2023年5月15-17日 广州保利世贸博览馆2号馆

首页新闻动态技术科普
先进陶瓷有哪些快速成型技术?
日期:2022-11-30    浏览次数:
0

陶瓷成型就是将陶瓷原料按照实际生产的要求制作成具有规定形状、尺寸及一定强度的生坯,成型过程取决于陶瓷原料的性能和成型工艺方法。造就陶瓷制品形状的方法也是多种多样的,但总的来说,可以分为干法成型和湿法成型。而近年来,以3D打印技术为基础工艺核心的快速成型技术在先进陶瓷领域得到迅速发展及应用,在缩短产品开发周期,降低开发成本的效果是极其明显的,因此受到了大量研究人员的重点关注。

先进陶瓷有哪些快速成型技术?

目前,发展较快、应用较多的快速成型技术主要包括激光选区烧结(selective laser sintering,SLS)、激光选区熔化(selective laser melting,SLM)、三维喷印(three-dimensional printing,3DP)、熔 融 沉 积 制 造(fused deposition modeling,FDM)、 分 层 实 体 制 造(laminated object manufacturing,LOM)、立 体 光 固 化(stereolithography Apparatus,SLA)、数字光处理(digital light processing,DLP)和直写成形(direct ink writing,DIW)等。

中,SLS、SLM和间接(粘接)3DP等以陶瓷粉体作为打印原材料,FDM等以陶瓷丝材作为打印原材料,LOM等以陶瓷片材作为打印原材料,而SLA、DLP、DIW和直接(喷墨)3DP等则以陶瓷浆料/膏材作为打印原材料。以下分别以SLS、FDM、LOM、SLA为例,分别介绍几种类型的快速成型技术。

一、激光选区烧结技术(SLS)

激光选区烧结技术(SLS)是将陶瓷材料和激光技术结合在一起的技术,工作原理是将粉末供料系统中的粉末向上运输,通过压辊将其平铺在工作台上,利用计算机计算和控制线路扫描粉末,激光扫描过后的粉末其中熔点较低的材料会融化烧结,形成一种层状结构,扫描结束后,工作台会下降至一定高度开始往返式作业,与前一层状陶瓷结构粘结在一起,直至打印出成品。

目前,陶瓷粉末一般以添加剂的形式加入到SLS的陶瓷材料中。粘结剂的添加方式主要有直接混合、包覆表面,以及表面改性后混合三种,其中在陶瓷粉末表面包覆粘结剂的方法适用性更高。

SLS成型原理

SLS成型原理

二、熔融沉积成型技术(FDM)

熔融沉积成型技术(FDM),其原材料为热熔性陶瓷材料,一般被制成方便运输存储的丝状陶瓷。热熔丝状陶瓷会通过供料辊机械运动进入导套中,并沿着导套管进入喷头,物料在喷头内受热熔化后,按照计算机模型中预设轨迹随着喷头进行叠加和冷却,最终制成陶瓷产品。

该项技术具有操作简单、过程容易控制、成本低、维护费用少等优势,但也存在表面易破孔、凹凸不平、基底变形和翘曲、需要支撑结构等问题。由于该技术可挤压生物降解性的支架材料,包括聚乳酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等,使其在制备复合型生物陶瓷上的应用越来越多。

FDM成型技术原理图及打印陶瓷件

FDM成型技术原理图及打印陶瓷件

三、分层实体制造技术(LOM)

分层实体制造技术(LOM),又被称为层叠制备技术,工艺流程包括图形处理—制作基底—制作原型—去除余料—后置处理,其工艺特点就是能够将已经成型的陶瓷薄片,通过涂覆热熔胶等材料进行热压辊轮加热、压片和粘结的方法,将其与已经成型的工件粘结在一起,再利用激光扫描器切割成型,反复操作后,直到所有截面粘结和切割完成后,可得到实体零件,具有较高成型速率,后续处理也十分便捷,是目前较为成熟和常见的一种技术,已广泛应用于复杂零件制造工作当 中。

目前用于LOM技术的陶瓷片材主要采用流延法制作,材质主要有Al2O3、SiC、Si3N4和BaTiO3等。

LOM成型技术原理图

LOM成型技术原理图

四、立体光固化技术(SLA)

立体光固化技术实际上(SLA)是最古老的增材制造技术,以其精度高、表面质量好、力学性能优异、打印系统结构简单等优点成为目前增材制造行业最受欢迎和最普遍的技术之一。其工作原理是利用紫外线在电脑的控制下逐点扫描零件的分层截面,使储料罐中的陶瓷浆料/膏材感光固化形成一个薄层。每层固化完成后,工作台向下移动,在已固化的薄层上固化下一层,这样逐层叠加最终便可成形出整个零件。

光固化成型过程

光固化成型过程(来源:因泰莱激光)

陶瓷浆料/膏材一般是以光敏树脂作为载体,通过加入陶瓷粉体,在表面活性剂和添加剂的作用下,陶瓷粉体在光敏树脂中充分分散后成为陶瓷浆料/膏材。但正是由于陶瓷粉体的加入,使得陶瓷浆料/膏材对入射光的感光效果差别较大,进一步影响了材料的打印效果。目前常用于SLA成型的陶瓷材料包括ZrO2、Al2O3、SiO2、羟基磷灰石、锆钛酸和铅磷酸钙等。

除了陶瓷材料本身对入射光的感光效果不同,陶瓷粉体粒径分布、形貌、浆料沉降性能、黏度等因素,都对材料的打印效果产生影响,因此也成为业内研究的热点。

先进陶瓷有哪些快速成型技术?

光固化成型的各项影响因素

总结

快速成型技术作为一种高新制造技术,从诞生至今,不断开发创新出新的工艺、技术及材料,不断推动我国传统制造模式的变革,使其向精密化、标准化、低成本化发展,但还存在制造精度差、强度低、成本高等难题,难以实现大规模市场 化应用。后续科研人员还需要在快速成型用新材料、新工艺、新技术等方面开展研究,比如提高坯体中陶瓷材料体积含量,加强陶瓷形变和收缩控制的同时,提高成型速度,缩短陶瓷件制备时间等,特别是在面向结构功能一体化和梯度化制造,以及多材料/多工艺复合高效制造等方面,开展细致研究,促进先进陶瓷快速成型技术在实际工业生产中的应用。


参考来源:

1.先进陶瓷材料快速成型技术研究进展,张晓丽、李楠、宋涛、王守兴、于宏林(陶瓷)

2.新时期快速成型技术的研究及其在自动化铸造的运用,王志强(化工中间体)

3.应用于陶瓷材料的快速成型技术的发展,左开慧、姚冬旭、夏咏锋、尹金伟、曾宇平(中国材料进展)。


粉体圈小吉

本文为粉体圈原创作品,未经许可,不得转载,也不得歪曲、篡改或复制本文内容,否则本公司将依法追究法律责任