快速成形技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域中的應(yīng)用.doc

快速成形技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)布日期：2005-9-119:45:55 作者： 出處：快速成形(Rapid Prototyping and Manufacturing，簡稱RP或RP&M)或自由實(shí)體造型(Solid Freeform Fabrication，簡稱SFF)是80年代中期發(fā)展起來的一種造形新技術(shù)，它將傳統(tǒng)的“去除”加工法改變?yōu)椤霸黾印奔庸し?。RP技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光、光化學(xué)和高分子聚合物等多種技術(shù)，并且隨著RP技術(shù)與其它材料加工技術(shù)的結(jié)合，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。RP技術(shù)的基本原理是，首先根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙或“反求法”得到一系列橫截面，數(shù)控激光束按每一層的輪廓線或內(nèi)部網(wǎng)格線對材料逐層加工并疊加，直至完成整個制件。RP技術(shù)無需機(jī)械加工或任何模具，直接從CAD模型生成復(fù)雜形狀的制件，因而產(chǎn)品研制周期縮短，生產(chǎn)率提高，生產(chǎn)成本降低。1987年，美國3D Systems公司展出第一代商用RP系統(tǒng)SLA-1，之后RP技術(shù)迅速發(fā)展，在許多部門都得到應(yīng)用。其用途主要包括，快速成形技術(shù)制作模型對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、評價(jià)、性能測試等，制作注塑模、功能材料制件，與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合制造模具和金屬零件等。1RP技術(shù)種類14目前比較成熟的快速成形方法有SLA，LOM，SLS，F(xiàn)DM，3DP等。立體光刻裝置(Stereo-Lithography Apparatus, 簡稱SLA)是最早的RP技術(shù)實(shí)用化產(chǎn)品，SLA工藝如圖1所示。其工藝過程是，首先通過CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，將模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式的STL文件，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制掃描器和升降臺的運(yùn)動；激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)聚焦照射到容器的液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化后，升降臺下降一定距離，這樣SLA裝置逐層地生產(chǎn)出制件。SLA技術(shù)的常用原料是熱固性光敏樹脂，主要用于制造多種模具、模型等，還可以通過加入其它成分用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢。分層實(shí)體造型(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)是將薄膜材料逐層激光切割成所需形狀，然后疊加在一起的造形方法。LOM工藝與SLA工藝的區(qū)別在于將SLA中的光致固化的掃描運(yùn)動變?yōu)長OM中的激光切割運(yùn)動。LOM技術(shù)常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。LOM技術(shù)成形速度快，制造成本低，但由于材料薄膜厚度有限制，未經(jīng)處理的表面不光潔，需要進(jìn)行再處理。選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)是將粉末材料用輥輪鋪開成一定厚度薄層，激光掃描使一定區(qū)域的粉體燒結(jié)，再鋪粉于燒結(jié)層上，如此逐層燒結(jié)得到實(shí)體零件。其技術(shù)關(guān)鍵是調(diào)整激光束進(jìn)行粉末燒結(jié)。