的进一步普及和应用。

基于LPBF的浆料金属3D打印：不一样的解决方案

面对这些挑战，鲁汶大学的研究团队提出了一个令人耳目一新的解决方案 - 基于传统粉末床的浆料金属3D打印技术。

这项技术的核心思想是，将金属粉末与液体混合成浆料，然后用这种浆料来进行3D打印。

这个方法非常巧妙，它不仅解决了传统LPBF的诸多问题，还带来了一些意想不到的优势：

浆料中的液体充当了「载体」，使得粉末的大小和形状不再那么重要；

浆料LPBF可以使用小于15微米的金属颗粒，这在传统LPBF中是难以实现的。

小颗粒在液体中能很好地分散，避免了干燥状态下容易发生的团聚问题。

浆料LPBF可以使用形状不规则的金属粉末，这大大扩展了可用的原材料范围。

原本在传统工艺中被废弃的「不合格」粉末，现在可以在浆料LPBF中得到利用，这无疑是一种资源的有效再利用。

浆料金属3D打印的设备设计

要将浆料LPBF的创新理念付诸实践，需要对现有的LPBF设备进行彻底的改造。

研究团队在这方面做了大量的创新设计，让我们一起来看看这台「魔改」版的LPBF设备有哪些特别之处：

1. 浆料供给系统：设备使用了六个55cc的注射器（图中1号）来储存和供给浆料。

每个注射器都配有一个精确控制的喷嘴（图中2号），可以精确地挤出所需的浆料。

2. 涂布系统：一个特殊设计的涂布刮刀（图中3号）被用来将喷射的浆料铺平，形成均匀的薄层。

3. 超声波清洗系统：工艺腔内集成了一个超声波清洗浴（图中6号）。这个巧妙的设计可以有效清洁喷嘴和涂布刮刀，防止浆料干燥后造成堵塞或影响涂布质量。

4. 气氛控制系统：设备使用循环的氮气流（图中5a号）来控制工艺腔内的湿度和氧含量，同时还能帮助蒸发浆料中的溶剂。

以下氮气流在5a与5b之间流动。

这些创新设计共同构成了一个完整的浆料LPBF工艺循环：

整个过程包括浆料喷射、涂布、溶剂蒸发、激光扫描，以及喷嘴和刮刀的清洗。这个循环看似复杂，但每个步骤都经过精心设计，共同保证了浆料LPBF的可靠性和重复性。

浆料配方和打印工艺

1. 浆料配方

• 组成：316L不锈钢粉末（40vol%）+ 水性聚合物粘合剂（60vol%） 
• 粉末特性：粒径 • 粘合剂作用：维持流动性，保持层间结构完整性

2. 打印工艺参数

请参照下图：

有LPBF闲置设备的读者朋友可以自行尝试起来了，关于具体的聚合物类型和配方并未在论文中披露，这里可能需要读者自行摸索。

实验结果：令人振奋的突破

这种新颖的浆料LPBF技术在实际应用中表现如何呢？研究团队使用316L不锈钢浆料进行了一系列实验，结果令人振奋。

1. 高密度：

成功制造出相对密度高达99.4%的样品，这个数值与传统LPBF技术不相上下。

2. 优异的表面质量：

通过浆料LPBF制造的零件表面粗糙度只有2.6μm Ra，远低于传统LPBF的6-10μm Ra。

这意味着浆料LPBF制造的零件表面更加光滑，可能在一些对表面质量要求较高的应用中占据优势。

上图展示了传统LPBF（左）和浆料LPBF（右）制造的样品表面形貌对比。浆料LPBF样品的表面明显更加平整，飞溅物更少，这解释了为什么它能获得更低的表面粗糙度。

3. 独特的机械性能：

浆料LPBF制造的316L不锈钢样品虽然屈服强度和极限抗拉强度略低于传统LPBF样品，但断裂伸长率高达66%，远高于传统LPBF样品的41%。

这意味着浆料LPBF制造的零件具有更好的韧性和可塑性，可能在需要高度变形能力的应用中表现出色。

这些结果表明，浆料LPBF技术不仅能够生产出高质量的金属零件，还在某些方面表现出独特的优势。

特别是在表面质量和韧性方面的突出表现，可能会为这项技术开辟全新的应用领域。

AM易道认为的浆料LPBF金属打印的未来潜力

浆料LPBF金属打印技术的出现，无疑为金属3D打印行业开辟了一片充满潜力的新天地。

首先，这项技术有望彻底改变金属3D打印的成本结构。想象一下，那些曾经被视为「废物」的金属粉末，现在可能摇身一变成为宝贵的原材料。大大降低了对原材料的要求，也就降低原材料成本，还提高了资源利用率。本文并没有深度探讨金属粉末球形度对于打印结构的影响，AM易道直觉感受，浆料可以大幅弥补传统LPBF对球形度的要求。如果浆料金属3D打印对于球形度的要求也大幅下降的话，那么金属3D打印的原材料成本将极大的降低。这种成本优势可能会让金属3D打印技术从高端制造领域逐步向更广泛的应用场景渗透，为更多中小企业打开了采用这项技术的大门。

但浆料LPBF技术的影响远不止于此。那些曾经因为难以制粉或难以成型的高熵、高反金属材料，现在可能重新焕发生机。这意味着我们可能会看到一批全新的合金材料问世，这些材料可能具有我们之前难以想象的性能。

更令人兴奋的是浆料LPBF技术在表面质量方面展现出的优势，可能会让金属3D打印在一些新的领域大显身手。

但也许，浆料LPBF技术最大的贡献，是它为整个行业注入的创新思维。

写在最后

AM易道认为，对于3D打印行业的从业者来说，浆料LPBF技术无疑是一个值得关注的机会。设备制造商可以考虑开发专门的浆料LPBF设备；材料供应商可以研发适用于浆料LPBF的新型材料；3D打印服务提供商则可以利用这项技术来拓展业务范围，为客户提供更多样化的解决方案。

对于投资者而言，浆料LPBF技术代表了金属3D打印领域的一个新的增长点。虽然目前这项技术还处于实验室阶段，但考虑到它的潜在优势，未来很可能会吸引大量的研发投入和商业化尝试。

AM易道认为，浆料LPBF技术的出现，可能不会立即取代传统的LPBF技术，但很可能会成为一种重要的补充，为特定的应用场景提供更好的解决方案。

未来，我们可能会看到传统LPBF和浆料LPBF并存发展的局面，共同推动金属3D打印技术向更高水平迈进。

     
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