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3D打印陶瓷技术
发布时间:2019-10-10
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3D打印技术即快速成型技术,又称为增材制造。它是以数字模型为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,其具有具有操作简单、成型速度快、精度高等优点。3D打印技术结合了材料技术、数字建模、信息处理等多领域的前沿技术,打破了传统加工的思维模式,被视为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”,受到了国内外的广泛关注。


陶瓷材料因具有抗压强度高、硬度高、耐高温以及电和热的不良导体等力学、物理、化学性能被广泛应用于航空航天、工业制造、生物医疗等多个领域。但陶瓷材料难加工,传统加工工艺成本高、耗时长。

然而用3D打印陶瓷材料,结合较为先进的烧结技术,可以制备出高精度、高强度的陶瓷零件,这相比于传统的制备工艺,会显著降低加工成本、缩短生产周期、节省原材料,其发展潜力巨大,将推动3D打印陶瓷技术在航天航空、医学、工业等领域获得更广泛的应用


3D打印陶瓷技术概述

目前,3D打印陶瓷技术主要有喷墨打印技术、熔化沉积成型技术、激光固化成型技术、分层实体制造技术和激光选区烧结技术,这些技术可以按不同标准分类。

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3D打印陶瓷技术分类图

按照工艺过程可以分为直接成型法和逐层粘结法,喷墨打印技术技术是将陶瓷粉末和粘结剂混合制备成陶瓷墨水,通过3D打印直接成型的,属于直接成型法,其他4种技术则属于逐层粘结法。


1、喷墨打印技术(IJP)

原料:由非金属材料、分散剂、粘结剂、表面活性材料和其他辅助材料混合而成的“陶瓷墨水”。

原理:由计算机通过CAD等软件建立三维模型,再由喷头将陶瓷材料按模型进行逐层的图案绘制完成打印。 


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3D喷墨打印陶瓷技术

优点:用户按照需求设计个性化陶瓷,成本大大降低,很大程度上节约人力物力,同时技术不需要借助激光技术的辅助,在日常生活中已经得到广泛的发展和应用。

缺点:此种打印技术的核心问题在于其原材料的配置。陶瓷墨水需要有良好的稳定性,保证其在打印过程中的形状和密度的一致性,同时陶瓷墨水中的非金属颗粒直径必须足够的小,以此来保证其在喷射过程中不出现堵塞喷头的问题。


2、熔化沉积成型技术(FDM)

原料:热熔型丝状陶瓷材料,其基本由供料辊、导向套和喷头3个结构组件相互搭配实现。

原理:首先热熔性丝状材料经过供料辊,在从动辊和主动辊的配合作用下进入导向套,利用导向套的低摩擦性质使得丝状材料精准连续地进入喷头。材料在喷头内加热熔化,按照所需打印的原件造型进行3D打印。


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熔化沉积成型技术示意图

优点:不需要激光技术的辅助,成本较低,后期维护也比较方便。

缺点:该技术需要设置支撑结构,保证陶瓷零件在打印过程不会坍塌。目前,支撑材料分为两种:一种是剥离性支撑材料,后期处理时需要手动剥离,较为繁琐;另一种是水溶性的支撑材料,在后期处理时通过物理或化学方法就能方便快捷地去除。因此,目前市场上普遍采用后者作为支撑材料,在一定程度上降低了后期处理过程的复杂性。


3、光固化成型技术(SLA)

原料:光敏树脂和陶瓷粉末混合而成的浆料

原理:通过紫外激光束,按照设计好的原件层截面,聚焦到工作槽中的陶瓷光敏树脂混合液体,逐点固化,由点及线,由线到面。通过x-y方向固化成面后,通过升降台在z轴方向的移动,层层叠加完成三维打印陶瓷材料。


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光固化成型技术工作原理示意图

优点:适用于制作结构复杂、精度要求高的零件。可以联机操作,远程控制,有利于生产的全自动化。此外该技术不需要经过烧结,也不需要添加烧结助剂,所以可以在较低的温度和压力下完成。

缺点:光敏树脂和陶瓷粉的配比不好掌握,混合而成的浆料是存在毒性的刺激材料且必须避光保存,对工作环境条件要求苛刻,要求保证空气流通、光线昏暗;该技术需要设置支撑结构,而坯体在后处理过程中易损坏,既要考虑二次固化,还要去除支撑结构,过程较为复杂。   


4、分层实体制造技术(LOM)

原料:陶瓷薄片材料

原理:该技术是一种薄片材料叠加工艺,直接通过激光切割薄膜材料(含粘结剂),移动升降工作台,切割新的一层薄膜材料叠加在之前的一层材料上,在热粘压部件的作用下粘结成型,是一种直接由层到立体零件的过程。


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分层实体制造技术示意图

优点:成型速度快,准备工作简单,适合加工尺寸较大的零部件以及用于制造层状复杂结构零件;采用的陶瓷薄片材料可以利用流延法制备得到,国外对于流延法制备陶瓷薄片的技术已经比较成熟,原料获取十分方便。

缺点:材料利用率较低;该技术层与层之间存在较为明显的台阶效应,最终成品的边界需进行抛光打磨处理,精度较低,不适合打印复杂、中空的精密零件。


5、光选区烧结技术(SLS)

原料:SLS技术所采用的粉状材料是有机材料和陶瓷粉末的混合物,也可以是高熔点陶瓷粉末和低熔点有机物液体混合而成的浆料。

原理:主要是通过压辊、激光器、工作台3个结构组件相互搭配来实现的,通过压辊将粉末铺在工作台上,电脑控制激光束扫描规定范围的粉末,粉末中的粘结剂经激光扫描熔化,形成层状结构。扫描结束后,工作台下降,压辊铺上一层新的粉末,经激光再次扫描,与之前一层已固化的片状陶瓷粘结,反复操作同一步骤,最终打印出成品。


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激光选区烧结技术工作原理示意图.

优点:可对多种材料进行加工,包括金属、陶瓷、覆膜砂等。在激光烧结过程中不需要设置支撑结构,得到的最终成品精度好、强度高,相比于前几种技术具有明显优势,应用最为广泛。

缺点:该技术无法直接对陶瓷进行烧结,必须在陶瓷粉中加入粘结剂或者将原料制成覆膜陶瓷的结构。粘结剂的种类、用量以及加入粘结剂后的陶瓷密度低、力学性能差等问题制约技术发展,导致无法得到高精度、高强度、高致密度的陶瓷零件。同时由于使用到激光,用于打印陶瓷零件成本高、后期维护较为繁琐。



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