FAST/SPS火花等離子燒結(jié)技術(shù)對(duì)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(huì)上，ExOne（Desktop Metal 的一部分）展示了首個(gè)通過(guò)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(wú)需任何后處理滲透。此零件使用 FAST/SPS 技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)，F(xiàn)AST/SPS 是場(chǎng)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(xiàng)技術(shù)是什么？它對(duì)于燒結(jié)基增材制造意味著什么？


△50噸混合動(dòng)力FAST/SPS生產(chǎn)系統(tǒng)，可選配兩臺(tái)ABB工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行充放電

FAST/SPS技術(shù)的發(fā)展

FAST/SPS 是由德國(guó)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(guò)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(jìn)的粉末材料燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)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(lái)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(shí)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(guò)程中，粉末顆粒間的接觸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)粉末壓制品的均勻體積加熱，從而在微觀層面上實(shí)現(xiàn)精確的能量分布，促進(jìn)材料的燒結(jié)和結(jié)晶。

FAST/SPS的主要特點(diǎn)包括：
    ●快速燒結(jié)：能夠在短時(shí)間內(nèi)完成燒結(jié)過(guò)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(kuò)大了材料的應(yīng)用范圍。
    ●能量集中：電流直接通過(guò)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(kāi)始，法國(guó)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(lái)。 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(guò)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(dú)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(guó)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(guò)分享其在SPS/FAST技術(shù)方面的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，以滿足客戶對(duì)復(fù)雜幾何形狀和材料性能的需求。可以說(shuō)，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(dòng)這一先進(jìn)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(jìn)的版本（稱為 FAST/SPS）是從傳統(tǒng)熱壓衍生而來(lái)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(cè)量和控制的計(jì)算機(jī)輔助過(guò)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(jī)的最大區(qū)別是沒(méi)有加熱元件以及傳統(tǒng)的容器隔熱。使用一個(gè)特殊的電源系統(tǒng)將高電流饋送到水冷機(jī)沖頭中，水冷機(jī)沖頭同時(shí)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(duì)壓制工具以及所含粉末進(jìn)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(zhǎng)的停留時(shí)間來(lái)進(jìn)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(diǎn)。
    ●微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性：因?yàn)闇囟葟?qiáng)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(wèn)題：因?yàn)槟承┎牧现惺褂玫念伭蠈?duì)溫度非常敏感，可能會(huì)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(lái)限制其零件內(nèi)部的熱梯度，即使對(duì)于大型樣品也是如此。 Norimat 展示了兩個(gè)基于碳纖維增強(qiáng)板的使用和模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的示例，碳纖維增強(qiáng)板CFC越來(lái)越多地在 SPS 領(lǐng)域得到使用，因?yàn)樗鼈兡軌蛳拗茻�結(jié)部件內(nèi)部的熱梯度并降低整體 SPS 功率。
    ●對(duì)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(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍然太高。
    ●除了CFC板之外，用戶還可以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。對(duì)于相同的 100mm 氧化鋯樣品，使用更高且稍薄的模具會(huì)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(jì)不會(huì)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(jià)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(shì)——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(guò)程，即在粉末顆粒的接觸點(diǎn)處。這導(dǎo)致良好的燒結(jié)行為，晶粒生長(zhǎng)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(qiáng)度脈沖電流通過(guò)石墨工具，從而可以達(dá)到超過(guò)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(dá)到高溫，而其他燒結(jié)技術(shù)則需要幾個(gè)小時(shí)。這種粉末冶金技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是在加工過(guò)程中不存在有機(jī)粘合劑，有機(jī)粘合劑會(huì)在燒結(jié)過(guò)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(xì)的材料微觀結(jié)構(gòu)，并提高燒結(jié)材料的機(jī)械性能。得益于這些優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)，從而保持精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，并可在 200°C 至 2400°C 之間對(duì)任何材料進(jìn)行致密化，使其密度達(dá)到 99.5%，材料浪費(fèi)低于 1%。

Norimat 還開(kāi)發(fā)了 Engemini 現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)，以確定零件和石墨模具在物理燒結(jié)過(guò)程中的熱和機(jī)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(lái)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(shí)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(jī)制。因此，具有高靈活性的電源對(duì)于在產(chǎn)量和材料質(zhì)量方面實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)間和加熱速率之外最重要的工藝參數(shù)。由于特殊設(shè)計(jì)，F(xiàn)AST/SPS 系統(tǒng)測(cè)量粉末壓塊中心附近的溫度，這比測(cè)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(gè)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?yàn)樗�不僅包含粉末壓塊同時(shí)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�；旌� 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(kāi)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(jìn)的粉末壓制技術(shù)并結(jié)合了采用FAST/SPS燒結(jié)方法，實(shí)現(xiàn)快速、全自動(dòng)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(dá)每分鐘六件，具體取決于實(shí)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(gè)重要的研究領(lǐng)域，推動(dòng)新材料的開(kāi)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(jìn)步和市場(chǎng)的需求，F(xiàn)AST/SPS技術(shù)有望在未來(lái)發(fā)揮更大的作用。