SLS技術(shù)常用原料是塑料、蠟、陶瓷、金屬，以及它們的復(fù)合物的粉體，用蠟可做精密鑄造蠟?zāi)?，用熱塑性塑料可做消失模，用陶瓷可做鑄造型殼、型芯和陶瓷件，用金屬可做金屬件。此技術(shù)成本較低，可制備復(fù)雜形狀零件，但成形速度較慢，由于粉體鋪層密度低導(dǎo)致精度較低和強(qiáng)度較低。熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling, 簡稱FDM)是將線材液化后通過噴嘴逐層沉積成復(fù)雜形狀制件。FDM工藝用液化器代替了激光器，其技術(shù)關(guān)鍵是得到低粘度、易沉積、具有可控制的穩(wěn)定“路”寬的熔體。FDM技術(shù)所用線材包括石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬和陶瓷等，可直接制備金屬件和多種模型。FDM技術(shù)成本較低，同時(shí)成形速度較慢，精度較低。三維打印(Three-Dimensional Printing，簡稱3DP)的工作原理類似于噴墨打印機(jī)，利用噴嘴將液態(tài)粘結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，再鋪粉噴粘結(jié)劑，逐層處理后得到所需形狀制件。也可以直接逐層噴陶瓷粉漿，得到所需形狀，其技術(shù)關(guān)鍵是配制合乎要求的粘結(jié)劑。3DP技術(shù)的材料包括陶瓷、金屬、塑料的粉料。3DP技術(shù)成本較低，成形速度較快，但粉體鋪層疏松影響強(qiáng)度和精度。2RP技術(shù)生產(chǎn)陶瓷件RP技術(shù)由于快速逐層成形，無機(jī)械加工，無模具，因而對于難制造、難加工的復(fù)雜形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)具有很大的吸引力，同時(shí)也可以制造功能梯度材料，功能材料，如電容器、電路基板、薄膜熱電偶、應(yīng)力傳感器等。下面介紹已用于制備陶瓷件的RP技術(shù)。2.1LOMDayton大學(xué)的Donald A. Klosterman等57應(yīng)用LOM技術(shù)制備了陶瓷件、陶瓷基復(fù)合材料以及樹脂基復(fù)合材料。他們的最終目標(biāo)是生產(chǎn)高密度的、近無余量加工的陶瓷基復(fù)合材料。第一步是生產(chǎn)單相陶瓷，已制備的有單相SiC和AlN陶瓷件。首先采用標(biāo)準(zhǔn)的流延工藝做出寬20cm，長1m，厚度分別為0.15mm和0.3mm的陶瓷膜，膜由60vol%陶瓷粉和粘結(jié)劑組成。研究了三種粉末體系：粗SiC(30m)粉石墨粉；粗SiC(30m)細(xì)SiC(2m)粉石墨粉；可燒結(jié)AlN(2m)粉。由于陶瓷膜短不能形成連續(xù)卷，并且強(qiáng)度低而不足以承受進(jìn)給運(yùn)動，因而膜的安放依賴于手工操作。LOM工藝生成的坯體軟而易變形，因而采用部分脫脂工藝硬化坯體，使之易于搬運(yùn)。部分脫脂工藝需要嚴(yán)格控制加熱，以使增塑劑揮發(fā)，同時(shí)保持原有粘結(jié)力。燒結(jié)之前，根據(jù)熱分析數(shù)據(jù)制定完全脫脂工藝。燒結(jié)工藝采用液態(tài)或氣態(tài)滲Si反應(yīng)燒結(jié)，游離Si與事先加入的C反應(yīng)生成SiC，由于SiC含量增多而使制件無明顯收縮。AlN陶瓷件的情況沒有說明，其主要問題也是燒結(jié)收縮和形變。SiC件的室溫四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度值為160MPa，隨著疊層技術(shù)的改善，這個數(shù)值得到提高。LOM系統(tǒng)的改進(jìn)包括在切割區(qū)上方供給惰性氣體以避免C或N的氧化，重新設(shè)計(jì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)以減少造價(jià)較高的陶瓷膜的浪費(fèi)且實(shí)現(xiàn)自動化。因?yàn)閷雍竦南拗疲黧w表面是不光滑的，因而需要進(jìn)行邊界磨光。邊界處理可以采用交叉網(wǎng)格線切割和表面拋光兩種方法，表面拋光法的切屑少，表面更光滑。兩種方法都需要對軟件進(jìn)行調(diào)整。研究開始階段采用熱輥提供壓力和熱源來增加層間結(jié)合，熱輥溫度高達(dá)120180使粘結(jié)劑熔化實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。由于存在溫度梯度，層間存在不連續(xù)粘結(jié)而導(dǎo)致裂紋。