中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷材料具有優(yōu)良高溫性能,、高強(qiáng)度,、高硬度、低密度,、好的化學(xué)穩(wěn)定性,,在航天航空、汽車,、生物等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,,而陶瓷難以成型的特點(diǎn)又限制了它的使用,尤其是復(fù)雜陶瓷制件的成型均借助于復(fù)雜模具來實(shí)現(xiàn),。3D打印的出現(xiàn)為陶瓷制件成型提供了新的途徑,。3D打印,又名增材制造,,是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。
圖片來源:中國粉體網(wǎng)
陶瓷3D打印的技術(shù)分析
陶瓷件的3D打印包括配制陶瓷漿料,、繪制三維模型并切片,、3D打印成形,、燒結(jié)等工藝過程。利用3D打印技術(shù)研究的陶瓷材料包括氧化鋯,、氧化鋁,、磷酸三鈣、碳化硅,、碳硅化鈦,、陶瓷前驅(qū)體等,其打印技術(shù)主要有噴墨打印技術(shù)(IJP),、熔化沉積成形技術(shù)(FDM/FDC),、光固化成形技術(shù)(SLA/DLP)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM),、激光選區(qū)熔化技術(shù)/激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLM/SLS),、三維打印成形技術(shù)(3DP)、漿料直寫成形技術(shù)(DIW)等,。
其中IJP技術(shù)原理簡單,,打印頭成本低,易產(chǎn)業(yè)化,,但是墨水配制需要求粉末粒徑均勻,,不發(fā)生凝聚,流動性好,,高溫化學(xué)性能穩(wěn)定,,且噴墨打印頭易堵塞,墨水液滴大小限制打印最大高度,,很難制備z軸方向具有不同高度的三維結(jié)構(gòu),。
3DP技術(shù)能夠大規(guī)模成形出陶瓷部件,成本較低,,但粘結(jié)劑強(qiáng)度導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限,,難以制備機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷部件。
與SLA技術(shù)相比,,DIW技術(shù)無需紫外光和激光輻射,,常溫可成形,且可配制高含量均勻穩(wěn)定的陶瓷懸浮液,,燒結(jié)后可獲得高致密化燒結(jié)體,,但是水基陶瓷懸浮液穩(wěn)定性差,保存周期短,,有機(jī)物基陶瓷料漿穩(wěn)定性高,,但增加低溫排膠過程,提高了制造成本,。
SLS技術(shù)無需支撐就可制備復(fù)雜陶瓷零件,,但因受粘結(jié)劑鋪設(shè)密度限制,,導(dǎo)致陶瓷制品密度不高。
SLA技術(shù)成形精度極高,,可制備極其復(fù)雜幾何形狀的零件,,得到的陶瓷件燒結(jié)后密度高,性能優(yōu)異,,但需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu),,后處理麻煩,同時考慮二次固化問題,,且折射率較高材料難以使用該技術(shù),。
LOM成形速率高,無需設(shè)計支撐,,但后處理工序繁瑣,,成形坯體各向機(jī)械性能差別大。
不同3D打印成形方法各有利弊,,在實(shí)際生產(chǎn)制備過程中需平衡周期,、經(jīng)濟(jì)成本、精度,、尺寸等多方面因素,、選擇合適的陶瓷3D打印成形方法,,不同3D打印陶瓷粉末比對見表1,。
表1 不同3D打印陶瓷粉末制備方法比對
3D打印陶瓷材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在國外,3D陶瓷打印已經(jīng)發(fā)展了相當(dāng)長的一段時間,,在工藝技術(shù)等方面的研究與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展十分迅速,。
2012年10月,土耳其伊斯坦布爾的Unfold設(shè)計室科研人員利用其自行研發(fā)的3D打印設(shè)備成功打印出造型各異的日用陶瓷制品,,有些產(chǎn)品經(jīng)表面上釉并燒制后,,質(zhì)量很好。
奧地利的3D打印公司Lithoz開發(fā)了基于光刻的陶瓷制造技術(shù)(LCM),。借助LCM技術(shù)開發(fā)的最新型3D打印機(jī)CeraFab7500能夠打印高精確度,、高密度、高強(qiáng)度的陶瓷,,材質(zhì)包括氧化鋁,、氧化鋯等,成為陶瓷材料3D打印的領(lǐng)導(dǎo)者,。
