用廉价陶泥机3D打印金属？长沙团队首创DDM“间接金属3D打印”技术

2019年4月10日，南极熊获悉，长沙墨科瑞团队探索出一种新型“间接金属3D打印”技术，他们研发出了一种特殊的“金属浆料”，使用非常廉价的陶泥3D打印机，即可完成金属零件的3D打印。由于打印过程无须加热，该模式可以被称为DDM( Direct Deposition Modeling )技术。

△DDM技术3D打印金属零件

从汽车金属零部件到飞机发动机等航空航天组件，金属3D打印带给人们无尽的想象空间，代表着未来智能制造真正的发展方向。

目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：包括选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术、直接金属粉末激光烧结(Direct Metal Laser Sintering，DMLS)、选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术、激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技术和电子束选区熔化（Electron Beam Selective Melting, EBSM）技术等。业内将这些技术称为“直接金属3D打印技术”。这些技术都涉及到昂贵的激光或电子束等高能设备，使用和维护成本都比较高；另外，低下的打印效率也常常受到业内人士的诟病。

目前，在全球范围内兴起了一股“间接金属3D打印技术”的研发热潮。利用成熟的金属注射成形（MIM）、粘合剂喷射、FDM熔融挤出技术以及这些技术的组合，来完成金属零部件的最终成型。相较于激光或电子束设备，“间接金属3D打印技术”所采用的设备则要“廉价”的多，打印速度可以提高到百倍以上，显示出一定的竞争优势。拥有间接打印核心技术的一些公司受到了资本市场的广泛关注，风光无限；例如Markforged、Desktop Metal等公司都已经获得多达10多亿美金的大额融资。

冷静下来分析，大家发现，大多所谓的“间接金属3D打印技术”都是某种“变形”的FDM MIM技术组合。所使用的材料可以为丝状或者颗粒状，都是由包覆塑料高分子的金属粉末组成。首先利用FDM技术将这些丝状或者颗粒状材料加热熔化、挤出、冷却成型，形成“绿胚”；然后利用特殊的设备脱胶，以除掉“绿胚”中的塑料高分子；最后进行高温烧结，以形成最终的金属零部件。由于“绿胚”中含有较高比例的塑料高分子，后续的高温烧结会产生较大比例的收缩（大于17%）；另外，还有更加难处理的非对称收缩难题。粘合剂喷射技术同样存在上述问题，金属零部件的烧结密度也要小于FDM MIM技术组合方案，该技术现在已处于技术边缘位置。

在陶泥3D打印领域，借鉴于FDM模式，最近几年已开发出比较精密的陶泥3D打印设备；普通陶泥（瓷泥）可以直接打印成型。由于无须加热，该模式可以被称为DDM( Direct Deposition Modeling )或NTDM( Normal Temperature Deposition Modeling )技术。

长沙墨科瑞团队另辟蹊径，研发出了一种特殊的“金属粘土”，在“间接金属3D打印”领域首创出了DDM新技术。 “金属粘土”由特殊成分组合的金属粉末与特种高分子粘结剂混合而成，外观与普通陶泥相似，能够塑形和雕刻。墨科瑞团队采用普通廉价的陶泥3D打印机将这种“金属粘土”打印形成“绿胚”，无须加热。

△长沙墨科瑞团队用来打印金属零件所使用的陶泥3D打印机

这种“金属粘土”新材料（灰色）的打印精度超过了普通陶泥（瓷泥）（白色）。

“绿胚”无须脱胶处理，可以直接放入特殊的真空炉进行烧结，最终变成致密的几无空隙的金属成品。


利用DDM模式生产的金属成品除了高强度之外，还可以具有超级耐腐蚀性能（可以达到不锈钢的2-5倍）；通过调整配方，可以生产出形状复杂的超级耐磨件（比如，可以生产硬度HRC62左右的金属陶瓷耐磨件）。这些高附加值性能是现有的“间接金属3D打印技术”无法达到的，具有很强的竞争力。

在南极熊看来，这项新技术的核心在于金属浆料的配置，设备方面使用非常廉价的陶泥3D打印机即可完成成型，大大降低了制造成本。然而在金属零件尺寸精度、烧结收缩情况、金属件组分等方面，长沙墨科瑞团队仍然有不少工作需要去做。

长沙墨科瑞团队初创于2019年1月，该团队致力于新型的3D打印材料、设备和工艺的研发。李昕是该团队负责人，毕业于中国科学院金属研究所。具李昕介绍，团队研发的新型“金属粘土”，可以解决烧结收缩和非对称变形难题；这种新型的DDM技术模式可以发展出激光（电子束）打印路径之外的完全崭新的“间接功能性金属3D打印技术”，大家拭目以待吧！

墨科瑞团队目前正在进行相关材料性能测试和烧结机理分析。