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      陶瓷3D打印新興技術在多個材料領域取得突破

      新聞資訊

      陶瓷3D打印新興技術在多個材料領域取得突破

      【摘要】:
      陶瓷3D打印作為增材制造行業的新興技術,在熔模鑄造、骨科、齒科、化工、藝術等領域,開始發揮越來越大的作用,目前成熟的陶瓷增材制造技術包括以下幾種:光固化成型(SL)、三維印刷(3DP)、選擇性激光燒結(SLS)、分層實體制造(LOM)和擠出成型(EFF)等,其中,光固化成型是目前增材制造技術中分辨率最好、成型精度最高的成型方式。??陶瓷光固化打印產品圖(圖片來源:十維科技)?1光固化3D打印優勢?

       陶瓷3D打印作為增材制造行業的新興技術,在熔模鑄造、骨科、齒科、化工、藝術等領域,開始發揮越來越大的作用,目前成熟的陶瓷增材制造技術包括以下幾種:光固化成型(SL)、三維印刷(3DP)、選擇性激光燒結(SLS)、分層實體制造(LOM)和擠出成型(EFF)等,其中,光固化成型是目前增材制造技術中分辨率最好、成型精度最高的成型方式。

       

       

      陶瓷光固化打印產品圖(圖片來源:十維科技)

       

      1 光固化3D打印優勢

       

      陶瓷光固化3D打印技術的研究始于20世紀90年代,盡管與聚合物和金屬材料相比,陶瓷光固化產業起步較晚,但發展迅速,國內外越來越多的研究者進行陶瓷光固化3D打印設備及材料的研究。不僅因為陶瓷材料的性能優異,應用前景廣泛,也因為光固化陶瓷3D打印技術相比于其他陶瓷增材制造方法,打印精度高,并且在制備復雜形狀以及高精度大型零部件方面有很大的優勢。

       

      2 陶瓷光固化工藝過程

       

      陶瓷光固化技術是將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中,通過高速攪拌使陶瓷粉末在溶液中分散均勻,制備高固相含量、低粘度的陶瓷漿料,然后使陶瓷漿料在光固化成型機上直接逐層固化,累加得到陶瓷零件素坯,再通過后續的加熱脫脂工藝,將坯體零件中作為粘接劑的有機成分通過高溫排除,得到零件素坯后,進行燒結工藝,得到致密化的陶瓷零件,如下圖所示。

       

       

      光固化3D打印陶瓷制備流程圖

       

      陶瓷光固化體系漿料一般由陶瓷粉體、光固化單體、光引發劑、分散劑、稀釋劑等組成,由于微納米陶瓷粉體的加入,使得陶瓷漿料的打印比普通樹脂更加地困難。陶瓷粉體的加入不僅使陶瓷漿料的粘度增加造成打印過程困難,也容易引起缺陷,同時陶瓷顆粒會對光產生散射作用,引起打印精度降低。因此陶瓷漿料的制備特性和光固化成型特性成為目前研究的熱點。

       

      3 陶瓷光固化3D打印成型的研究現狀

       

      (1)陶瓷漿料制備方面研究現狀

       

      想要獲得理想質量的打印零件需要提高陶瓷漿料中的固含量,同時需要有良好的固化特性。漿料的穩定性指標要求漿料能長期儲存而不沉淀、基體材料不變質不揮發。

       

      漿料制備過程包括光敏樹脂、陶瓷粉體、分散劑含量等多種標準。有許多關于漿料制備過程的研究,Goswami等研究了氧化鋁陶瓷漿料的光固化,通過沉降速率實驗優化了陶瓷漿料中分散劑的添加量,根據流變性測試數據說明了陶瓷漿料固含量的影響,通過加熱處理降低了高固含量漿料的粘度,實現了高精度零件成型;周偉召等研究了陶瓷漿料的體積分數對光固化成型工藝的影響,陶瓷漿料的體積分數必須大于40vol.%才能夠滿足成型、脫脂和燒結工藝的要求,陶瓷漿料的粘度越小打印固化厚度就越大。此外,陶瓷顆粒的表面改性也可以有效提高陶瓷顆粒在光敏樹脂中的分散效果。

       

      (2)光固化成型工藝方面研究現狀

       

      光固化成型階段在整個陶瓷成型工藝中是核心步驟,決定了陶瓷零件的形狀大小與誤差精度。在陶瓷光固化成型工藝過程中,比爾-朗伯定律能夠準確地描述出打印參數與成型尺寸的關系,比爾-朗伯定律適用于SLA和DLP成型技術。Griffith等在1996年首次提出利用光固化成型制備陶瓷零件的工藝,分別研究了氧化硅、氧化鋁和氮化硅三種陶瓷的光固化中的打印參數,制備了固含量為50vol.%的陶瓷漿料,使用比爾-朗伯定理分析了曝光時間與固化厚度的關系,并對比了不同陶瓷胚件經過脫脂與燒結后的陶瓷零件的致密度。

       

