【原创】超高精度!陶瓷光固化3D打印技术综述


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  光固化成型是目前增材制造技术中分辨率最好、成型精度最高的成型方式。

中国粉体网讯  陶瓷3D打印作为增材制造行业的新兴技术,在熔模铸造、骨科、齿科、化工、艺术等领域,开始发挥越来越大的作用,目前成熟的陶瓷增材制造技术包括以下几种:光固化成型(SL)、三维印刷(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)和挤出成型(EFF)等,其中,光固化成型是目前增材制造技术中分辨率最好、成型精度最高的成型方式。


 

陶瓷光固化打印产品图(图片来源:十维科技)


1 光固化3D打印优势


陶瓷光固化3D打印技术的研究始于20世纪90年代,尽管与聚合物和金属材料相比,陶瓷光固化产业起步较晚,但发展迅速,国内外越来越多的研究者进行陶瓷光固化3D打印设备及材料的研究。不仅因为陶瓷材料的性能优异,应用前景广泛,也因为光固化陶瓷3D打印技术相比于其他陶瓷增材制造方法,打印精度高,并且在制备复杂形状以及高精度大型零部件方面有很大的优势。


2 陶瓷光固化工艺过程


陶瓷光固化技术是将陶瓷粉末加入可光固化的溶液中,通过高速搅拌使陶瓷粉末在溶液中分散均匀,制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料,然后使陶瓷浆料在光固化成型机上直接逐层固化,累加得到陶瓷零件素坯,再通过后续的加热脱脂工艺,将坯体零件中作为粘接剂的有机成分通过高温排除,得到零件素坯后,进行烧结工艺,得到致密化的陶瓷零件,如下图所示。


 

光固化3D打印陶瓷制备流程图


陶瓷光固化体系浆料一般由陶瓷粉体、光固化单体、光引发剂、分散剂、稀释剂等组成,由于微纳米陶瓷粉体的加入,使得陶瓷浆料的打印比普通树脂更加地困难。陶瓷粉体的加入不仅使陶瓷浆料的粘度增加造成打印过程困难,也容易引起缺陷,同时陶瓷颗粒会对光产生散射作用,引起打印精度降低。因此陶瓷浆料的制备特性和光固化成型特性成为目前研究的热点。


3 陶瓷光固化3D打印成型的研究现状


(1)陶瓷浆料制备方面研究现状


想要获得理想质量的打印零件需要提高陶瓷浆料中的固含量,同时需要有良好的固化特性。浆料的稳定性指标要求浆料能长期储存而不沉淀、基体材料不变质不挥发。


浆料制备过程包括光敏树脂、陶瓷粉体、分散剂含量等多种标准。有许多关于浆料制备过程的研究,Goswami等研究了氧化铝陶瓷浆料的光固化,通过沉降速率实验优化了陶瓷浆料中分散剂的添加量,根据流变性测试数据说明了陶瓷浆料固含量的影响,通过加热处理降低了高固含量浆料的粘度,实现了高精度零件成型;周伟召等研究了陶瓷浆料的体积分数对光固化成型工艺的影响,陶瓷浆料的体积分数必须大于40vol.%才能够满足成型、脱脂和烧结工艺的要求,陶瓷浆料的粘度越小打印固化厚度就越大。此外,陶瓷颗粒的表面改性也可以有效提高陶瓷颗粒在光敏树脂中的分散效果。


(2)光固化成型工艺方面研究现状


光固化成型阶段在整个陶瓷成型工艺中是核心步骤,决定了陶瓷零件的形状大小与误差精度。在陶瓷光固化成型工艺过程中,比尔-朗伯定律能够准确地描述出打印参数与成型尺寸的关系,比尔-朗伯定律适用于SLA和DLP成型技术。Griffith等在1996年首次提出利用光固化成型制备陶瓷零件的工艺,分别研究了氧化硅、氧化铝和氮化硅三种陶瓷的光固化中的打印参数,制备了固含量为50vol.%的陶瓷浆料,使用比尔-朗伯定理分析了曝光时间与固化厚度的关系,并对比了不同陶瓷胚件经过脱脂与烧结后的陶瓷零件的致密度。


为了提高成型尺寸精度,研究人员进行了相关实验,如Xing等使用SLA光固化成型技术的打印了氧化锆试样,测试了它们的表面质量、尺寸精度与机械强度。


4 光固化技术研究难点


由于光固化技术在制备复杂结构、高精度陶瓷零部件方面具有明显优势,因此国内外学者进行了大量的研究,也取得了突破性的成果,但是在材料制备、工艺优化等方面仍存在很多棘手的问题迫切需要解决。制备高精度高性能的陶瓷零部关键在于高固含量和低粘度的陶瓷浆料配制,这也是目前存在的难题之一。对于高折射率陶瓷粉末,降低散射效应提高打印精度是亟需解决的另一难题。


