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陶瓷打印是如何进入高端装备制造业的?

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发表于 2021-1-13 10:35:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
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一说到陶瓷这两个字,相信“非圈内”人士首先想到的应该是在炉窖里焙烧的锅碗瓢盆,一般称它们为传统陶瓷。

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(传统陶瓷)

这些传统陶瓷是以粘土等天然硅酸盐为主要原料烧成的制品,这类制品的特点是坚硬,绝缘性和耐蚀性极好,但脆性大。

所以这就是很多人的疑问:脆性大的话就是一个易碎品,怎么能应用于高端制造业呢?

所以,我们今天要说的是陶瓷的另一个种类:以先进陶瓷为基体的陶瓷基复合材料。

先介绍一下先进陶瓷。

先进陶瓷的定义是:在原料、工艺方面有别于传统陶瓷,通常采用高纯、超细原料,通过组成和结构设计并采用精确的化学计量和新型制备技术制成性能优异的陶瓷材料。

先进陶瓷的特点很多,具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能

但是其致命的弱点是处于应力状态时,依然具有脆性,会产生裂纹,甚至断裂导致材料失效。

但是,如果先进陶瓷和各种纤维复合之后形成的陶瓷基复合材料,就可以避免这个弱点。

采用高强度、高弹性的纤维与先进陶瓷基体复合,是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展,从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

这些特点让陶瓷基复合材料在航空航天、国防军工、机械化工、生物医疗、信息电子、核电与新能源等领域得到了越来越多的应用。

由于其应用领域实在是太多太广,这次我们主要聚焦于它在航空航天领域里的应用。

所以今天咱们就深入的探究一下:有什么陶瓷3D打印技术可以制造出陶瓷基复合材料?而它是怎么征服航空航天领域的?

陶瓷3D打印都有哪些技术?

陶瓷3D打印技术主要包括光固化成型技术、熔化沉积成型技术、激光选区烧结技术/激光选区熔化技术、喷墨打印技术、分层实体制造技术、三维打印成型技术、浆料直写成型技术等。

光固化成型技术:

光固化技术是目前陶瓷3D打印中精度最高的,成型的零件表面光洁。典型的包括了数字光处理技术(DLP)、立体光固化(SLA)等。

SLA技术是由计算机软件建立三维模型的切片,并设定打印高度及其他参数,通过涂层板将浆料均匀地涂抹到工作平台上,利用紫外线激光束按软件设计逐点地照射浆料使其固化,完成一层切片的打印,进而工作台下降一定高度,涂层板将浆料均匀地涂抹在打印完成的薄层上,继续下一层的打印,逐层堆积直到完成陶瓷坯件。

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DLP与SLA技术的打印流程类似,首先将纳米级陶瓷粉体与光敏树脂充分混合制成浆料(膏体),通过铺料系统逐层精细铺平,经曝光固化,反复堆叠,即可获得素坯,经高温脱脂、烧结之后,即可获得陶瓷制品。

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熔化沉积成型技术:

熔化沉积成型技术常见的如FDM工艺,其工艺流程是: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。

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。

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激光选区烧结技术/激光选区熔化技术-SLS/SLM

激光选区烧结技术和激光选区熔化技术都是利用激光束的能量对打印材料进行打印。

SLS技术成型过程是用压辊将粉状材料平铺在工作平台上,形成粉状薄层,激光束按设计选择性烧结粉状材料,完成此层烧结后工作平台下降一定高度,压辊再次平铺粉状材料,继续烧结,逐层累加直到完成打印。

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SLM技术的成型过程和原理与SLS技术的相似,不同点是SLM技术采用的是陶瓷粉末材料,它通过激光束直接照射陶瓷粉末将其烧结成型 。SLM技术成型关键在于预热和烧结温度,但是目前还难以掌握对于不同陶瓷的最佳预热和烧结温度。SLM在打印材料、成型工艺及后处理方面发展还不成熟,加工出的陶瓷件性能不高,因此不作为实际应用的技术方法。

喷墨打印技术(IJP)

