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先进陶瓷有哪些快速成型技术?
日期:2022-11-30    浏览次数:
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陶(tao)瓷成(cheng)(cheng)型就是(shi)将陶(tao)瓷原(yuan)料按照(zhao)实际生(sheng)产的(de)(de)要(yao)求制作成(cheng)(cheng)具有规(gui)定形状(zhuang)、尺寸及(ji)一定强(qiang)度的(de)(de)生(sheng)坯,成(cheng)(cheng)型过程取决于陶(tao)瓷原(yuan)料的(de)(de)性能和(he)(he)成(cheng)(cheng)型工(gong)(gong)艺方(fang)法(fa)(fa)。造就陶(tao)瓷制品形状(zhuang)的(de)(de)方(fang)法(fa)(fa)也(ye)是(shi)多(duo)种多(duo)样的(de)(de),但(dan)总的(de)(de)来说,可以分为(wei)(wei)干(gan)法(fa)(fa)成(cheng)(cheng)型和(he)(he)湿法(fa)(fa)成(cheng)(cheng)型。而近年来,以3D打印(yin)技(ji)术为(wei)(wei)基础工(gong)(gong)艺核心的(de)(de)快速成(cheng)(cheng)型技(ji)术在先进陶(tao)瓷领域得到迅速发展及(ji)应用(yong),在缩短(duan)产品开(kai)发周期,降低(di)开(kai)发成(cheng)(cheng)本的(de)(de)效果是(shi)极其(qi)明显的(de)(de),因此(ci)受(shou)到了大量研究人(ren)员的(de)(de)重点关(guan)注。

先进陶瓷有哪些快速成型技术?

目前,发展较(jiao)快、应(ying)用较(jiao)多的(de)快速成型技术(shu)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(chen) 积 制(zhi) 造(zao)(fused deposition modeling,FDM)、 分 层 实 体(ti) 制(zhi) 造(zao)(laminated object manufacturing,LOM)、立 体(ti) 光 固 化(stereolithography Apparatus,SLA)、数字(zi)光处(chu)理(li)(digital light processing,DLP)和直写成形(direct ink writing,DIW)等(deng)。

中,SLS、SLM和间接(jie)(jie)(粘接(jie)(jie))3DP等(deng)以陶瓷粉体作为打印原材料,FDM等以陶瓷丝(si)材(cai)作(zuo)为打印原材料,LOM等以(yi)陶(tao)瓷(ci)片材作为打印原(yuan)材料,而(er)SLA、DLP、DIW和直接(喷墨)3DP等则以陶瓷(ci)浆料/膏材作为(wei)打印原材料。以下分(fen)别(bie)以SLS、FDM、LOM、SLA为(wei)例,分(fen)别(bie)介绍几种类型(xing)的快速成型(xing)技(ji)术。

一、激光选(xuan)区烧结技术(shu)(SLS)

激(ji)光选区(qu)烧结技(ji)术(shu)(SLS)是(shi)(shi)将陶瓷材(cai)料(liao)(liao)和(he)激(ji)光技(ji)术(shu)结合在一起的(de)技(ji)术(shu),工(gong)作(zuo)原理是(shi)(shi)将粉(fen)末(mo)供(gong)料(liao)(liao)系统中的(de)粉(fen)末(mo)向上运输,通(tong)过(guo)压辊将其平铺在工(gong)作(zuo)台上,利用(yong)计算(suan)机计算(suan)和(he)控制线路扫描粉(fen)末(mo),激(ji)光扫描过(guo)后(hou)的(de)粉(fen)末(mo)其中熔点较低的(de)材(cai)料(liao)(liao)会融化烧结,形(xing)成一种层(ceng)状结(jie)构,扫描结束后,工作台会下(xia)降(jiang)至一(yi)定高度开始往返式作业,与前(qian)一(yi)层状(zhuang)陶瓷(ci)结构粘结在一(yi)起,直至打(da)印出成品。

目前(qian),陶瓷粉(fen)末一般以(yi)添加剂的(de)形式加入(ru)到(dao)SLS的(de)陶瓷材料中(zhong)。粘(zhan)结(jie)剂的(de)添加方(fang)式主(zhu)要有(you)直接混(hun)合、包覆(fu)表面,以(yi)及表面改性(xing)后混(hun)合三(san)种,其中(zhong)在陶瓷粉(fen)末表面包覆(fu)粘(zhan)结(jie)剂的(de)方(fang)法适用性(xing)更高。

SLS成型原理

SLS成型原理(li)

二(er)、熔(rong)融沉积成(cheng)型(xing)技术(FDM)

熔融沉积(ji)成型技(ji)术(FDM),其(qi)原材料为热熔性陶(tao)瓷材料(liao),一般被制成方(fang)便运输存储的丝状陶瓷。热(re)熔(rong)丝状陶瓷会通(tong)过(guo)供(gong)料(liao)辊机(ji)械运动进(jin)入导套(tao)中,并沿着导套(tao)管(guan)进(jin)入喷(pen)头(tou),物料(liao)在喷(pen)头(tou)内受热(re)熔(rong)化后(hou),按照计算(suan)机(ji)模型中预设轨迹随着喷(pen)头(tou)进(jin)行叠加(jia)和冷却,最(zui)终制成陶瓷产品。