5 光固化陶瓷应用案例


光固化陶瓷打印技术及产品可以广泛应用于航天、汽车、生物医疗等领域。


5.1 光固化技术制备陶瓷型芯


涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一,铸造涡轮叶片的关键是先制造出能形成叶片复杂内腔的陶瓷型芯。陶瓷型芯是一种牺牲材料,一旦合金熔化到芯上,它将用作负极材料。到目前为止,型芯的制造一直是耗时且昂贵的过程。传统陶瓷型芯制备方法复杂,在制造过程中处理错误的风险很大,并且会产生大量次品。

 

3D打印铸造陶瓷型芯流程图(图片来源:十维科技)


而光固化3D打印技术是一次成型制造工艺,型芯型壳一体化的打印,无需提前制造模具,极大缩短了制造周期。目前,我国十维科技和3DCERAM均已研制出符合航空业和熔模铸造行业质量标准的3D打印陶瓷芯。


5.2 陶瓷光固化技术制备透波材料


雷达天线罩选透波材料的依据是高强度、高模量、优异的耐候性和介电性能等,陶瓷(氧化铝、氧化硅、氮化硅和氮化硼等)自身具有良好的介电性能,在力学性能以及耐高温等方面有着无可比拟的优势。透波陶瓷材料已成为高超声速飞行器天线罩、天线窗等部件的关键候选材料。


中国科学院空间应用工程与技术中心采用高固含量Al2O3陶瓷膏体为原料,使用陶瓷光刻3D打印装备打印设备获得雷达天线罩模拟件,如下图所示。何汝杰等将高陶瓷产率的聚硅氮烷和丙烯酸树脂混合,并采用光固化工艺进行成型经烧结后制备获得了长方体、蜂窝结构和晶格结构的氮化硅陶瓷。王功等采用氮化硅和二氧化硅混合的陶瓷浆料作为原料,采用光固化工艺制备了氮化硅/氧化硅复相陶瓷。


 

氧化铝雷达天线罩模拟件(图片来源:硅酸盐学报)


5.3 陶瓷光固化技术制备吸波材料


雷达吸波材料是指能够吸收并损耗雷达波,减少目标雷达散射截面,降低目标被发现的概率,赋予目标雷达隐身功能的一种功能材料。研究表明,多孔结构设计和多层层合板结构设计是制备结构/功能一体化吸波材料的有效方法。


Mei等采用微观结构设计与宏观结构设计相结合方法,采用光固化技术与化学气相渗透技术相结合的方法制备不同孔斜蜂窝角度的Al2O3/SiC晶须(SiCw)蜂窝复合陶瓷。陶瓷光固化技术为制备具有更广、更高微波吸收率的结构复合材料提供了新的有效途径。


5.4 陶瓷光固化技术用于太空制造


太空制造作为一项航天领域的战略性新技术,已成为各航天强国的新研究热点。空间任务中的特殊应用场景对制造精度、制造装置的功耗和尺寸及智能化等提出的要求也面临着技术挑战。中国科学院空间应用工程与技术中心王功等2019年开发了基于光固化技术的在轨精细成型装置,随长征五号B火箭搭载的新一代载人飞船试验船一起进入太空,并完成打印任务,下图是在太空环境下打印获得的样品。


 

太空环境下打印的陶瓷样品图


5.5 陶瓷光固化技术用于其他方面


陶瓷光固化技术除了以上应用外,还应用于很多其他功能材料方面,例如,Duan等通过DLP技术制备了具有导热性和力学强度的氮化铝陶瓷。另外,由于3D打印技术成型的灵活性、结构可控性和材料浪费少等优点,越来越多的研究将3D打印技术应用于电池领域。Pang等研究了3D打印技术在电池和能源方面的应用,如电池、超级电容器和太阳能电池。


6 光固化设备


目前国内已有一些企业研发生产陶瓷光固化打印设备,其中科技型、生产型、工业型设备等均已经投入使用。这些设备适应于各种产品,如,大尺寸、高精度陶瓷产品的生产制造,陶瓷材料复杂结构一体化成型,精密陶瓷产品小批量生产等。


 

高精度工业级光刻3D打印装备(图片来源:乾度高科)


参考来源:

【1】王伟伟,等.光固化3D打印低温共烧陶瓷制备技术研究.

【2】杨娜娜,等.基于光固化3D打印的陶瓷快速无模成型技术的研究进展.陇东学院学报.2021.

【3】顾玥,等.陶瓷光固化成型技术的应用与展望.硅酸盐学报.2021.

【4】史卜辉.基于约束面投影的陶瓷光固化成型工艺研究.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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