中國(guó)粉體網(wǎng)訊 據(jù)最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的論文,美國(guó)東北大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種可壓鑄成復(fù)雜零件的全陶瓷材料——快速熱成型陶瓷,。研究人員認(rèn)為,,未來(lái)這種全陶瓷材料可用于塑形,貼合到各種電子部件上,,這種陶瓷將比目前使用的金屬更薄,、更輕、效率更高,。
圖片來(lái)源:美國(guó)東北大學(xué)
陶瓷擁有高強(qiáng),、高硬、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),,但同時(shí)其具有的硬和脆等特征,,導(dǎo)致陶瓷成型速度慢、加工成本高,、難度大,,極大的妨礙了陶瓷材料的發(fā)展應(yīng)用。而快速成型技術(shù)的出現(xiàn),,能大幅降低陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,,提高生產(chǎn)效率。
快速成型的工作原理
快速成型技術(shù)(即RP)是集CAD技術(shù),、數(shù)控技術(shù),、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果。先借助三維CAD,,或用實(shí)體反求工程采集得到有關(guān)原型或零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息,,從而獲得目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)模型,;然后將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模進(jìn)行分層離散的得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù),;之后將信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)。RP技術(shù)的各種成型工藝根據(jù)各自具體的工藝要求,,控制激光器(或噴嘴)有選擇性地?zé)Y(jié)薄層的陶瓷粉末,,形成一系列具有微小厚度的片狀實(shí)體,再采用熔結(jié),、聚合,、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體。
快速成型的特點(diǎn)
制造復(fù)雜零件,。RP技術(shù)采用逐層堆積制備零件,,可以不受零件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制。
凈型成型,。RP技術(shù)制備的部件需要的后期輔助加工量減小,,避免了外協(xié)加工的數(shù)據(jù)泄露和時(shí)間跨度,尤其適合一些高保密性的行業(yè),。
產(chǎn)品研制周期短,。RP技術(shù)能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)并行,從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的周期,,加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度,,特別適合小批量、復(fù)雜,、異形產(chǎn)品的直接生產(chǎn),。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,RP技術(shù)也更加有利于遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程制造,。
應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,。RP技術(shù)制備的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接,結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法,,RP技術(shù)不僅在制造的原型制造,、產(chǎn)品造型與模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域,在醫(yī)學(xué)和建筑工程領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景,。
快速成型技術(shù)
1,、立體光刻成型技術(shù)(SLA)
SLA技術(shù)目前是世界上研究最深入、技術(shù)最成熟,、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型方法,。其已成功用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)致密/多孔陶瓷零件的制造,如整體型芯,、微電子組件如傳感器和光子晶體,、生物醫(yī)學(xué)人工支架和口腔修復(fù)等。
國(guó)外在有機(jī)前軀體光敏材料體系,、光固化掃描方式和脫脂工藝等因素的影響方面取得了一些進(jìn)展,;國(guó)內(nèi)從事SLA技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)也越來(lái)越多,,主要研究單位是西安交通大學(xué)、深圳大學(xué),、廣東工業(yè)大學(xué)等,,在成型機(jī)理、漿料組分,、控制成型工藝等方開(kāi)展了大量的工作,。
2、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)
LOM又被稱為層疊制備技術(shù),,能夠?qū)⒁呀?jīng)成型的陶瓷薄片,,通過(guò)涂覆熱熔膠等材料進(jìn)行熱壓輥輪加熱、壓片和粘結(jié)的方法,,將其與已經(jīng)成型的工件粘結(jié)在一起,,利用激光掃描器切割成型,反復(fù)操作后,,直到所有截面粘結(jié)和切割成型,,可得到實(shí)體零件。
LOM技術(shù)是最成熟的RP技術(shù)之一,,具有制作效率高、速度快,、成本低等優(yōu)點(diǎn),,已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零件制造工作當(dāng)中。用于LOM技術(shù)的陶瓷片材主要采用流延法制作,,材質(zhì)主要有Al2O3,、SiC、Si3N4,、和BaTiO3等,。Klosterman等采用SiC粉體、炭黑,、石墨粉末和高分子粘結(jié)劑作為原材料,,通過(guò)流延法制成陶瓷薄片,進(jìn)一步利用LOM技術(shù),,成功制備出防彈衣陶瓷素坯,。
3、熔融沉積制造技術(shù)(FDM)
FDM技術(shù)具有成型系統(tǒng)尺寸小,、成型材料廣泛,、成型速度快和無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn),但其制件表面質(zhì)量較差,。
采用FDM工藝制備陶瓷件的工藝稱為FDC,,即將陶瓷粉和有機(jī)粘結(jié)劑相混合,,用擠出機(jī)或毛細(xì)管流變儀做成絲后用FDM設(shè)備做出陶瓷件生胚,通過(guò)粘結(jié)劑的去除和陶瓷生胚的燒結(jié)的得到較高致密性的陶瓷件,。
4,、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)
SLS技術(shù)所用的成型材料均為粉末狀材料,適合SLS的材料必須具有良好的熱塑(固)性,、適度的導(dǎo)熱性,、較窄的“軟化-固化”溫度范圍,經(jīng)激光燒結(jié)后要有足夠的粘接強(qiáng)度,。
一般SLS 制備的陶瓷件胚體密度較低,,通過(guò)后期浸漬及溫等靜壓工藝可以實(shí)現(xiàn)高密度陶瓷胚體的制備,進(jìn)而燒結(jié)過(guò)得致密的材料,。
5,、三維打印技術(shù)(3DP)
與SLS 技術(shù)不同的是,3DP技術(shù)材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的,,而是通過(guò)噴頭用粘結(jié)劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面,。
3DP工藝采用了打印技術(shù)中的噴墨方法,噴頭不直接接觸粉末表面的情況下,,將零件的片層逐層粘接起來(lái),,該技術(shù)主要可以控制對(duì)孔隙率及對(duì)孔徑分布的控制。
快速成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
RP技術(shù)最初主要應(yīng)用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和功能試驗(yàn)上,,借此縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,、降低設(shè)計(jì)費(fèi)。近幾年來(lái)RP技術(shù)在修復(fù)醫(yī)學(xué)上的發(fā)展迅速,,主要集中在人工假體,、人工活性骨及口腔修復(fù)等方面。
國(guó)外RP技術(shù)相對(duì)要比較成熟,,美國(guó)已基本形成產(chǎn)業(yè)鏈,。而國(guó)內(nèi)發(fā)展較落后,還處于向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)的時(shí)期,。我國(guó)的RP技術(shù)還存在制造精度差,、強(qiáng)度低和價(jià)格高等不足之處,另外就是維護(hù)費(fèi)用也較高,,這些因素也限制了RP技術(shù)的推廣應(yīng)用,。但這并不能遮蓋其快速制造復(fù)雜形狀構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn),因此,,其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊,。
參考來(lái)源:
張曉麗,李楠等:先進(jìn)陶瓷材料快速成型技術(shù)研究進(jìn)展
左開(kāi)慧,,姚冬旭等:應(yīng)用于陶瓷材料的快速成型技術(shù)的發(fā)展
楊飛等人:陶瓷曝光快速成型工藝研究
財(cái)聯(lián)社:新型陶瓷了解下,?有望應(yīng)用于電子產(chǎn)品 輕薄且散熱更高效
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青)
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