3D打印技術在先進陶瓷領域的技術應用

3D打印技術在先進陶瓷領域的技術應用3D打印技術在2014年就如同今年的“區(qū)塊鏈”一樣是當時炙手可熱的名詞，如今五年時間過去，在大眾的心里大致都將它當成了過去式，殊不知這項技術的應用才正式開始。12月1日在廣交會展館舉行的“2019廣東3D打印產(chǎn)業(yè)應用高峰論壇”就為推動3D打印技術的應用產(chǎn)業(yè)化方向的發(fā)展做出努力，展示了國內(nèi)外增材制造產(chǎn)業(yè)先進技術和產(chǎn)品應用案例等技術實戰(zhàn)成果。隨著工藝技術的不斷推進，陶瓷3D打印技術的推進與發(fā)展也在一定程度上提升著現(xiàn)階段先進陶瓷成品制備的制作水平，發(fā)揮著極大的作用。一、3D打印技術概述3D打印技術也被稱為增材制造或快速成型技術，是一種通過數(shù)字技術材料打印機，以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等具有粘性的粘合材料，最后逐層打印或分層打印的方式將3D模型固化粘合來構造物體的技術。作為一種無模成型技術涉及到CAD建模、機械、激光和材料等多個學科，理論上可以實現(xiàn)任意物品產(chǎn)品化，這項技術曾被認為是第三次工業(yè)革命的重要標志之一。現(xiàn)實中3D打印技術操作的基礎就是3D模型的建立，常用建模軟件為Maya和3dsmax，并且設計完成的3D模型都需轉換成3D打印機成型技術的stl文件格式。表1.主要3D打印技術和基本材料類型累積技術基本材紹擠JE:慵融沉積式(FDM)熱塑性塑料，共晶系統(tǒng)金屬.可食用材料線電子束昌由球型制造(tB-)幾乎任何合金直接金屬滋光燒第電子束屋化成型(EBM)幾乎任何臺金檢合金粒狀一選擇慢激光燧化或型＜SLM)鈦舍金、鉆籍舍金、不鐫銹、鋁洗擇世熱境始(SNS)熱塑性耕來選擇性潦光燒蠟(SLS)熱塑性塑料、金屬粉末、隔樓粉未粉末層噴頭3D打印石膏3技打印(所)f石膏層壓分層實體制造＜LOM)紙、金屬麟、塑料蒲膜二3D打印技術在陶瓷行業(yè)中的應用傳統(tǒng)的陶瓷成型方法包括干法成型、塑性成型和注漿成型等在內(nèi)，都需要借助事先制好的模具才能制備出具有一定形狀和強度的陶瓷制品，流程耗時長、成本高。而相比于傳統(tǒng)的制造技術，3D打印技術具有高效率、制造快、無?；⒖蓮碗s化等優(yōu)勢，而陶瓷制品需經(jīng)過原料粉體的處理、坯體制備成型、固體制品燒結和最終加工處理四個主要環(huán)節(jié)，其中屬制品成型這一步過程耗時最長且造價最貴。為了使先進陶瓷生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)節(jié)約制備原材料、縮短產(chǎn)品加工周期、降低制造成本、制品量產(chǎn)化等問題，依托于3D打印的無模陶瓷成型制造技術應運而生。實現(xiàn)陶瓷材料3D打印技術需要依靠兩個系統(tǒng)，一是計算機軟件系統(tǒng)，即用來進行結構和圖形的設計，并將其轉換成通用的代碼語言；二是接收指令的運作系統(tǒng)，即用來輸出打印最終的成品?；具^程大致為：①建立三維CAD模型。②基于離散一疊加原理將其切片獲取許多分離的平面。③傳遞至成型系統(tǒng)。④利用CAM逐層打印出完整的零部件原型體。現(xiàn)實中并非所有被設計出來的3D模型都能夠被成功的打印出來，因為陶瓷3D打印成型技術有別于傳統(tǒng)的3D打印技術，所以陶瓷3D模型的建立根據(jù)實際樣本的要求要不斷優(yōu)化。三、幾種陶瓷3D打印技術的技術介紹常見的陶瓷3D打印技術成型工藝有以下幾種：陶瓷熔融沉積成型技術與傳統(tǒng)的熔融沉積成型相比，陶瓷熔融沉積成型技術的特點是將陶瓷粉體摻入有機結合劑中，并加入無定型基料粘合劑，將復合材料放入擠出機中后在稍高于其熔點的溫度下熔化，通過計算機控制制備陶瓷生坯，然后經(jīng)過脫脂處理后，在適宜的高溫條件下燒制成部件。適用范圍：適用此項工藝的陶瓷材料必須具備一定的機械性能和熱性能;設計的3D模型一般為高孔隙率、管狀支撐的多孔形態(tài)。缺點：由于該項技術需要事先加熱后再冷卻成型，這就要求3D模型不宜設計的過于小巧、內(nèi)部也不宜過于致密，原因在于當前打印層已經(jīng)打印上去時，此打印層還處于高溫狀態(tài)，還未完全冷卻，此狀態(tài)下再次進行打印會出現(xiàn)二次融化的現(xiàn)象，這很容易導致3D打印的制備發(fā)生變形從而制作失敗。光固化快速成型技術又稱為立體印刷成型技術，是最早發(fā)展起來的快速成型技術，也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。