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陶瓷除了注塑、干压及流延还有3D打印(附2017新

作者:天博    更新时间:2021-02-09 11:48

  瓷是一种无机材料,精美实用,体现了我国悠久的文化气息,硬而脆是陶瓷材料最显著的特点,因此而加工成形困难。目前用于陶瓷成型的有注塑、干压及流延等,如果要成型更精密一点的产品,还有3D打印,目前是行业热点,今天我们来详细了解一下。

  3D打印(Three Dimensional Printing,3DP)实质为一种快速成型技术,是由成型设备以粉末材料累加的方式制成实物模型。与传统制造业的去除材料加工方式不同,3D打印遵循的是加法原则,即实物为层层粉末叠加而成,所以也称“增材”技术。

  材料是决定成型方式和制品性能的核心,目前可用于3D打印的材料有金属、聚合物和陶瓷等。

  陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等性能,广泛应用于生物、机械工程等领域,但由于其硬而脆的特性造成陶瓷的成型加工困难, 迫切需要一种新型的成型技术—陶瓷3D打印技术。

  陶瓷3D打印技术具有成型速度快,可打印复杂部件,个性化产品成本低等优点,主要体现在以下几个方面:

  传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序,制作的周期长。而3D打印则去除了模具的制作过程,使得模型的生产时间大大缩短,一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印;

  3D打印对于打印的模型数量毫无限制,不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来,这个优势为3D打印开拓新的市场奠定了坚实的基础;

  目前陶瓷3D打印成形技术主要可以分为喷墨打印技术(IJP)、熔融沉淀技术(FDM)、分层实体制造技术(LOM)、选择性激光烧结技术(SLS)和立体光固化技术(SLA)。使用这些技术打印得到的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷零件。根据成形方法和使用原料的不同,每种打印技术都有自己的优缺点,发展程度也有差距。

  三维打印是由MIT开发出来的,首先将粉末铺在工作台上,通过喷嘴把粘结剂喷到选定的区域,将粉末粘结在一起,形成一个层,而后,工作台下降,填粉后重复上述过程直至做出整个部件。所用的粘结剂有硅胶、高分子粘结剂等。三维打印法可以方便地控制陶瓷坯体的成分和显微结构,但是坯体需要后处理,而且精度低、强度低。

  喷墨沉积法是由Brunel大学的Evans和Edirisingle研制出来的,它是将含有纳米陶瓷粉的悬浮液直接由喷嘴喷出以沉积成陶瓷件。该工艺的关键是配置出分散均匀的陶瓷悬浮液,目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制约其发展的因素主要是陶瓷墨水的配置和喷墨打印头的堵塞。

  与塑料3D打印的熔融沉积成形(FDM)类似,基本都是由供料辊、导向套和喷头3个结构组件相互搭配来实现。首先热熔性丝状材料(混有陶瓷粉末的喷丝)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后挤出喷嘴,挤出后的陶瓷高分子复合材料因为温差而凝固,按照设计好的原件造型进行3D打印。

  也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料,直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。

  一种薄片材料叠加工艺,又称为薄形材料选择性切割。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形,是一种直接由层到立体零件的过程。

  成形速度快,适合用于制造层状复杂结构零件;不需要设置支撑结构,后期处理过程比较简单。陶瓷薄片材料可以利用流延法制备得到,国内外对流延法制备陶瓷薄片材料的技术也已经比较成熟,原料的获取方便快捷。但是,由于采用的薄膜材料需要进行切割叠加,不可避免地产生大量材料浪费的现象,利用率有待提高。同时打印过程采用的激光切割增加了打印成本。不适合打印复杂、中空的零件,层与层之间存在较为明显的台阶效应,最终成品的边界需要进行抛光打磨处理。

  主要通过压辊、激光器、工作台3个结构组件相互搭配来实现陶瓷3D打印。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。

  由于直接对陶瓷进行烧结比较困难,需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、力学性能差等方面的问题一直制约着该技术的发展,难以得到高精度、高强度、高致密度的陶瓷零件。同时,由于使用激光,该技术打印陶瓷零件成本高、后期维护较为繁琐。

  又称光固化成形技术。根据光源种类及作用方式的不同,分为激光扫描固化(SLA)和DLP(DigitalLightProcessing,数字光处理)面固化工艺。

  SLA技术是通过激光的扫描曝光实现单层的固化。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xy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零件。DLP技术是通过面光源的投影曝光实现单层的固化。以能在紫外光下固化的液态树脂为粘结剂,与陶瓷粉体等原料混合配制出陶瓷浆料,计算机根据每个截面的轮廓线控制紫外光照射相应区域,浆料很快固化形成一层轮廓,逐层叠加,新固化的一层粘结在前一层上,如此重复直至成形完毕。

