【原创】先进陶瓷3D打印技术特点与现状分析


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  目前主流的陶瓷3D打印技术有:熔融沉积成型技术(FDM)、光固化3D打印技术(SLA)、墨水直写成型(DIW)、粉末床激光烧结(SLS)等。

中国粉体网讯  陶瓷作为一种结构材料,因具有高的弯曲强度、良好的蠕变性能、高硬度和耐高温等特点而广泛应用在航空航天、工业制造和生物医疗等方面。然而,采用传统方法制备的陶瓷,普遍存在加工困难,难以制备复杂形状制品的问题。新兴的3D打印技术在高性能陶瓷的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,为陶瓷关键零部件的应用开辟新的途径,为解决传统制造问题和挑战提供了全新的可能性。


 

图片来源:十维科技


1、陶瓷3D打印技术


3D打印技术(又称增材制造)的出现突破了传统制造技术的约束,为实现复杂结构件制造提供了一种可能。相对于传统的减材、等材制造方式,增材制造技术具有不增加成本,无需模具,就可制备出异形产品的特点。其最大的优势是能制备出传统加工方式无法制备的复杂结构,实现材料的结构化设计,从而高效实现材料与结构的一体化、结构与功能的一体化。


陶瓷3D打印技术是一种通过离散材料逐层制造并叠加得到三维复杂结构陶瓷零件的先进制造技术,具有材料利用率高、制造灵活性强、数字化程度高等优势,适用于小批量、复杂结构的陶瓷零件制造。


 

3D打印复杂陶瓷结构(图片来源:硅酸盐学报)


2、主流的陶瓷3D打印技术


目前主流的陶瓷3D打印技术有:熔融沉积成型技术(FDM)、光固化3D打印技术(SLA)、墨水直写成型(DIW)、粉末床激光烧结(SLS)等。


1.1熔融沉积成型技术(FDM)


FDM技术是采用混有陶瓷粉末的喷丝作为原材料,使用高分子熔点以上的温度将喷丝中的高分子材料融化后挤出喷嘴,挤出后的陶瓷高分子复合材料冷却固化。


FDM技术设备原料成本低、材料利用率高、可选材料丰富,但精度较低,难以构建结构复杂的构件、与截面垂直的方向强度低且成型速度较慢。


1.2光固化3D打印技术(SLA)


光固化3D打印技术被认为是最著名和最受欢迎的3D打印技术,并已在全球广泛使用,是将陶瓷粉体与光敏树脂及其他添加剂混合成光敏陶瓷浆料,紫外光在程序控制下逐点扫描浆料引发光敏树脂交联,使得浆料固化成型。浆料固化一层,成型台下降一定高度以补充浆料,新一层浆料在紫外光作用下继续固化。陶瓷浆料逐层固化得到陶瓷生坯,经脱脂和烧结处理后得到陶瓷材料。


SLA技术具有成型速率快、制品表面质量好、尺寸精度高等优势。与其他技术相比,SLA技术适合制备高精度、形状复杂的小型零件。该技术不限陶瓷基材(氧化铝、氧化锆、磷酸钙等),致密度可高达96%以上。


1.3墨水直写成型(DIW)


墨水直写成型(DIW)是指在程序控制下,将陶瓷粉末与各种有机物混合,制成陶瓷墨水,然后通过打印机将其打印到成形平面上形成陶瓷坯体。


陶瓷墨水的配置是关键,要求陶瓷粉体在墨水中能够良好均匀地分散,并具有合适的粘度、表面张力及电导率,以及较快的干燥速率和尽可能高的固相含量。DIW技术需要在高温炉中进行脱脂和烧结,具有成型速度快、可成型原料广等优点,在制备深色陶瓷制品方面有很大优势,但是制品表面精度差、致密度低。


1.4选区激光烧结技术(SLS)


选区激光烧结技术(SLS)是将陶瓷粉体和其它低熔点粉体铺在粉床上,在程序控制下激光按照设定路径移动。低熔点粉体在激光作用下熔化并将陶瓷粉体连接,完成一层后,成型台下降一定高度,经过逐层堆积最终得到三维实体。