主要機制是采用一種在紫外光照射下能夠迅速固化的光敏液態(tài)樹脂為原料，通過紫外光選擇性地輻照某一層液體，最終成型出部分區(qū)域固化的零部件。陶瓷顆粒在實現(xiàn)光固化聚集后，還需經(jīng)過優(yōu)點：該方法成型速度快、自動化程度高、可成型任意復雜形狀，尺寸精度高、表面質量優(yōu)良，運用此項技術能夠制備納米級尺寸的陶瓷零部件，以及復雜、高精度的精細工件快速成型。缺點：零件容易彎曲變形，需要支撐。再者因制品成型中需要采用光敏樹脂和紫外光源，但光敏樹脂中可能含有有毒的有機物，容易在后續(xù)加工處理時造成環(huán)境污染，因此需避光保護。液態(tài)樹脂固化后的零件較脆、容易斷裂。激光選區(qū)燒結成型技術又稱為選擇性激光燒結工藝，基礎原理與三維印刷技術類似，就是將黏結劑換成激光束，利用激光束沿著計算機設計的路徑逐點掃描粉體的表面，受到掃描的部位就會局部受熱，致使顆粒自身熔化或在雙方在黏合劑的作用下產(chǎn)生良好的粘結。在上一層激光掃描粉體粘結完成后再在新一層的粉料進行添加，激光掃描后再次形成新一層的三維結構。如此按照上述過程周期反復性的逐層激光掃描、高溫熔化以及局部粘結運作后，最終就可以得到區(qū)域結構不同的立體部件。優(yōu)點：能夠在無需支撐的條件下，直接制備塑料、金屬或陶瓷，材料選擇廣泛，并且成型精度較高，可制造復雜構件、不需要增加基座支撐、材料利用率高。缺點：因成型過程中需要激光的引入，粉末需要預熱和冷卻，因此成型周期較長，且后續(xù)處理工藝也較為復雜。同時由于采用的原料粉體需要能在激光作用下粘結并且高溫完全燒成，所以這項技術能夠制備的產(chǎn)品種類有限。-三維打印成型技術該項技術最初是由麻省理工學院的工作人員根據(jù)"層層打印、逐層疊加”的原理提出來的，是近幾年為研制高性能陶瓷所開發(fā)的新型技術。這項技術應用于陶瓷材料成型的工藝過程為：先將設計出的產(chǎn)品三維結構分割成多個分立的結構單元，然后在計算機指令的控制下，將黏結劑選擇性地噴射到陶瓷粉末表面上，粉體粘結后就可獲得最終成型的立體構件。應用：目前3DP技術在生物陶瓷和功能陶瓷中取得了應用，例如利用該技術成功制備出高精度的Al2O3-ZrO2功能階梯陶瓷材料和高強度的人體石MFT1畋膏骨骼。噴墨打印成型技術該技術是在噴墨打印機的原理基礎上，結合3D打印的理念發(fā)展而來。工藝流程為：首先將陶瓷粉料與各種添加劑和有機物進行混合制成陶瓷漿料，也稱〃陶瓷墨水”，然后用噴墨打印機將這種漿料按照計算機指令逐步噴射到載體上，從而形成具有原先設計外形與尺寸的陶瓷生坯。該項技術關鍵有兩點：一是陶瓷墨水質量，不僅要求粉末含量高，同時對分散度、抗沉淀性、黏度、干燥速率要求都很嚴格；二是打印機的控制，元件的三維模型被轉為打印控制碼，然后用程序驅動打印機動作。優(yōu)點：成型機理相對簡單，打印頭成本較低，若將陶瓷墨水的問題解決就可以實現(xiàn)該技術的產(chǎn)業(yè)化。缺點：噴墨打印成型也存在一定的局限性，例如由于墨水液滴的大小限制了打印點的最大高度，所以這項技術很難制備在Z軸方向具有不同高度的三維構件，同時也無法制備具有內(nèi)部多孔結構的陶瓷產(chǎn)品。3D打印的研究熱點目前主要集中在材料和設備，以工程塑料、光敏樹脂等為代表的有機高分子材料和以鋁合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼等為代表的金屬材料的3D打印已經(jīng)獲得較大進展。從3D打印技術的工作原理可以看出，其成型粉末需要具備材料成型好、粉末粒度小、不易團聚、流動性好、干燥硬化快等優(yōu)點，而陶瓷材料由于自身特性在3D打印方面還有許多需要克服的難點，目前3D打印的陶瓷材料主要包括硅酸鋁、氧化鋁、氧化鋯和磷酸鈣等，通常把陶瓷粉末和光敏樹脂混合制成可供3D打印的原料。3D打印陶瓷存在以下需要克服的難點：陶瓷粉末和黏結劑粉末的配比會影響陶瓷零件的性能。黏結劑含量越多，固化比較容易，但在后期處理中零部件收縮比較大，影響零件的尺寸精度。光敏樹脂的熔點較低，液態(tài)樹脂具有高黏性而導致流動性較差，在每層固化后液面很難在短時間內(nèi)迅速撫平，將會影響實體的成型精度。陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大，在快速凝固過程中會產(chǎn)生較大的熱應力，從而形成較多微裂紋。精度和效率，作為機械工程的零部件來說，目前3D打印成品的精度和表面光滑度還達不到要求。另外，要把精度分辨得極高以后，它必然帶來的問題就是效率會比較低。所以怎樣又快又好的打印出成品，還行進行改進和研究。3D打印陶瓷市場當前最大的客戶群體來源都來自航空航天和國防高新技術行業(yè)，兩者均對陶瓷制品有著大量的需求；其次就是生物健康醫(yī)療領域，這個領域陶瓷多被應用于制造像假牙、手術器械、人體假肢、植入體等醫(yī)療產(chǎn)品，因為