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PEP工藝助力碳化硅陶瓷實現(xiàn)快速輕量一體化制造

升華三維 2024-06-13 | 閱讀：1467

輕量一體化,，成碳化硅主要應(yīng)用方向

碳化硅（SiC）陶瓷憑借其比剛度大,、熱導(dǎo)率高、熱變形系數(shù)小以及穩(wěn)定性好等綜合品質(zhì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)等高端制造的電子設(shè)備、散熱解決方案以及光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域,。

▲輕量化設(shè)計的碳化硅反射鏡（來源：升華三維）

輕量化的實現(xiàn)途徑主要有三大方面：一是材料的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用,；二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；三是先進(jìn)制造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用,。三者相輔相成以實現(xiàn)最終產(chǎn)品的輕量化制造,。碳化硅陶瓷在具有低密度的同時具有高機(jī)械強(qiáng)度，是作為輕量化設(shè)計的理想材料,；再通過輕量化構(gòu)型設(shè)計思路,，不僅可以降低對材料的使用要求，還能減少昂貴材料的使用量,、改進(jìn)強(qiáng)度重量比,、縮短加工時間；結(jié)合增材制造(3D打印)技術(shù)成形復(fù)雜異型構(gòu)件的獨(dú)特優(yōu)勢,，將是SiC陶瓷材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的重點(diǎn)方向,。

3D打印技術(shù)具有智能、無模,、精密,、高復(fù)雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造,。不過相對于塑料或金屬有固定的熔點(diǎn),，通過加熱融化后就可以進(jìn)行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點(diǎn),，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅,，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解,，導(dǎo)致無法直接3D打印,，需打印出一個素坯再去燒結(jié)。而基于燒結(jié)的3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu),、輕量一體化制備碳化硅已成為主要應(yīng)用趨勢,。

PEP工藝為碳化硅快速輕量化制備提供解決方案

在SiC陶瓷制備方面，升華三維的粉末擠出3D打?。≒EP）工藝具有3D打印與粉末冶金工藝相結(jié)合的雙重優(yōu)勢,，可從SiC的素坯成型工藝入手，并結(jié)合適宜的燒結(jié)工藝,，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達(dá)到近凈成型,，以減少后續(xù)加工量，并保證了產(chǎn)品性能滿足使用需求,，這為實現(xiàn)高性能碳化硅陶瓷構(gòu)件大尺寸,、輕量化,、一體化制備提供了解決方案,。

▲不同晶格結(jié)構(gòu)填充的碳化硅樣品（樣品來源：升華三維）

晶格結(jié)構(gòu)是一種最典型的輕量化設(shè)計結(jié)構(gòu)。基于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài),，使用水射流切割,、鑄造、化學(xué)鍍和電沉積等傳統(tǒng)的制造技術(shù)制造,，耗時,、昂貴，并且無法達(dá)到高分辨率,，而采用3D打印的數(shù)字化制造方式,，可實現(xiàn)以較低的成本和時間來制造高分辨率和復(fù)雜形狀的薄支柱和晶格幾何形狀，這一顯著的優(yōu)勢讓其成為了理想的填充成形方式,。目前,，除了在消費(fèi)品、體育用品,、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域備受青睞之外,，超輕和多功能特性的晶格結(jié)構(gòu)也在再生醫(yī)學(xué)、汽車設(shè)計,、航空航天等領(lǐng)域有著深度的應(yīng)用,。

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▲晶格結(jié)構(gòu)填充實現(xiàn)碳化硅的輕化量（樣品來源：升華三維）

升華三維結(jié)合PEP技術(shù)特性及自主切片軟件優(yōu)勢能力，開發(fā)了20多種自定義“晶格填充結(jié)構(gòu)”模式,，可對產(chǎn)品的實體區(qū)域進(jìn)行便捷的晶格填充結(jié)構(gòu)設(shè)置,，自動規(guī)劃打印路徑，均衡結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力,。每種模式都有其獨(dú)特的優(yōu)勢,，適用于特定的應(yīng)用工況，實現(xiàn)快速輕量化,、孔隙間距,、孔形設(shè)計調(diào)整等需求。有助于客戶快速實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計和制備,。

升華三維通過自主PEP技術(shù)獨(dú)特優(yōu)勢與反應(yīng)燒結(jié)工藝相結(jié)合,，已實現(xiàn)了碳化硅復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。PEP采用基于蠟基體系的碳化硅顆粒喂料（UPGM-SiC）,，具有高強(qiáng)度,、高硬度、高熱導(dǎo)率,、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能的陶瓷材料,，適應(yīng)于航空航天、微電子,、汽車工業(yè)等領(lǐng)域,。且可支持客戶自定義開發(fā),。

▲升華三維碳化硅3D打印材料

通過3D打印設(shè)備利用顆粒熔融擠出成型方式先打印生坯，然后再經(jīng)過成熟的粉末冶金工藝脫脂和燒結(jié),，得到結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的碳化硅結(jié)構(gòu)件,。這為實現(xiàn)碳化硅陶瓷部件的近尺寸、輕量一體化制備提供了全新方法,。

而采用的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅工藝,，具有處理溫度低、時間短,、不需要特殊及昂貴的設(shè)備,、反應(yīng)燒結(jié)胚件不收縮，尺寸幾乎不變,、燒結(jié)過程無需加壓,，可以制備大尺寸、形狀復(fù)雜的制品,。

升華三維為碳化硅制造提供高價值服務(wù)

在應(yīng)用案例中,，上海硅酸鹽研究所利用升華三維大尺寸獨(dú)立雙噴嘴打印機(jī)UPS-556系統(tǒng)的顆粒熔融沉積工藝結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學(xué)元件等高附加值組件,。基于PEP的顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害,，為未來空間3D打印提供了可能。PEP工藝為該案例中的復(fù)雜結(jié)構(gòu),、大尺寸,、輕量一體化碳化硅元件的成功制備提供了支持，可有力地支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),，提升了我國在遙感探測技術(shù)的核心競爭力,。

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該團(tuán)隊制備的SiC陶瓷最新研究數(shù)據(jù)顯示：密度可達(dá)3.12g·cm3，硅含量降低至10vol%左右,，抗彎強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到465MPa和426GPa,，力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當(dāng)，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度,。相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會雜志》(Journal of the European Ceramic Society)上,，并申請中國發(fā)明專利2項（其中1項已授權(quán)）。

▲采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能

隨著碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,，將進(jìn)一步推動碳化硅市場的高速發(fā)展,。3D打印技術(shù)作為高端裝備制造領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn),，在實現(xiàn)特種陶瓷無模成形,、縮減產(chǎn)品設(shè)計周期、精細(xì)陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用,。

升華三維將深化先進(jìn)陶瓷的開發(fā)與研究,，加強(qiáng)對大尺寸,、高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)層的設(shè)計與制造能力,，實現(xiàn)對層內(nèi)各種穿插,、交織,、多孔等三維結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度,、剛度、韌性,、耐久性等多性能的完美平衡,，結(jié)合實際應(yīng)用開發(fā)更多實用的晶格填充結(jié)構(gòu)。升華三維現(xiàn)已建成完備的粉末擠出3D打印工藝鏈,，支持從材料配方開發(fā),、打印設(shè)備定制、到脫脂燒結(jié)工藝適配的靈活解決方案,，為客戶快速實現(xiàn)理想產(chǎn)品的設(shè)計和制造提供高價值服務(wù),。

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