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粉末擠出3D打印蠟基陶瓷材料應用優(yōu)勢及前景

升華三維 2024-12-26 | 閱讀：538

蠟基粘結(jié)劑陶瓷材料的特點和優(yōu)勢

陶瓷注射成型技術(shù)(CIM)是PIM技術(shù)的主要分支,，是在聚合物注射成型技術(shù)比較成熟的基礎上發(fā)展而來的,，是當今國際上發(fā)展最快,、應用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù),。CIM技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢已在高精度和高附加值的陶瓷產(chǎn)品制造上顯示出無比強大的生命力,，在電子通信、醫(yī)療植入,、半導體,、汽車、高檔鐘表和國防等領(lǐng)域的許多精密陶瓷零部件都有著廣泛的應用,。

粉末擠出3D打?。≒EP）集成了CIM成熟工藝與3D打印成型的優(yōu)勢特點，在制造大尺寸復雜形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)件獨具特色,，對傳統(tǒng)CIM應用范圍形成了新的拓展,。粘結(jié)劑作為一個載體能粘結(jié)陶瓷粉體并與之充分混合分散，加熱后能產(chǎn)生很好的流動性,，使之能順利地打印成型而不產(chǎn)生缺陷,。而PEP的關(guān)鍵工藝就離不開粘結(jié)劑的開發(fā)和應用，可以說研究粉末擠出3D打印工藝,，就是研究粘結(jié)劑選擇,、成型和排除的方法。

▲蠟基陶瓷打印材料 ?升華三維

根據(jù)主要粘結(jié)劑組元和性質(zhì)可大致分為：熱固性系統(tǒng),、熱塑性系統(tǒng),、水溶性系統(tǒng)等。采用石蠟作為主要成分的粘結(jié)劑就屬于典型的熱塑性系統(tǒng),。而PEP工藝中3D打印設備所使用的陶瓷原料被稱為喂料/顆粒料,，它一般是陶瓷粉體和多種有機高分子粘接劑組成，經(jīng)混煉和造粒機制備而成的混合顆粒物,。粘接劑在其中起到了潤濕粉體,、賦予喂料流動性，坯體粘附等作用,。由于熱塑性蠟基粘結(jié)劑的流動性較好,，并能選擇其分子量的大小及分布來調(diào)節(jié)其脫脂階段的熱降解性，現(xiàn)已成為PEP技術(shù)最重要的粘結(jié)劑系統(tǒng),。

PEP采用蠟基陶瓷打印材料的主要優(yōu)勢

良好潤濕性：蠟基粘結(jié)劑能夠與陶瓷粉末良好潤濕,，這對于保證陶瓷粉末在成型過程中的均勻分布至關(guān)重要；

低混料溫度：混料溫度低于120℃,，混煉時間較短,，可以減少石蠟加熱損失；

低溫成型：螺桿擠出系統(tǒng)和噴嘴溫度較低,，有利于控制3D打印過程中的溫度,，且容易固化、室溫下有足夠的強度,，確保了生坯形狀的精度和穩(wěn)定性,；

易于脫脂和燒除：在脫脂階段相對容易去除,，可以通過溶解或熱脫的方式，適用于制備大型陶瓷零件,。而在燒結(jié)過程中沒有殘余物留下,，保證了陶瓷部件的純凈度和性能；

PEP打印蠟基陶瓷的工藝特點及步驟

目前熱塑性系統(tǒng)是CIM粘結(jié)劑的主流,，而PEP在陶瓷材料制造能力方面跟CIM工藝有著密不可分的關(guān)系,。PEP充分利用了CIM的喂料開發(fā)系統(tǒng)和脫脂燒結(jié)工藝，再結(jié)合3D打印的靈活設計成型,，可快速實現(xiàn)大尺寸,、結(jié)構(gòu)復雜、高性能的陶瓷零件定制生產(chǎn),。

PEP的技術(shù)特點

無需開模：PEP技術(shù)不需要傳統(tǒng)開模過程,，直接打印成型，簡化了生產(chǎn)流程,，可提高生產(chǎn)效率,；

高自由度設計：能夠根據(jù)產(chǎn)品功能進行高自由度設計優(yōu)化，且可實現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以實現(xiàn)的復雜幾何形狀,，如中空結(jié)構(gòu),、一體化集成和輕量化設計等；

成本效率：PEP技術(shù)采用粉末擠出成型方式,，不需要昂貴的高能量激光器件,，并可充分結(jié)合CIM成熟的前后處理工藝，顯著降低了增材工藝投入和運營成本,，同時可大幅縮減制造周期,，提高了生產(chǎn)效率；

分步工藝：3D打印低溫成型+CIM工藝燒結(jié),，在低溫下即可實現(xiàn)陶瓷材料的成型,，避免了高溫下材料的氧化和分解問題，可獲得性能一致性好的高質(zhì)量產(chǎn)品,；