由于層間裂紋和氣孔，導(dǎo)致強(qiáng)度較低。通過噴膠可以提高層間結(jié)合力，降低熱輥溫度，其缺點(diǎn)是增加了邊界磨光的難度，需要更嚴(yán)格的脫脂工藝。另外，成形后加壓處理也可改善層間結(jié)合。通過工藝改進(jìn)，SiC件的四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度達(dá)200275MPa。為達(dá)到制備陶瓷基復(fù)合材料的最終目標(biāo)，采用Al2O3/SiCw，Al2O3/SiCf，SiC/SiCf作為研究體系。遇到的問題首先是晶須或纖維的均勻分布問題。解決方法是采用分層方法，即單相SiC膜與SiCf/樹脂預(yù)制膜交替疊加，樹脂起到提供強(qiáng)度和碳源的雙重作用。這種方法避免了纖維與粉粒磨擦造成的損傷，同時(shí)可提高纖維在產(chǎn)品中的體積含量。預(yù)制膜厚為0.25mm，體積含量50%。Lone Peak工程公司的E.Alair Griffin等8采用LOM技術(shù)制備了ZrO2和Al2O3陶瓷件，選擇原則是ZrO2馬氏體相變對產(chǎn)品有增強(qiáng)作用。膜厚為116m和58m，陶瓷膜材料體系為12mol%CeO2-ZrO2和Ce-ZrO2/Al2O3。多層復(fù)合體包括單相Ce-ZrO2件，Ce-ZrO2和Al2O3/Ce-ZrO2交錯疊層件。燒結(jié)后產(chǎn)品中存在1%氣孔，坯體和燒結(jié)體內(nèi)無粗大裂紋缺陷，燒結(jié)層厚由原來的116m和58m變?yōu)?5m和44mm。在Al2O3/Ce-ZrO2層內(nèi)，Al2O3以約5m的粒度均勻分布；由于制備Ce-ZrO2粉漿時(shí)使用Al2O3磨球，因而Ce-ZrO2層內(nèi)也存在少量Al2O3。層間結(jié)合也很好，各相分布均勻，界面無裂紋。單相陶瓷件強(qiáng)度為400MPa，復(fù)合陶瓷件為500MPa。Ce-ZrO2層硬度為9GPa，Al2O3/Ce-ZrO2層硬度為15GPa，界面附近硬度為11.5GPa。該公司的Curtis Griffin9等采用LOM技術(shù)制備了Al2O3試樣和零件，Al2O3膜尺寸為10cm15cm0.015mm。同時(shí)，使用相同的材料采取干壓成形法制成試樣以便進(jìn)行對比。通過比較表明，兩種燒結(jié)法制成的零件的燒結(jié)密度相當(dāng)，微觀組織類似，但坯體密度、脫脂失重量及收縮量不同，這與兩種方法粘結(jié)劑含量不同有關(guān)，這也導(dǎo)致LOM成形件開放氣孔率較高。測試表明，機(jī)械性能與成形方法和測試方向無關(guān)，微觀組織也很難鑒別層間界線。強(qiáng)度與商用產(chǎn)品相當(dāng)，硬度則高于商用產(chǎn)品，斷裂韌性為商用產(chǎn)品的下限，但這種不同可能是由于測試手段不同造成的，例如硬度采用維氏硬度，而商用產(chǎn)品采用努普硬度。結(jié)果表明，LOM成形件性能與干壓法相當(dāng)，優(yōu)點(diǎn)是效率高和可制作復(fù)雜件。Case Western Reserve大學(xué)的James D.Cawley等10采用CAM-LEM(Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials)技術(shù)制作陶瓷件，其成形原理與LOM技術(shù)相同，適用材料包括工程陶瓷、復(fù)合材料、金屬及合金材料、塑料材料等。采用Al2O3制作了三種零件：法蘭盤、制作三層結(jié)構(gòu)的陶瓷片和液流增幅器，并得到實(shí)用。結(jié)果表明，CAM-LEM適用于能夠用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)搬運(yùn)的工程材料薄片。CAM-LEM系統(tǒng)包括50W CO2激光器，尺寸為100mm100mm的x-y平移系統(tǒng)，四節(jié)點(diǎn)機(jī)器人，IPC工作站，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，氣動固定平臺，夾具。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，可以采用加暫時(shí)有機(jī)膜的方法。2.2FDC美國陶瓷研究中心的Mukesh K.Agarwala等11采用FDC工藝制備Si3N4零件，其工作原理與FDM相同。FDM可以用多聚物或蠟的線材作為進(jìn)給材料由CAD文件逐層生成原型，線材半徑通常為1.8mm，送入液化器后變軟熔化，再從噴嘴噴出。噴嘴在計(jì)算機(jī)控制下可作x-y方向水平移動，非固定平臺可上下運(yùn)動。