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PEP打印陶瓷材料的特點(diǎn)及與直寫3D打印的差異

升華三維 2025-01-06 | 閱讀：200

陶瓷材料以其特有的耐高溫,、耐腐蝕,、抗氧化和功能性等優(yōu)異特性，在航空,、航天,、電子和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著高性能陶瓷的發(fā)展,，工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)μ沾闪慵Y(jié)構(gòu)的要求越來越高,，但受到現(xiàn)有模具開發(fā)技術(shù)和陶瓷材料成形工藝的限制，傳統(tǒng)的陶瓷成型方法已無法滿足應(yīng)用的高要求,。

3D打印是一種基于材料堆積的先進(jìn)制造方法,，具有智能、無模,、精密和高復(fù)雜度的制造能力,，為陶瓷零件制造提供了新思路。其中,，基于擠出成型原理的線材的熔融沉積造型技術(shù)（FDM）,、顆粒的粉末擠出打印技術(shù)（PEP）和漿料的墨水直寫技術(shù)（DIW）是目前應(yīng)用較多的陶瓷材料成型方式。

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▲陶瓷3D打印技分類術(shù) ?Journal of the European Ceramic Society,，有補(bǔ)充

墨水直寫3D打印技術(shù)介紹

墨水直寫3D打印技術(shù),，也稱直接墨水書寫（Direct Ink Writing，DIW）,，源于1998年美國Sandia國家實驗室J.Cesarano等提出的自動注漿成型技術(shù),，起初主要針對陶瓷等材料的三維模型制造，這得益于陶瓷粉體密度低,、易與相關(guān)溶劑形成均勻穩(wěn)定的懸浮漿料,，從而和這種擠出式技術(shù)的原理特點(diǎn)相得益彰，因此有關(guān)陶瓷類漿料直寫技術(shù)的研究在國內(nèi)外一直屬于熱點(diǎn)領(lǐng)域,。不過隨著直寫技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,，也逐漸有研究將該技術(shù)擴(kuò)展到其他材料，例如金屬粉末材料,、生物凝膠材料,。

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▲（a）DIW設(shè)備原理；(b)紫外光輔助DIW原理,；(cd)主動混合輔助DIW原理

墨水直寫是在室溫下采用膏狀材料以線狀方式擠出的3D打印技術(shù),。當(dāng)前，為了順利擠出漿料開發(fā)了三種給料方法：壓力驅(qū)動,，體積驅(qū)動（通常使用步進(jìn)電機(jī)）和螺桿驅(qū)動,，這三種擠出方式各有優(yōu)劣，通常會依據(jù)漿料的自身流動特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)臄D出模式。

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▲三種不同的漿料擠出設(shè)計 ?網(wǎng)絡(luò)

DIW技術(shù)的關(guān)鍵在于制備流變性良好的墨水,，優(yōu)質(zhì)的墨水具備在擠出過程中形成連續(xù)細(xì)絲且不堵塞噴嘴的能力,，在擠出后能夠承受自身重力不發(fā)生形變，確保了打印和干燥過程中的形狀保持一致,。理想情況下,，適合擠出直寫的漿料應(yīng)該是非牛頓流體，其在噴嘴處的剪切速率增大時粘度降低,，從而能夠順利擠出,，剪切力消失后，粘度能夠迅速恢復(fù)以維持形狀,。

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▲非牛頓流體 ?網(wǎng)絡(luò)

墨水的流變性主要由溶劑體系和粉末的特性以及固含量決定,。對于制備陶瓷致密件，需要低粘度,、高固含量的墨水,。因此，在墨水中添加適合的分散劑使得呈現(xiàn)剪切稀化行為,，這種趨勢遵循非牛頓流體行為,，從而符合墨水直寫打印的要求。目前DIW打印的陶瓷材料主要有碳化硅,、氧化鋁,、氧化鋯等。在航空航天,、半導(dǎo)體元器件,、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

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▲基于陶瓷材料的直寫式打印參數(shù) ?佛山陶瓷2024年11期