      為了提高成型尺寸精度,研究人員進行了相關實驗,如Xing等使用SLA光固化成型技術的打印了氧化鋯試樣,測試了它們的表面質量、尺寸精度與機械強度。

       

      4 光固化技術研究難點

       

      由于光固化技術在制備復雜結構、高精度陶瓷零部件方面具有明顯優勢,因此國內外學者進行了大量的研究,也取得了突破性的成果,但是在材料制備、工藝優化等方面仍存在很多棘手的問題迫切需要解決。制備高精度高性能的陶瓷零部關鍵在于高固含量和低粘度的陶瓷漿料配制,這也是目前存在的難題之一。對于高折射率陶瓷粉末,降低散射效應提高打印精度是亟需解決的另一難題。

       

      5 光固化陶瓷應用案例

       

      光固化陶瓷打印技術及產品可以廣泛應用于航天、汽車、生物醫療等領域。

       

      5.1 光固化技術制備陶瓷型芯

       

      渦輪葉片是航空發動機中最關鍵的零件之一,鑄造渦輪葉片的關鍵是先制造出能形成葉片復雜內腔的陶瓷型芯。陶瓷型芯是一種犧牲材料,一旦合金熔化到芯上,它將用作負極材料。到目前為止,型芯的制造一直是耗時且昂貴的過程。傳統陶瓷型芯制備方法復雜,在制造過程中處理錯誤的風險很大,并且會產生大量次品。

       

      3D打印鑄造陶瓷型芯流程圖(圖片來源:十維科技)

       

      而光固化3D打印技術是一次成型制造工藝,型芯型殼一體化的打印,無需提前制造模具,極大縮短了制造周期。目前,我國十維科技和3DCERAM均已研制出符合航空業和熔模鑄造行業質量標準的3D打印陶瓷芯。

       

      5.2 陶瓷光固化技術制備透波材料

       

      雷達天線罩選透波材料的依據是高強度、高模量、優異的耐候性和介電性能等,陶瓷(氧化鋁、氧化硅、氮化硅和氮化硼等)自身具有良好的介電性能,在力學性能以及耐高溫等方面有著無可比擬的優勢。透波陶瓷材料已成為高超聲速飛行器天線罩、天線窗等部件的關鍵候選材料。

       

      中國科學院空間應用工程與技術中心采用高固含量Al2O3陶瓷膏體為原料,使用陶瓷光刻3D打印裝備打印設備獲得雷達天線罩模擬件,如下圖所示。何汝杰等將高陶瓷產率的聚硅氮烷和丙烯酸樹脂混合,并采用光固化工藝進行成型經燒結后制備獲得了長方體、蜂窩結構和晶格結構的氮化硅陶瓷。王功等采用氮化硅和二氧化硅混合的陶瓷漿料作為原料,采用光固化工藝制備了氮化硅/氧化硅復相陶瓷。

       

      氧化鋁雷達天線罩模擬件(圖片來源:硅酸鹽學報)

       

      5.3 陶瓷光固化技術制備吸波材料

       

      雷達吸波材料是指能夠吸收并損耗雷達波,減少目標雷達散射截面,降低目標被發現的概率,賦予目標雷達隱身功能的一種功能材料。研究表明,多孔結構設計和多層層合板結構設計是制備結構/功能一體化吸波材料的有效方法。

       

      Mei等采用微觀結構設計與宏觀結構設計相結合方法,采用光固化技術與化學氣相滲透技術相結合的方法制備不同孔斜蜂窩角度的Al2O3/SiC晶須(SiCw)蜂窩復合陶瓷。陶瓷光固化技術為制備具有更廣、更高微波吸收率的結構復合材料提供了新的有效途徑。

       

      5.4 陶瓷光固化技術用于太空制造

       

      太空制造作為一項航天領域的戰略性新技術,已成為各航天強國的新研究熱點??臻g任務中的特殊應用場景對制造精度、制造裝置的功耗和尺寸及智能化等提出的要求也面臨著技術挑戰。中國科學院空間應用工程與技術中心王功等2019年開發了基于光固化技術的在軌精細成型裝置,隨長征五號B火箭搭載的新一代載人飛船試驗船一起進入太空,并完成打印任務,下圖是在太空環境下打印獲得的樣品。

       

      太空環境下打印的陶瓷樣品圖

       

      5.5 陶瓷光固化技術用于其他方面

       

      陶瓷光固化技術除了以上應用外,還應用于很多其他功能材料方面,例如,Duan等通過DLP技術制備了具有導熱性和力學強度的氮化鋁陶瓷。另外,由于3D打印技術成型的靈活性、結構可控性和材料浪費少等優點,越來越多的研究將3D打印技術應用于電池領域。Pang等研究了3D打印技術在電池和能源方面的應用,如電池、超級電容器和太陽能電池。

       

      6 光固化設備

       

      目前國內已有一些企業研發生產陶瓷光固化打印設備,其中科技型、生產型、工業型設備等均已經投入使用。這些設備適應于各種產品,如,大尺寸、高精度陶瓷產品的生產制造,陶瓷材料復雜結構一體化成型,精密陶瓷產品小批量生產等

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