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几种3D打印陶瓷材料技术及应用
2018年10月11日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:419
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3D打印技术,又称增材制造,其具有具有操作简单、成型速度快、精度高等优点。随着3D打印技术的不断发展,已经逐步应用在制造行业的各个领域。3D打印陶瓷材料,并结合较为先进的烧结技术,制备出高精度、高强度的陶瓷零件,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。下面小编介绍几种3D打印陶瓷材料技术及应用。

 

一、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。 其中,基于激光成型的方法有光固化成型技术、分层实体制造技术和激光选区烧结技术技术,另外两种属于非激光成型方法。 需要设置支撑结构的有熔化沉积成型技术和激光选区烧结技术技术,而另外3种不需要设置支撑结构。 最后,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  3D打印陶瓷技术分类图

 

1、喷墨打印技术

3D喷墨打印陶瓷技术工作原理是通过加热喷嘴使喷嘴底部毛细管中的陶瓷墨水在极短的时间内迅速汽化并形成气泡迅速扩展开。随着气泡的膨胀,达到克服墨水表面张力的临界值,墨水就从喷嘴毛细管顶部喷出。陶瓷墨水按照计算机预先建模的数据进行图案的绘制,层层叠加实现3D打印过程。停止加热后,墨水冷却,气泡开始凝结收缩,陶瓷墨水便会缩回,陶瓷墨水停止供应。

 

2  3D喷墨打印陶瓷技术

 

3D喷墨打印陶瓷技术优点是: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。

 

2、熔化沉积成型技术

熔化沉积成型技术由供料辊、导向套和喷头3个结构组件相互构成,其工艺工程是首先热熔性丝状材料经过供料辊,在从动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。

 

3  熔化沉积成型技术示意图

 

熔化沉积成型技术优点是:不需要激光技术的辅助,成本较低,后期维护也比较方便。但是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、激光固化成型技术

激光固化成型技术基本原理是通过紫外激光束,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。

 

4  激光固化成型技术工作原理示意图

 

激光固化成型技术优点是: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。

 

缺点是:对工作环境条件要求苛刻,效率较低,需要设置支撑结构,工艺过程较为复杂。

 

4、分层实体制造技术

分层实体制造技术是一种薄片材料叠加工艺。其工艺过程是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,实现由层到立体的转变。在3D陶瓷打印中,用于分层实体制造技术的陶瓷薄片材料可以利用流延法制备得到。

5  分层实体制造技术示意图

 

分层实体制造技术优点是:成型速度快,适合用于制造层状复杂结构零件。缺点是:该技术不适合打印复杂、中空的零件,层与层之间存在较为明显的台阶效应,最终成品的边界需进行抛光打磨处理。

 

5、激光选区烧结技术

激光选区烧结技术主要通过压辊、激光器、工作台3个结构组件相互搭配来实现。其具体原理是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。

 

激光选区烧结技术优点是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。

 

缺点是:该技术用于打印陶瓷零件成本高、后期维护较为繁琐。

 

6  激光选区烧结技术工作原理示意图

 

二、3D打印陶瓷材料技术应用

1、氧化铝陶瓷

传统工艺制备氧化铝陶瓷,过程繁琐,耗时耗力。与传统工艺相比,3D打印陶瓷具有制作周期缩短、成本降低、加工便捷、可操作性强等优势。 因此采用3D打印技术制备氧化铝陶瓷,将成为一次新的革命性发展,进一步扩大氧化铝陶瓷的销售市场,在建筑、航空航天和电子消费品等领域获得广泛应用。

 

研究者首先采用喷雾造粒技术制备粒径控制在10-150μm的氧化铝粉体,再通过激光选区烧结技术打印出具有良好的力学性能氧化铝陶瓷。

 

7  3D打印技术制备复杂形状氧化铝陶瓷

 

2、磷酸三钙陶瓷

磷酸三钙的化学组分与骨骼十分相近,具有无变异性、良好的生物相容性等优点,广泛应用于医学领域。目前,国外对磷酸三钙陶瓷3D打印技术进行了系统研究。主要工艺过程是以100g磷酸三钙粉体为原料,与乙醇混合后球磨6h,浆料经两次干燥后采用喷墨沉积打印技术将素坯成型,,同时于1250℃空气气氛煅烧2h制备高质量磷酸三钙陶瓷。


8  3D打印磷酸三钙陶瓷应用于医学领域

 

3、多孔氮化硅陶瓷

3D打印多孔氮化硅陶瓷方面,西北工业大学以粒径为7.2μm的高纯硅粉为原料,糊精为粘结剂,采用造粒工艺制备了粒径小于200μm的氮化硅粉体。 在纯度大于99.999的氮气保护下,采用3D打印和阶梯升温模式反应烧结得到多孔氮化硅陶瓷。

 

参考文献:

1、张恒,许磊,胡振华,光固化3D打印用光敏树脂的研究进展。

2、刘威,刘婷婷,廖文和等,陶瓷材料选择性激光烧结/熔融技术研究与应用现状。

3、翁作海,曾庆丰,谢聪伟等,三维打印结合反应烧结制备多孔氮化硅陶瓷。

4、图2-8来源网络图片资料。

 

作者:李波涛


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