高適配性：采用蠟基喂料,，基本可適配CIM工藝的陶瓷材料，且打印過程中喂料可循環(huán)利用,，減少浪費,，材料利用率高。

PEP技術(shù)能一次性打印出具有復雜形狀的生坯,，可減少或免除后續(xù)的機加工工序,，而且在蠟基粘結(jié)劑的支持下，陶瓷喂料的流動狀態(tài)更均勻、液相固化過程更穩(wěn)定可控,。能消除傳統(tǒng)模具成形較大尺寸產(chǎn)品不可避免的沿壓方向密度梯度,，可獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學性能優(yōu)異的近凈尺寸零件,。PEP制備陶瓷產(chǎn)品的工藝流程主要包括：陶瓷粉末與粘結(jié)劑混合-喂料混煉制粒-3D打印成形-脫脂-燒結(jié)。此工藝過程中粘結(jié)劑的選擇和開發(fā)起到了關(guān)鍵作用,。

蠟基陶瓷材料在PEP中應用優(yōu)勢

對于陶瓷3D打印來說,，PEP是在CIM工藝基礎上發(fā)展起來一種增材制造技術(shù)，與傳統(tǒng)CIM有著完美的契合度,，使得其在陶瓷方向的應用廣泛,。PEP工藝可適配粒徑在0.2-100μm的陶瓷原粉，升華三維已自主開發(fā)的蠟基陶瓷喂料有：高溫碳化物陶瓷,、氮化物耐熱陶瓷,、高熔點氧化物陶瓷、超導陶瓷,、超高溫陶瓷及生物陶瓷等,，其固含量在55~65vol%之間。

除此之外,，由于采用的是顆粒擠出喂料,，造粒粉及球磨粉均可使用，且對原粉的球形度,、均勻性無明確要求,，還聯(lián)合客戶開發(fā)了更多適用應用需求的陶瓷喂料。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,，公司針對3D打印喂料配方進行了科學管理,，目前已形成了主流金屬/陶瓷3D打印材料的研發(fā)數(shù)據(jù)庫，基于此實現(xiàn)更多材料開發(fā)及應用拓展將更容易,，周期會更短,。

▲升華三維開發(fā)有多種蠟基陶瓷材料

蠟基陶瓷材料結(jié)合PEP工藝的獨立出雙噴嘴3D打印系統(tǒng)，除了能實現(xiàn)單材料的結(jié)構(gòu)件快速成形,。還能發(fā)揮其復合材料打印功能,，制備出多材料或非連續(xù)梯度材料的結(jié)構(gòu)件打印,；而采用基于PEP三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)的梯度功能材料3D打印機,，則可以制備出材料與結(jié)構(gòu)同步梯度變化的復雜產(chǎn)品，可為陶瓷梯度功能新材料及產(chǎn)品開發(fā),，提供設計模擬和試驗支持,。

▲獨立雙噴嘴系統(tǒng)支持多種打印模式 ?升華三維

▲三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)支持梯度功能材料結(jié)構(gòu)打印 ?升華三維

蠟基陶瓷材料在PEP中應用前景

據(jù)Business Research Insights 2024數(shù)據(jù)洞察，2023年全球3D打印技術(shù)陶瓷市場規(guī)模為1.97億美元，預計到2032年將達到6.7億美元,，預測期內(nèi)復合年增長率為14.5%,。而由于光學、機械,、化學和電子行業(yè)的快速增長,，各行業(yè)為保持競爭力而增加的研發(fā)支出，以及不斷增加的技術(shù)突破和制造技術(shù)的現(xiàn)代化,，將為3D打印陶瓷市場帶來新的機遇,。

PEP利用前沿的3D打印技術(shù)結(jié)合成熟的CIM工藝，使得其在陶瓷材料制備和加工領(lǐng)域具有廣闊的應用前景,。得益于蠟基粘結(jié)劑的使用,，PEP在制備陶瓷材料方面的成本效益、材料適應性,、及與傳統(tǒng)工藝的融合都得到了進一步的提升,。同時，多種成型系統(tǒng)的加持,，也為PEP工藝創(chuàng)造工業(yè)應用場景提供了更多想象空間,，在大尺寸、內(nèi)部多孔復雜陶瓷結(jié)構(gòu)件制造和陶瓷基復合材料等應用開發(fā)方面有明顯優(yōu)勢,。

▲PEP工藝制備的氮化硅應用樣品 ?升華三維

▲PEP工藝制備的碳化硅應用樣品 ?升華三維

▲PEP工藝制備的氧化鋁應用樣品 ?升華三維

▲PEP工藝制備的氧化鋯應用樣品 ?升華三維

PEP工藝目前已在空間反射鏡,、高溫爐具、熱交換器,、晶圓載具,、天線罩、過濾催化器,、人工骨等陶瓷應用方面有著較成熟案例,。此外，PEP技術(shù)因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性,，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染,，符合當前制造業(yè)的環(huán)保趨勢，市場潛力巨大,。有望在航空裝備,、空間技術(shù)、核工業(yè),、國防,、光伏半導體、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得以深度開發(fā)和應用拓展,。