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陶瓷3D打印---群雄逐鹿的熱戰場
2019年06月04日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:239
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近年來,3D打印技術的發展日新月異。3D打印技術的材料由高分子材料逐漸發展到金屬材料,隨著這項技術的逐步完善,“陶瓷材料+3D打印”正在成為一個蓬勃發展的新領域,是世界各國企業競相追逐,試圖搶奪行業話語權的熱戰場。

3D打印技術與傳統材料成型方法相比,最大的特點是“分片成型+逐層疊加”。圖1中的六張圖片非常直觀地描繪了3D打印技術從計算機端,到實體制造端的過程。3D打印的第一步是三維建模,這個可以通過掃描儀對需要成形的實體進行掃描,計算機可以自動生成相應的模型,也可以通過UG、PROE等制圖軟件自行繪制。圖中為UG繪制的示意簡圖。接下來,基于離散-疊加原理將其切片得到許多分離的平面,傳遞給成形設備。簡單而言,建模的過程是整個完整實體的獲得,而成形的過程是材料在設備下的逐層疊加。

13D打印從計算機建模到逐層打印的過程

早期的3D打印技術由Sachs等提出(現在,這項技術常被稱為三維印刷技術),其應用于陶瓷材料成型的工藝方法是首先將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,粉體粘結之后最終成型出預期的立體構件,如圖2所示。

2 三維印刷技術的示意圖

目前,以氧化鋯、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等陶瓷粉體為原材料,基于三維印刷成型技術制造陶瓷模具的方法已經得到了良好的發展并成功市場化,其中,硅溶膠是最常用的陶瓷顆粒黏結劑。三維印刷成型技術的優勢在于能夠大規模成型出陶瓷部件,成本較低,不足之處在于部件強度有限(黏結劑黏合強度受限),難以獲得承重陶瓷器件。

在三維印刷成型技術中,噴嘴噴出的是陶瓷黏結劑,而噴射打印成型技術(ink jet printing, IJP)是在噴墨打印機原理的基礎上,結合了3D打印的理念發展而成。噴射打印技術是首先將陶瓷粉料混合入各種添加劑和有機物制成陶瓷漿料,又稱陶瓷墨水,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,形成具有原先設計外形和尺寸的陶瓷生坯。

3噴墨打印示意圖

噴射打印成型技術的優點是成型機理相對簡單,打印頭的成本較低,只要解決了陶瓷墨水的問題,就可以將該技術產業化。目前英國賽爾(Xaar)噴墨技術產品已經在市場上廣泛應用于陶瓷工業領域,主要包括兩方面,即陶瓷成型和陶瓷制品裝飾。噴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點的最大高度,因此該技術很難制備在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部多孔結構的陶瓷產品。

4 英國賽爾和新景泰合作開發的800×800mm規格的瓷磚產生,使用了賽爾的2001噴墨產品

此外,以色列3D打印公司XJet在2017年推出了可同時打印金屬和陶瓷的3D打印設備。其技術路徑是通過將大分子金屬或陶瓷顆粒粉碎成納米級別,注入粘合劑,構成打印墨水。在墨水中,金屬或陶瓷顆粒以懸浮態均勻分布,逐層噴射層厚可小于2微米,成型后,坯體在構建室將粘合劑蒸發。Xjet將這項技術成為納米顆粒噴射技術。

5以色列公司Xjet生產的Carmel 1400 AM System

光固化快速成型技術(stereo lithography apparatus,SLA)又稱為立體印刷成型技術,如圖6所示,其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,最終成型出部分區域固化的零部件。

6光固化快速成型示意圖

奧地利Lithoz是一家專注于陶瓷3D打印技術的公司,在陶瓷3D領域具有重要地位。圖7為他們生產的光固化3D打印設備。2017年12月,在德國法蘭克福Formnext2017展會上,中航邁特與Lithoz簽署合作協議,雙方將攜手合作開發陶瓷3D打印機、陶瓷新材料及零件,以滿足我國航空航天對復雜結構陶瓷零件的需求。目前,Lithoz公司已實現氧化鋯、氮化硅、磷酸鈣等陶瓷材料的3D打印,除了3D打印微型結構反應器、靜態混合器的多留管道設計、虹吸管,還可應用于打印心臟起搏器、陶瓷型芯、液相分離萃取柱以及手鏈等產品。

 

7奧地利Lithoz生產的光刻陶瓷3D打印設備

除了奧地利的Lithoz以外,法國3D Ceram也是一家實力強勁的3D打印公司。目前,公司主打產品為專業級的大幅面光固化陶瓷3D打印機,可以打印氧化鋁、氧化鋯、ATZ、HAP和TCP等多種材料。

 

8 法國3D Ceram的主打產品性能參數

3D Ceram公司的光固化設備采用激光作為光源,配合特殊的陶瓷膏料打印原料,燒結后的產品接近100%理論密度,強度甚至超過傳統的壓制和注射成型。打印精度在200um以上的細節均可準確表現。

9 法國3D Ceram打印的氧化鋯反應器及其組裝示意圖

小結

陶瓷3D打印隨著整個3D打印的發展日新月異,新方法、新技術層出不窮。本文介紹了目前主流的3D打印技術,包括三維印刷技術、噴射打印技術和光固化技術,這些技術在市場中已經有較為成熟的產品和具體的應用,其中,諸如英國Xaar、以色列Xjet、奧地利Lithoz和法國3D Ceram是目前陶瓷3D打印領域的佼佼者。綜合來看,一方面,陶瓷3D打印技術備受關注,市場前景巨大,而另一方面,各國龍頭企業競相追逐,造成技術迭代迅速,因此對于資本的投入門檻非常大。

參考文獻

陶瓷3D打印技術的研究與進展,深圳大學,李亞運,司云暉,熊信柏,鄒繼兆,曾燮榕。

By:火宣


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