噴嘴壓力為1.7MPa，動作原理相當(dāng)于常用的柱塞擠出裝置。噴嘴直徑一般為0.21.3mm，擠出的材料固化后稱之為“路”，“路”寬為噴嘴直徑的1.21.5倍，路寬可通過調(diào)節(jié)液化器內(nèi)螺桿轉(zhuǎn)速控制材料流率來調(diào)整。FDM工藝如圖2所示。將線材換為陶瓷材料即為FDC(Fused Depositon of Ceramics)工藝，工藝關(guān)鍵是制備具有合適熱性能和機(jī)械性能的線材。已生產(chǎn)出的線材為GS-44，含55vol%Si3N4，粘結(jié)劑為四組分RU系列，直徑1.8mm。他們所用噴嘴直徑0.250.64mm，路寬0.250.75mm，層厚0.25mm，GS-44線材，RU系列粘結(jié)劑，熔融溫度為100150。成形后，加熱至450脫去90wt%95wt%粘結(jié)劑，然后放入Al2O3坩鍋內(nèi)加熱至500脫去剩余粘結(jié)劑，再高溫氣壓燒結(jié)。GS-44中主要是Si3N4和約10vol%氧化物燒結(jié)助劑，高溫下氧化物熔化提供液相達(dá)到致密化，同時(shí)-Si3N4轉(zhuǎn)化為-Si3N4。將FDC工藝與等靜壓工藝、擠塑成形工藝進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。由于成形壓力不同，因而FDC坯體密度略低于擠塑成形工藝，燒結(jié)體密度也略低。FDC收縮存在各向異性，強(qiáng)度比擠塑成形工藝略高，低于等靜壓工藝。三者斷口形貌相似，F(xiàn)DC工藝缺陷對于強(qiáng)度并無太大影響。目前，F(xiàn)DC工藝主要用于快速成形和熔模精密鑄造型殼方面。表1等靜壓工藝、擠塑成形工藝、FDC工藝GS-44零件物理與機(jī)械性能Table 1Physical and mechanical properties of GS-44 parts processed via isopressing,extrusion and FDC 性能等靜壓工藝擠出工藝FDC工藝坯體密度/%579896燒結(jié)密度/理論密度999998線收縮率/1618x-y：16.61.3z：19.31.6四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度/MPa86750820150824110三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度/MPa36553451035410 2.3SLS 由于SLS工藝粉層原始密度低，因而產(chǎn)品密度也低，目前多應(yīng)用于鑄造型殼制造。北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司的馮濤等12采用SLS工藝制造鑄造型殼。以反應(yīng)性樹脂包覆的陶瓷粉為原料，在SLS燒結(jié)過程中，型殼部分成為燒結(jié)實(shí)體，零件部分仍是未燒結(jié)的粉末。燒結(jié)完成后，將殼體內(nèi)部粉末清除干凈，再在一定溫度下使燒結(jié)過程中未完成固化的樹脂充分固化，得到型殼。結(jié)果表明，型殼強(qiáng)度、透氣性和發(fā)氣量均能滿足要求、但表面光潔度仍有待改善。2.43DPMIT的Jason Grau等13采用3DP技術(shù)制備了用于粉漿澆注的氧化鋁模以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石膏模。氧化鋁模具有更高的強(qiáng)度，并可加熱至幾百度以縮短干燥時(shí)間，還可以控制模型的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。英國Brunel大學(xué)的P. F. Blazdell等14配制60vol%陶瓷粉漿，多層打印（Multi-layer Printing）制備陶瓷件。打印基底是濾紙和硝化纖維，將配好的ZrO2懸浮液逐層打印到基底上，成形后在氣體保護(hù)下加熱至120保溫1h以去除溶劑。然后置于Al2O3粗顆粒鋪層上或Al2O3平板間，空氣中加熱至450保溫，去除基底，1500燒結(jié)成件。通過噴碳黑“墨水”，可調(diào)整微結(jié)構(gòu)。該工藝關(guān)鍵是配制“墨水”，墨水粘度不可太高，因而需要稀釋劑，而加入稀釋劑又帶來干燥以及孔隙問題。今后努力方向是合理選用分散劑，盡可能增加陶瓷粉體積含量，同時(shí)增加溶劑揮發(fā)性，控制干燥過程，也就控制了隨后的噴“墨”過程。3結(jié)論RP技術(shù)所使用的材料已從開始的光敏固化樹脂領(lǐng)域擴(kuò)展到其它