  光固化成形技术发展至今已经较为成熟,适用于制作结构复杂、精度要求高的零件,已有公司研发出光固化3D打印设备。

  陶瓷3D打印可以制备结构复杂、高精度的多功能陶瓷,在建筑、工业、医学、航天航空等领域将会得到广泛的应用,在陶瓷形芯、骨科替代物、催化器等方向具有很好的应用前景,将给我们的生活带来巨大改变。

  3D打印设备可以打印出造型各异的陶瓷日常用品,这些产品通过上釉后,十分精美。

  1. 知名市场研究公司预测:2021年陶瓷3D打印市场规模或超1.3亿美元

  2017年1月,知名市场研究公司MARKETSANDMARKETS(M&M)发布了一份调查报告,认为3D打印陶瓷市场的全球规模有望从2016年的2780万美元增长至2021年的1.315亿美元,期间的复合年增长率(CAGR)将高达29.6%,而背后的主要驱动因素将是工业级终端用户需求量的增加。3D打印陶瓷市场目前最大的客户群来自航空航天和国防行业,其次是健康医疗领域。

  英国萨里大学由Marian Florescu博士领导的一个团队对结构光子材料中的光子带隙进行了研究。

  在测试他们的理论时,研究人员开发了一种前所未有的无固定形状的、带有带隙的螺旋二十四面体结构,该结构与某些蝴蝶翅膀(特别是大灰蝶的翅膀)的结构非常相似。通过使用一台3D陶瓷打印机,研究人员再现了这一结构,创造出有史以来第一款3D打印氧化铝光子带隙材料。

  这种结构可以吸收和反射光、声音和热波,这意味着这种材料可用来开发新的节能材料,如散热窗膜、油漆,这些材料能提高建筑和车辆的能量效率。

  以色列电子3D打印公司Nano Dimension2017年2月宣布,其子公司Nano Dimension Technologies将开发可使用喷墨技术进行3D打印的高级陶瓷材料。新项目得到了以色列创新局MEIMAD委员会的支持,该局已批准140万新谢克尔(约372000美元)的预算。根据Nano Dimension公司透露,以色列创新局将为上述预算提供50%的资金支持。

  2017年4月,知名法国航天巨头赛峰(Safran)宣布已经与Gorgé集团的3D打印子公司Prodways达成合作协议,将联手开发新的3D打印材料(如陶瓷、金属,以及高温复合聚合物粉末)和它们的打印工艺。开发完成后,赛峰便会将这些材料用于其产品。

  2017年8月,马德里自治大学和陶瓷 3D 打印公司 Lithoz 联合开发了复杂的 3D 打印陶瓷微系统,可以推进芯片实验室和人体芯片器官的开发与应用。

  这种八边形的芯片是使用 Lithoz 的 CeraFab 7500 机器(一种基于光刻的增材制造系统)将陶瓷材料与光敏树脂混合后3D打印出来的,被打印出来后,通过烧结去除树脂,将陶瓷颗粒熔合在一起成为固体件。这一步很重要,因为它可以达到芯片所需要的密封材料生物医学性能要求(以防止活体材料的泄漏)。这种3D 打印的陶瓷芯片因其比玻璃或塑料具有更高的强度和更好的耐温性,显示出了陶瓷材料用于生物医学应用的潜力。

  2017年8月,丹麦研究人员实现了3D打印修复手术的重大突破,他们实现了全球首例将中空的3D印刷的骨植入小鼠的颅骨中,植入的3D打印骨头不仅没被排斥,还能在宿主组织中生长,甚至可以形成骨髓的案例。

  这是首例宿主身体成功完全彻底接受3D打印骨植入物的案例。尽管此次案例实现在老鼠的身体上,但人体实验也不远了。这个项目是由南丹麦大学的副教授Morten Østergaard Andersen和SDU生物技术开展的。这次试用的材料是人造骨材料,不是金属或塑料材料。该材料既能像骨头一样强壮,但也能和3D打印机挤压兼容。

  在11月7日正式开启的第19届工博会上,上海应用技术大学材料科学与工程学院教授赵喆领衔的团队,在这里展示陶瓷材料3D打印的自主创新技术。其目前最大的应用领域在于牙齿打印。他们的团队在国内率先开发出基于立体光固化技术(SLA)的高精度工业级陶瓷材料3D打印机,以及与之相配套的高纯氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅和石膏树脂等打印材料。相关负责人表示,该技术特别适用于对打印精度有高要求的全瓷义齿和首饰加工行业,目前已与上海市第九人民医院等多家国内一流医疗机构和大型义齿加工单位开展合作,技术得到应用单位的高度认可。

天博
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