波蘭的Tytan3D開發(fā)團(tuán)隊成員成功研發(fā)了可以自由選擇打印材料的Delta3D打印機(jī),。打印機(jī)采用鋁質(zhì)框架,所有的機(jī)械元件都是專業(yè)級零件,,電機(jī)和電子控制系統(tǒng)安裝于打印機(jī)上方,。墨盒可以存儲不同的陶瓷材料,,甚至可以使用能硬化的砂質(zhì)材料。
國內(nèi)的研究領(lǐng)域更多以高校為發(fā)源地,,如:西北工業(yè)大學(xué)以硅粉為原料,,糊精為粘結(jié)劑,采用3D打印技術(shù)制備出多孔硅坯體,,通過反應(yīng)燒結(jié)得到高孔隙率的螺釘,、螺母等氮化硅陶瓷部件。西安交通大學(xué)進(jìn)行了陶瓷料漿的擠出成形,、陶瓷漿料的光固化成形及陶瓷粉末粘結(jié)成形等3D打印成形陶瓷材料的研究工作,,并使用3D打印技術(shù)成功進(jìn)行了陶瓷零件的制備。2013年,,我國華中科技大學(xué)研制出全球最大的“3D打印機(jī)”,,可以用于1.2m×1.2m零件的加工,其加工技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平,。
目前,,雖然3D打印陶瓷市場發(fā)展前景較好,但在我國處于起步階段,,原創(chuàng)技術(shù)缺乏,、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)鏈不健全等因素制約了國內(nèi)3D打印陶瓷市場的進(jìn)一步發(fā)展,,在技術(shù)與設(shè)備上還不如一些發(fā)達(dá)國家,。但是國內(nèi)的企業(yè)與高校正在積極地研制適用于3D陶瓷打印機(jī)和打印的專用原料,在向國內(nèi)外客戶提供服務(wù)的同時,,自身也取得飛速的發(fā)展,。2021年8月6日上午10點(diǎn),中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺邀請到中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所高級工程師王劍磊作《陶瓷3D打印的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用》報告,。報告將主要闡述3D打印的技術(shù)發(fā)展和陶瓷3D打印的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn),,為3D打印陶瓷的應(yīng)用提供了新的思路。
專家介紹
王劍磊,,1989年5月生,,博士,高級工程師,,碩士生導(dǎo)師,。2011年于華東理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位;2014年于華東理工大學(xué)獲碩士學(xué)位,;2018年于中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所獲博士學(xué)位,,同年評上副高和碩導(dǎo)。主要從事高分子材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā)。在3D打印方面,,以第一作者或通訊作者發(fā)表13篇SCI學(xué)術(shù)論文,,以第一發(fā)明人申請中國發(fā)明專利30項(xiàng),授權(quán)9項(xiàng),。在復(fù)合材料方面,,開發(fā)建筑模板用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和動力電池箱體用SMC復(fù)合材料,在福建海源新材料科技有限公司得到應(yīng)用,,已完成產(chǎn)業(yè)化投產(chǎn)并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收,。主持5項(xiàng)福建省科技廳、發(fā)改委,、工信廳項(xiàng)目和多項(xiàng)企業(yè)橫向合作項(xiàng)目,。
參考來源:
【1】張文毓.3D打印陶瓷材料的研究與應(yīng)用.陶瓷.2020.
【2】孫志雨,等.金屬/陶瓷粉末3D打印技術(shù)及其應(yīng)用.精密成形工程.2018.
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)
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