SLS具有成型速率快、可成型尺寸跨度大等优势,但由于有机高分子粘结剂含量较高,因而所得坯体密度较低,疏松多孔,故通常需进行后续处理提高致密度,如等静压处理、浸渗技术。


3、3D打印用陶瓷材料


目前已经开发出的可用于3D打印的陶瓷材料主要包括以下几种:


氧化铝陶瓷:目前应用最为广泛的工业陶瓷,其耐受的温度高达1700℃,并且在高温下性能依然良好。在陶瓷3D打印材料的技术中,采用改性得到的陶瓷粉末材料进行3D打印,生产时间短、成本低、加工方便、可操作性强,因此氧化铝陶瓷3D打印材料广泛地应用在建筑、航空航天和电子产品等领域。


氧化锆陶瓷:有相变增韧和微裂纹增韧,所以有很高的强度和韧性,被誉为“陶瓷钢”,高硬度、高强度和高韧性就保证了氧化锆陶瓷比其它结构陶瓷具有不可比拟的耐磨性;同时经过打磨的氧化锆陶瓷有着类似金属的光泽,并且可以调配不同的色彩,因此在珠宝奢侈品领域深受欢迎。


碳化硅陶瓷:碳化硅(SiC)陶瓷具有高的抗弯强度、优良的抗氧化性与耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦因数等高温力学性能。SiC陶瓷在已知陶瓷材料中具有最佳的高温力学性能(强度、抗蠕变性等),其抗氧化性在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。


多孔氮化硅陶瓷:多孔氮化硅陶瓷(Si3N4)结合了多孔陶瓷和Si3N4陶瓷两者的优点,热导率好、透过性均匀、物理化学性能稳定。在3D打印多孔氮化硅陶瓷方面,西北工业大学的翁作海等以粒径为7.2μm的高纯硅粉为原料,糊精为粘结剂,采用造粒手段制备了粒径小于200μm的Si3N4粉料。


碳硅化钛陶瓷:碳硅化钛陶瓷(Ti3SiC2)具有层状的六方晶体结构,在生物、医疗等方面有着广泛的应用。利用3D打印技术制备Ti3SiC2陶瓷则可以完全克服成本高、耗时长、灵活性差的缺点。


4、陶瓷3D打印现状与发展特点


相关媒体针对96家陶瓷3D打印企业做了市场调研,调查结果显示,陶瓷3D打印市场在2020年产生的大约1.54亿美元(约9.93亿人民币)收益,通过专有预测模型,集成了多个影响系数,预计陶瓷3D打印市场将从2020年的1.54亿美元增长到2030年的超过34亿美元(约219亿人民币)。


♦工业级陶瓷3D打印技术和设备门槛较高,成本较高,需要从原材料烧结后处理等多方面研究;

♦打印效率需要进一步提升,生产流程往简单化、自动一体化发展;

♦光固化3D打印技术是目前较优的陶瓷打印技术,具有良好的成型效果;

♦目前,3D打印陶瓷制品还存在表面质量不够理想、精度较低等问题,可以从材料成型理化规律入手,研究更多新型陶瓷3D打印技术;

♦针对新型应用,要研发更多高性能陶瓷材料。


5、小结


目前,陶瓷3D打印技术及其应用已受到了科研院所和产业界的广泛关注,发展迅速,涉及诸多陶瓷材料体系和应用领域。新兴的3D打印在高性能陶瓷的成型制造领域具有巨大的发展潜力,3D打印有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,3D打印为陶瓷关键零部件的应用开辟新的途径,为解决传统制造问题和挑战提供了全新3D打印的可能性。


参考来源:

【1】 南极熊3D打印.

【2】 吴甲民.3D打印方兴未艾的陶瓷增材制造.2021.

【3】 王志永,等.陶瓷增材制造的研究现状与发展趋势.真空.2020.

【4】 殷德政,等.基于增材制造的陶瓷材料点阵结构研究现状与挑战.硅酸盐学报.2021.

【5】王剑磊.陶瓷3D打印的技术发展及其应用.中国粉体网.2021.

【6】十维科技官网.

【7】张文毓.3D打印陶瓷材料的研究与应用.陶瓷.2020.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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