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陶瓷3D打印---群雄逐鹿的热战场
2019年06月04日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:189
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近年来,3D打印技术的发展日新月异。3D打印技术的材料由高分子材料逐渐发展到金属材料,随着这项技术的逐步完善,“陶瓷材料+3D打印”正在成为一个蓬勃发展的新领域,是世界各国企业竞相追逐,试图抢夺行业话语权的热战场。

3D打印技术与传统材料成型方法相比,最大的特点是“分片成型+逐层叠加”。图1中的六张图片非常直观地描绘了3D打印技术从计算机端,到实体制造端的过程。3D打印的第一步是三维建模,这个可以通过扫描仪对需要成形的实体进行扫描,计算机可以自动生成相应的模型,也可以通过UG、PROE等制图软件自行绘制。图中为UG绘制的示意简图。接下来,基于离散-叠加原理将其切片得到许多分离的平面,传递给成形设备。简单而言,建模的过程是整个完整实体的获得,而成形的过程是材料在设备下的逐层叠加。

13D打印从计算机建模到逐层打印的过程

早期的3D打印技术由Sachs等提出(现在,这项技术常被称为三维印刷技术),其应用于陶瓷材料成型的工艺方法是首先将三维结构分割成多个分立的结构单元,然后在计算机指令的控制下,将黏结剂选择性地喷射到陶瓷粉末表面上,粉体粘结之后最终成型出预期的立体构件,如图2所示。

2 三维印刷技术的示意图

目前,以氧化锆、锆英砂、氧化铝、碳化硅和氧化硅等陶瓷粉体为原材料,基于三维印刷成型技术制造陶瓷模具的方法已经得到了良好的发展并成功市场化,其中,硅溶胶是最常用的陶瓷颗粒黏结剂。三维印刷成型技术的优势在于能够大规模成型出陶瓷部件,成本较低,不足之处在于部件强度有限(黏结剂黏合强度受限),难以获得承重陶瓷器件。

在三维印刷成型技术中,喷嘴喷出的是陶瓷黏结剂,而喷射打印成型技术(ink jet printing, IJP)是在喷墨打印机原理的基础上,结合了3D打印的理念发展而成。喷射打印技术是首先将陶瓷粉料混合入各种添加剂和有机物制成陶瓷浆料,又称陶瓷墨水,然后用喷墨打印机将这种浆料按照计算机指令逐步喷射到载体上,形成具有原先设计外形和尺寸的陶瓷生坯。

3喷墨打印示意图

喷射打印成型技术的优点是成型机理相对简单,打印头的成本较低,只要解决了陶瓷墨水的问题,就可以将该技术产业化。目前英国赛尔(Xaar)喷墨技术产品已经在市场上广泛应用于陶瓷工业领域,主要包括两方面,即陶瓷成型和陶瓷制品装饰。喷射打印成型也存在一定的局限性,如由于墨水液滴的大小限制了打印点的最大高度,因此该技术很难制备在Z轴方向具有不同高度的三维构件,同时也无法制备具有内部多孔结构的陶瓷产品。

4 英国赛尔和新景泰合作开发的800×800mm规格的瓷砖产生,使用了赛尔的2001喷墨产品

此外,以色列3D打印公司XJet在2017年推出了可同时打印金属和陶瓷的3D打印设备。其技术路径是通过将大分子金属或陶瓷颗粒粉碎成纳米级别,注入粘合剂,构成打印墨水。在墨水中,金属或陶瓷颗粒以悬浮态均匀分布,逐层喷射层厚可小于2微米,成型后,坯体在构建室将粘合剂蒸发。Xjet将这项技术成为纳米颗粒喷射技术。

5以色列公司Xjet生产的Carmel 1400 AM System

光固化快速成型技术(stereo lithography apparatus,SLA)又称为立体印刷成型技术,如图6所示,其主要机制是采用一种在紫外光照射下能够迅速固化的光敏液态树脂为原料,通过紫外光选择性地辐照某一层液体,最终成型出部分区域固化的零部件。

6光固化快速成型示意图

奥地利Lithoz是一家专注于陶瓷3D打印技术的公司,在陶瓷3D领域具有重要地位。图7为他们生产的光固化3D打印设备。2017年12月,在德国法兰克福Formnext2017展会上,中航迈特与Lithoz签署合作协议,双方将携手合作开发陶瓷3D打印机、陶瓷新材料及零件,以满足我国航空航天对复杂结构陶瓷零件的需求。目前,Lithoz公司已实现氧化锆、氮化硅、磷酸钙等陶瓷材料的3D打印,除了3D打印微型结构反应器、静态混合器的多留管道设计、虹吸管,还可应用于打印心脏起搏器、陶瓷型芯、液相分离萃取柱以及手链等产品。

 

7奥地利Lithoz生产的光刻陶瓷3D打印设备

除了奥地利的Lithoz以外,法国3D Ceram也是一家实力强劲的3D打印公司。目前,公司主打产品为专业级的大幅面光固化陶瓷3D打印机,可以打印氧化铝、氧化锆、ATZ、HAP和TCP等多种材料。

 

8 法国3D Ceram的主打产品性能参数

3D Ceram公司的光固化设备采用激光作为光源,配合特殊的陶瓷膏料打印原料,烧结后的产品接近100%理论密度,强度甚至超过传统的压制和注射成型。打印精度在200um以上的细节均可准确表现。

9 法国3D Ceram打印的氧化锆反应器及其组装示意图

小结

陶瓷3D打印随着整个3D打印的发展日新月异,新方法、新技术层出不穷。本文介绍了目前主流的3D打印技术,包括三维印刷技术、喷射打印技术和光固化技术,这些技术在市场中已经有较为成熟的产品和具体的应用,其中,诸如英国Xaar、以色列Xjet、奥地利Lithoz和法国3D Ceram是目前陶瓷3D打印领域的佼佼者。综合来看,一方面,陶瓷3D打印技术备受关注,市场前景巨大,而另一方面,各国龙头企业竞相追逐,造成技术迭代迅速,因此对于资本的投入门槛非常大。

参考文献

陶瓷3D打印技术的研究与进展,深圳大学,李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕。

By:火宣


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