喷墨打印技术可以应用连续式喷墨机和间歇式喷墨打印机。根据打印原理可分为压电式和热泡式。IJP的原材料是由非金属材料、分散剂、黏结剂、表面活性材料和其他辅助材料混合而成的“陶瓷墨水”。其成型方法为:由计算机通过CAD等软件建立三维模型,再由喷头将陶瓷材料按模型进行逐层的图案绘制完成打印。

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分层实体制造技术(LOM)

分层实体制造技术(LOM)采用的打印材料是陶瓷薄片材料,其工作原理为将陶瓷薄片通过材料辊筒和压辊放置在升降工作平台上,激光切割器按设计切割陶瓷薄片形成加工件的一层截面,升降工作台下降一定高度,材料辊筒和压辊将未打印的陶瓷薄片放置在成型工件上,利用黏结剂或热压将薄膜与已成型工件黏结,采用激光切割器按设计切割未加工薄片,逐层切割累加成型。

LOM利用陶瓷薄片的切割累加成型,是直接由面到体的成型方式,省略了其他技术由点到线、由线及面的加工过程,这是LOM与其他3D打印技术相比的优势。

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三维打印成型技术(3DP)

3DP是在粉末床上选择性的喷射粘结剂,通过层层制造得到最终的陶瓷坯体。该技术在制备多孔陶瓷零件时有较大优势,但是其成形精度较差,表面较粗糙,这与粉体成分、颗粒大小、流动性和可润湿性等有较大联系。

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浆料直写成型技术(DIW)

浆料直写成型技术工艺过程为出料装置按计算机软件生成的路线移动且同时出料在平台上,完成一层打印后,Z轴上升一定高度,继续下一层的打印过程,逐层累加直到打印完成。DIW技术的优点是对加工环境要求低,在常温下即可进行,无需加热,无需激光、紫外线的辐射。

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在航空航天领域有什么效用?

上文也介绍了过,基于陶瓷基复合材料的特点,所以在航空航天领域陶瓷3D打印的主要兴趣之一是使用该技术来制造陶瓷基复合材料。

相比于其他合金材料,它的优势是高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等性能,而且密度要低得多,所以重点在于开发陶瓷基复合材料的燃烧室衬里、预混合燃料喷嘴护罩、涡轮导向叶片、喷嘴等发动机部件。

在制造业中,航空发动机一直被称为“制造业中的皇冠”。

而给航空发动机推力的高压涡轮叶片,则被称为“皇冠上的明珠”。

但其实,这个“明珠”当的是非常艰辛。这些个大约10cm上的高压合金叶片需要在接近1700度的高温环境中以最快2w/min的速度高速运转,并且需要承受约1.5吨的力,才能供给发动机需要的推力。

在此等环境下,高温合金的性能已接近极限。所以探索具备复杂空心结构的叶片冷却技术是关键之处。

这个冷却结构异常复杂,需要以先进陶瓷作为模具,即陶瓷型芯。

对于如此异常复杂的冷却结构,如何制造便成了最大的难题。传统制造手段加工难度大费时费力,成本高,基本已经不被采用。

对于这种具有复杂结构陶瓷的快速成型,只有陶瓷3D打印技术才能做得到。

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(使用Lithoz光固化设备打印的不同尺寸的陶瓷型芯)

目前,几种陶瓷3D打印工艺如SLA、DLP、DIW、SLS都在探索军用飞机的应用,如上文说的陶瓷型芯就是利用光固化技术打印的。

在航天方面,陶瓷打印也逐渐被应用起来了。

此前也介绍了,Redwire公司宣布他们首次在太空中利用陶瓷3D打印模块(CMM)中的SLA技术加工了一组陶瓷组件,并被NAS安装与国际空间站上。

近期,3D打印OEM和服务局3DCeram协助法国航天局设计出了用于小型卫星的3D打印陶瓷天线,通过包括可行性分析,设计制造并开发出GNSS L1 / E1波段天线。

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随着科学技术的飞速发展,陶瓷材料打印技术在各方面的综合性能明显优于目前使用的金属材料和高分子材料打印,相信今后它在高端装备制造业中也会受到更多的认可。

END

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责编:刘晓欣 伊荣

校审:郭   丹

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