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需求背景

3D 打印技术也被称为增材制造技术，是一种系统性新兴技术，综合运用计算机软件、材料、机械等多领域专业知识，通过选择性粘结金属、陶瓷粉末或塑料等材料逐层堆积形成三维样件。1986年，Charles Hull首次提出了3D打印这一概念，并开发了第一台商业3D打印机。该打印机的原理是:将单层的二维模型通过层层堆叠的方式来成型制品，相较于传统减材制造，大幅提高了材料的利用率，减少了材料的浪费，有望以更快的生产时间，更少的材料浪费以及打印独特的多种材料配置的能力彻底改变制造业。

金属3D打印技术在3D打印领域中是最具前沿和潜力的技术，是增材制造技术发展的重要方向。现在金属3D打印方式包括选择性激光烧结( SLS)、激光选区熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）等方式，它们以激光/电子束等高能量源直接熔化沉积金属粉末，但存在着设备价格昂贵、金属粉末材料受限制等不足。针对现有金属3D打印存在的不足，提出一种将金属注射成型技术与FDM技术结合的气动式挤出直写的金属粉末3D打印技术，降低生产成本、打印条件要求低、金属粉末适应性强和金属粉末可重复利用等优点。

需解决的主要技术难题

(1）铜浆料的制备

铜浆料的制备是打印成型关键的一步，金属粉末比例太高或者太低都不利于金属浆料的挤出成型，所以配置合适比例的金属浆料至关重要。先是通过理论计算出金属粉末与PVA浆料的合适配比，再通过实验确定最适合打印的配比。

(2）3D打印机的改进及打印参数优化

根据现有的设备和技术上进行搭建气动式挤出直写3D打印机，再加以改进。铜浆料的成型包括料筒与平台的三维协同运动、铜浆料的输送以及铜浆料经喷嘴的挤出成型，根据以上三点搭建气动式挤出直写金属浆料3D打印机。研究浆料的流量与压力、喷嘴直径的关系曲线，拟合出关系方程，得出浆料流量与三维运动平台移动速度的匹配关系，从而提高打印精度。研究打印层高、打印间距对打印精度的影响，从而确定打印的最佳参数。

(3）脱脂及烧结工艺研究

打印成型之后需要通过脱脂工艺将粘结剂脱除，本课题利用热脱脂方法脱去PVA,先通过PVA热重分析（TG）测试，为脱脂工艺提供理论指导。通过测试脱脂率、收缩率等参数研究脱脂温度、保温时间等对脱脂的影响，从而确定最佳的脱脂工艺。通过XRD、扫描电镜等技术了解脱脂机理。

脱脂工艺完成后，需要继续升温烧结提高坯体的致密度，通过测试烧结样件收缩率、拉伸强度、硬度、密度等参数研究升温速率、烧结温度、保温时间等工艺对烧结质量的影响，从而确定最佳的烧结工艺。

(4）多孔金属样件的应用研究

3D打印制备多孔材料具有优异性,利用气动式挤出直写3D打印机制备具有宏观及微观孔的铜电极结构作为电还原COz还原反应的催化剂。用恒电位电解方法对其电化学性能进行测试，将其电流密度及法拉第效率与电沉积法得到的铜电极片进行比较。

期望实现的主要技术目标

(1）所开发的金属粉末3D打印成型工艺，提出一种低成本金属粉末3D打印成形方式，将金属注射成型技术与FDM技术结合开发的金属浆料气动式挤出直写3D打印技术。粘结剂使用由水溶性PVA粉末配置而成的PVA水溶液，打印时无需加热，打印条件要求较低，常温下即可进行打印。对于成型不满意的打印坯体，可利用PVA的水溶性的特点将金属粉末重复利用。

(2）所开发的金属粉末3D打印成型工艺，利用3D打印制备多孔结构的优异性，制备出COz还原反应的三维铜结构催化剂。具备宏观及微观的铜催化剂能够显著提高电流密度，且经济成本较低，具有工业化应用的潜力。

需求解析

解析单位：重庆市永川区 解析时间：2022-12-02

夏文汇

重庆西南大学

教授

综合评价

技术需求清晰，首先，通过描述，在3D打印制备多孔材料具有优异性,利用气动式挤出直写3D打印机制备具有宏观及微观孔的铜电极结构作为电还原COz还原反应的催化剂。用恒电位电解方法对其电化学性能进行测试，将其电流密度及法拉第效率与电沉积法得到的铜电极片进行比较方面，这些技术市面上已经可以达到，可以直接使用现实的技术。其他方面需求通过推荐行业专家来进行解决。 其次，该需求没有明确企业是想购买需求还是想要合作购买产品，此方面没有明确，我给出的建议是让企业购买专家技术咨询，这样让公司的工作人员结合专家的指示来做比较节省成本，大概需要十万元左右。 最后，该需求要实现的目的还是非常好的，可以有效的节省成本，对比传统工艺技术，提升了质量和性能，带来的各方进步可以促使产品带来更好的升级，进一步增加营收，带来经济税收的进一步发展，有益于社会

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