PEP與DIW的技術(shù)特點(diǎn)及差異

升華三維PEP技術(shù)是集成了PIM成熟工藝與3D打印成型的一種增材技術(shù),，在制造大尺寸復(fù)雜形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)件獨(dú)具特色,，對傳統(tǒng)CIM工藝科研和工業(yè)應(yīng)用形成了良好補(bǔ)充。DIW與PEP均是典型的擠出成型工藝,，希望借此文能助力工業(yè)陶瓷應(yīng)用客戶,，更多地了解這兩種技術(shù)的特點(diǎn)和區(qū)別，深入探索不同技術(shù)路線優(yōu)勢,，挖掘市場應(yīng)用潛力,。

雖然兩者成型技術(shù)存在著本質(zhì)上的差異，但材料開發(fā)和脫脂燒結(jié)工藝都是它們的最關(guān)鍵步驟,，因此這些才是我們真正需要關(guān)注的,，并結(jié)合上下游供應(yīng)鏈形成完整的陶瓷增材工藝制造，共同促進(jìn)中國先進(jìn)陶瓷的高質(zhì)量發(fā)展,。PEP技術(shù)和DIW技術(shù)各有優(yōu)勢,，但也存在著明顯的差異點(diǎn),，選擇哪種技術(shù)取決于具體的應(yīng)用需求、成本預(yù)算和生產(chǎn)規(guī)模,。

PEP與DIW的技術(shù)的差異點(diǎn)

成型原理：PEP技術(shù)采用顆粒材料融熔擠出成型，而DIW技術(shù)采用膏狀漿料室溫擠出成型,，兩者在成型原理上存在本質(zhì)區(qū)別,；
材料類型：PEP技術(shù)可適配PIM工藝的0.2~100微米的金屬和陶瓷粉末材料，對材料球形度無限制,，而DIW技術(shù)則可打印金屬,、陶瓷、木材和水凝膠等,，對粉末流動性和粉末粒度有較高要求,；
后處理工藝：PEP需要采用脫脂燒結(jié)工藝，DIW除了以上工藝外,，在打印陶瓷生坯后可能還需進(jìn)行再固化步驟,；
應(yīng)用范圍：PEP技術(shù)適合具有復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)的大尺寸陶瓷零件制造，DIW技術(shù)則更易于制造有利于細(xì)胞和組織生長的多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),。

PEP與DIW的應(yīng)用優(yōu)勢及前景

PEP技術(shù)在成本效益,、材料適應(yīng)性、及與傳統(tǒng)工藝契合方面均表現(xiàn)出色,，在大尺寸的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷,、中空輕量化結(jié)構(gòu)和梯度功能陶瓷制備方面能提供完備的工藝支撐，同時也特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅,、氮化硅）的增材制造,。在航空裝備、空間技術(shù),、核工業(yè),、國防、光伏半導(dǎo)體,、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的陶瓷增材制造方面有著廣泛的應(yīng)用前景,。盡管打印件表面光潔度有限，但是在生物陶瓷支架應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ捅砻尜|(zhì)量有著獨(dú)特需求,，也許可能轉(zhuǎn)變?yōu)閷@些部件有利的結(jié)構(gòu)特性,。

DIW技術(shù)在制備陶瓷材料方面也表現(xiàn)出色，適用于打印鏤空點(diǎn)陣陶瓷結(jié)構(gòu),。也可通過在陶瓷基體中引入納米顆粒,、纖維或其他增強(qiáng)材料，來調(diào)控陶瓷材料的性能,，以提高其力學(xué)性能,、熱學(xué)性能等關(guān)鍵特性，也對陶瓷材料及其復(fù)合材料的制備提供了全新的可能性。

不過需要補(bǔ)充的是,，增材制造的應(yīng)用除了成型技術(shù)的影響外,，材料才是關(guān)鍵，不論哪種技術(shù)路線,，最終都可以定義成是在為不同陶瓷材料的應(yīng)用場景提供工藝支持,。隨著打印工藝和材料性能的深入發(fā)展，這兩種技術(shù)也有望在制造業(yè)和科技創(chuàng)新中發(fā)揮更為重要的作用,，為社會帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇,。

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