由于陶瓷材料的脆性和硬度大,传统加工生产工艺面对复杂形状和结构,定制个性化制造,原型生产及验证,还有昂贵资源节约等场景时往往力不从心。但是3D打印技术的应用,使得上述诸多问题迎刃而解,由此也给先进陶瓷产业注入了新的活力,甚至被誉为革命性创新。小编整理了目前用于先进陶瓷的一些商业化主流技术路线,简单介绍其基本流程方法和特点,给予有兴趣了解的读者一些参考。
FDM(熔融沉积造型)——通常采用陶瓷粉末与聚合物混合形成的丝材料,受热融化后通过喷嘴逐层堆积打印。
FDM通常需要可溶解的支撑材料辅助支撑悬空部分,在后处理时将其溶解去除。其优势包括成本低,打印部件尺寸较大,但是精度较低。常用于原型制作和艺术陶瓷。
DIW(浆料直写)——陶瓷粉末与溶剂和分散剂混合形成适当黏度和流动性的浆料,由一个或多个喷嘴和运动控制系统的打印设备采用逐层堆积方式打印。
DIW具有高精度和分辨率的特点,但对浆料制备HE 烧结工艺要求较高。它的典型代表有小编曾介绍过的XJET公司。
Binder Jetting(粘结剂喷射)——这是一种通过喷射绑定剂和粉末层来构建物体的技术。绑定剂将粉末颗粒粘合在一起,形成一个绿体(green part),然后可以通过烧结或热处理来获得最终的金属或陶瓷产品。
Binder Jetting的优势包括材料范围广,可高效低成本打印较大尺寸的陶瓷部件,得到汽车等工业领域的重视;最大的缺点是部件表面质量有限,对后处理要求较高。
SLA(立体光刻)——这种最初为聚合物开发的打印技术后来发现可以用于陶瓷,它利用激光或其他光源来选择性地逐层固化含有陶瓷颗粒的光敏树脂,从而构建陶瓷部件。该技术路线由光源和固化机制的不同,发展了数字光处理技术(Digital Light Processing,DLP)和双光子聚合技术(Two-Photon Polymerization ,TPP)等细分路线。
光固化细分路线(部分)
SLA即Stereolithography,可打印对象广泛包括氧化铝、氮化硅、氧化锆等;同时兼顾打印速度(生产效率)和精度(分辨率);但是受光敏树脂局限,打印部件尺寸较小。
Powder Bed Fusion(粉末床融合)——激光或电子束选择性地逐层熔化材料成型,通常细分为选择性激光熔化(SLM)或电子束熔化(EBM)两种。由于陶瓷材料的高熔点,这种工艺将难熔的陶瓷粉末外表面包裹上高分子粘接剂,激光按照计算机设计的路径逐点扫描粉体表面,扫描的部位局部受到高温,颗粒在相互之间的粘接剂作用下产生很好的粘接。
PBF系统示意图
Powder Bed Fusion不需要支撑材料,但制品致密度受铺设密度影响而不够高。
LOM(叠层实体制造)——是一种将陶瓷粉末分层粘合固化,并通过切割器具或激光切割系统根据设计的轮廓将固体层切割成所需形状的非典型增材制造技术。
LOM系统示意图
LOM即Laminated Object Manufacturing,其特点是可以使用多种陶瓷粉末,实现大尺寸、复杂形状和定制化的陶瓷部件的快速制备,但精度有限,且存在一定浪费。
以上总结必然存在诸多疏漏、不当之处,还请业内专家不吝指出。
粉体圈 启东
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