由于設(shè)備和組成材料的技術(shù)進(jìn)步，復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的增材制造在過去幾年中得到了極大的發(fā)展。由于市場上出現(xiàn)了新的3D打印設(shè)備，在可用的非直接制造技術(shù)中取得了明顯進(jìn)展。這些技術(shù)能夠以更好的方式處理液體或粉末床，實(shí)現(xiàn)高分辨率零件制造。

1.氧化物陶瓷與非氧化物陶瓷的3D打印工藝不同

零件生產(chǎn)的加速首先從*常見的氧化物陶瓷開始，對于這些材料，已成功制造出用于生物醫(yī)學(xué)、多相催化、太陽能、濾水器、熱管理、多孔燃燒器、汽車等領(lǐng)域。這些組件主要由立體光刻(SLA)生產(chǎn)，由于其良好的光學(xué)特性，該技術(shù)對許多氧化物粉末都是成功的。非氧化物陶瓷難以以這種方式加工，因為此類陶瓷粉末通常不透明、吸收或反射紫外光，不允許光聚合物進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓夤袒�。文獻(xiàn)中很少有通過立體光刻工藝制造非氧化物陶瓷生坯的例子，只有少數(shù)如分散碳化硅(SiC)粉末的光固化漿料立體光刻的例子。另一方面，使用與光固化聚合物混合的前陶瓷前驅(qū)體，在碳化硅部件的立體光刻3D打印方面開展了幾項工作。

將聚合物的增材制造與傳統(tǒng)的陶瓷加工路線相結(jié)合也是研究的方向之一，例如聚合物生坯3D打印，然后進(jìn)行聚合物滲透和熱解；通過粘結(jié)劑噴射和熱解進(jìn)行生坯3D打印，然后進(jìn)行聚合物滲透和熱解；其他還有化學(xué)氣相沉積、滲透或活性硅滲透的研究；此外，還有一個有趣的應(yīng)用是在干碳化硅-硅粉床上采用選擇性激光燒結(jié)(SLS)。硅用作碳化硅粉末的結(jié)合相，通過向預(yù)成型件提供額外的碳，通過反應(yīng)鍵合進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳化硅。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在這些優(yōu)勢中，其中一些易于使用并且已經(jīng)工業(yè)化，可以實(shí)現(xiàn)高精度零件制造。對于缺點(diǎn)，在生坯制造中，不可能在復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)如蜂窩結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高分辨率。對于光固化聚合物和SiC粉末的直接立體光刻，主要缺點(diǎn)是粉末的不透明性，不允許高粉末填充。

2.一種新穎的混合增材制造工藝

在過去20年，瑞士南部應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)(SUPSI)的混合材料實(shí)驗室(HMLab)一直在對陶瓷進(jìn)行前沿研究。2019年，HM實(shí)驗室負(fù)責(zé)人AlbertoOrtona教授已經(jīng)展示了多孔3D打印技術(shù)在陶瓷材料方面的潛力。當(dāng)前，Ortona教授的一名博士生MarcoPelanconi在陶瓷3D打印方面取得了新進(jìn)展。

該團(tuán)隊提出了一種新的混合方法，該方法利用激光燒結(jié)結(jié)合聚合物滲透和熱解。除了使用熱塑性粉末的工藝成熟度和成本之外，這種方法的顯著優(yōu)勢在于可以通過調(diào)整幾個SLS參數(shù)來控制塑料預(yù)成型件的微孔率。通過調(diào)整預(yù)成型件的微孔率，能夠控制在*個浸漬周期中滲入預(yù)成型件的陶瓷前體聚合物的量；由于熱塑性聚合物和陶瓷前體聚合物的陶瓷產(chǎn)率不同，可以在*個熱解步驟之后控制預(yù)成型件的收縮。之后，在大約1000°C下發(fā)生熱解獲得陶瓷轉(zhuǎn)化，通過熔融硅滲透實(shí)現(xiàn)*終致密化，獲得高密度的陶瓷部件。

研究團(tuán)隊相信，了解哪些構(gòu)成材料的特性將有助于進(jìn)一步設(shè)計和制造復(fù)雜陶瓷制品，通過上述混合方法已成功制備碳化硅陶瓷。這個過程允許制造復(fù)雜的SiC周期性結(jié)構(gòu)，具有高分辨率和比迄今為止開發(fā)的更小的單元。

3.具有開放參數(shù)的孔隙度控制

該研究團(tuán)隊使用了Sintratec開發(fā)的SLS3D打印機(jī)，能夠改變包括粉末表面溫度、層厚度、激光速度、掃描間距等工藝參數(shù)，從而輕松控制3D打印部件的孔隙率。通過改變這些參數(shù)，SUPSI大學(xué)的材料工程師能夠獲得理想的孔隙率（對于進(jìn)一步滲透至關(guān)重要），從而獲得高質(zhì)量的零件。

在材料選擇方面，研究團(tuán)史使用兩種材料制造*終陶瓷部件：PA12與SiC。PA12的黑色球形粉末用于聚合物預(yù)成型件的3D打印。PA12是一種適合用SLS技術(shù)加工的熱塑性和半結(jié)晶材料，密度為1.0g/cm3，通過改變SLS工藝的參數(shù)可以定制成品的微觀結(jié)構(gòu)和性能。SiC的前體用于滲透聚合物預(yù)成型件并在熱處理后產(chǎn)生*終的SiC產(chǎn)品。

4.制造復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)

為了說明這種方法如何用于特別復(fù)雜的形狀，Pelanconi的研究集中在兩種具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圓柱形多孔結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)立方體和陀螺儀。在用PA12打印并隨后轉(zhuǎn)化為陶瓷后，所得部件表現(xiàn)出出色的機(jī)械和熱性能，收縮約25%，可保持原始形狀，沒有變形或宏觀裂紋。根據(jù)Pelanconi的說法，通過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化，它們?nèi)匀豢梢蕴岣唠p軸強(qiáng)度。

研究人員表示：“這些類別的材料具有鋼無法提供的無與倫比的熱機(jī)械性能，如耐高溫、高抗氧化性、高抗熱震性和高強(qiáng)度。”

陶瓷非常適合用于極端環(huán)境，如熱交換器、催化劑載體、蓄熱器、燃燒器或航空航天。歸功于可從范圍廣泛的預(yù)陶瓷聚合物中獲得許多不同的陶瓷材料這種新穎的混合制造工藝可以被高科技行業(yè)利用。

相關(guān)新聞