该(gai)项技(ji)术(shu)(shu)具有操作简单(dan)、过(guo)程(cheng)容易控(kong)制、成本低、维护(hu)费用少等优(you)势,但(dan)也存在(zai)表(biao)面易破孔、凹(ao)凸不平、基(ji)底(di)变形(xing)和翘曲(qu)、需要(yao)支撑(cheng)结构等问题(ti)。由(you)于(yu)该(gai)技(ji)术(shu)(shu)可(ke)挤压生物降(jiang)解性的支架材料,包括(kuo)聚(ju)乳酸、聚(ju)酰胺、聚(ju)酯、聚(ju)碳酸酯、聚(ju)乙烯、聚(ju)丙烯等,使其在(zai)制备复合型(xing)生物陶瓷上的应用越来越多(duo)。

FDM成型技术原理图及打印陶瓷件

FDM成型(xing)技(ji)术(shu)原理图及打(da)印陶(tao)瓷件

三、分层实(shi)体(ti)制造(zao)技术(LOM)

分(fen)层实体制(zhi)造技术(LOM),又被称(cheng)为(wei)层叠制(zhi)备技术,工(gong)艺流程包括图形处理—制(zhi)作基(ji)底—制(zhi)作原(yuan)型—去除余料—后置处理,其工(gong)艺特点(dian)就(jiu)是(shi)能(neng)够将已经成(cheng)型的(de)陶瓷薄片,通过涂覆(fu)热(re)(re)熔胶等材料(liao)进行热(re)(re)压辊轮加热(re)(re)、压片和(he)(he)粘(zhan)结(jie)(jie)的(de)方法,将其(qi)与已经(jing)成(cheng)型(xing)的(de)工件粘(zhan)结(jie)(jie)在一起,再利用(yong)激光扫(sao)描器切割(ge)成(cheng)型(xing),反复操作(zuo)后,直到(dao)所有截面(mian)粘(zhan)结(jie)(jie)和(he)(he)切割(ge)完成(cheng)后,可得到(dao)实体(ti)零(ling)件,具(ju)有较高成(cheng)型(xing)速率,后续处理也十分便捷(jie),是目前较为成(cheng)熟和(he)(he)常见的(de)一种技术,已广泛(fan)应用(yong)于复杂零(ling)件制造工作(zuo)当 中(zhong)。

目前用(yong)(yong)于LOM技术的陶瓷片材主要采用(yong)(yong)流延法(fa)制作,材质主要有Al2O3、SiC、Si3N4和(he)BaTiO3等。

LOM成型技术原理图

LOM成型技术原理图

四、立(li)体(ti)光(guang)固化技(ji)术(SLA)

立体光固(gu)化(hua)(hua)技术实(shi)际上(shang)(SLA)是(shi)最古老(lao)的(de)(de)增材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造技术,以其(qi)精度高(gao)、表面质(zhi)量好、力学性能优异、打印(yin)系(xi)统结构(gou)简单(dan)等优点(dian)(dian)成(cheng)为目(mu)前增材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造行业最受欢迎(ying)和最普遍的(de)(de)技术之一。其(qi)工作原理是(shi)利(li)用紫外线(xian)在电脑的(de)(de)控制(zhi)(zhi)下逐点(dian)(dian)扫描零(ling)(ling)件的(de)(de)分层(ceng)截面,使储料罐(guan)中的(de)(de)陶瓷浆料/膏材(cai)(cai)感光固(gu)化(hua)(hua)形(xing)成(cheng)一个薄层(ceng)。每层(ceng)固(gu)化(hua)(hua)完(wan)成(cheng)后,工作台向下移(yi)动(dong),在已固(gu)化(hua)(hua)的(de)(de)薄层(ceng)上(shang)固(gu)化(hua)(hua)下一层(ceng),这样(yang)逐层(ceng)叠加最终便可(ke)成(cheng)形(xing)出整个零(ling)(ling)件。

光固化成型过程

光固化成型(xing)过程(来源:因泰莱激(ji)光)

陶(tao)瓷(ci)浆料/膏材一般(ban)是(shi)以光敏树脂作(zuo)为(wei)载体,通过加(jia)入陶(tao)瓷(ci)(ci)粉体(ti)(ti),在表面活(huo)性剂和添加(jia)剂的(de)(de)作用下,陶(tao)瓷(ci)(ci)粉体(ti)(ti)在光敏树脂中充分分散后成为陶(tao)瓷(ci)(ci)浆料(liao)(liao)/膏材(cai)(cai)。但正是由(you)于陶(tao)瓷(ci)(ci)粉体(ti)(ti)的(de)(de)加(jia)入,使得陶(tao)瓷(ci)(ci)浆料(liao)(liao)/膏材(cai)(cai)对入射光的(de)(de)感光效果(guo)(guo)差别较大,进一(yi)步影响(xiang)了材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)打印效果(guo)(guo)。目前常用于SLA成型的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)料(liao)(liao)包括ZrO2、Al2O3、SiO2、羟基磷灰石、锆钛酸和铅磷酸钙(gai)等(deng)。

除了陶(tao)瓷材料本身对入射光(guang)的感光(guang)效果(guo)不同,陶(tao)瓷粉体(ti)粒径分布、形(xing)貌、浆料沉(chen)降性能、黏度等因(yin)素,都对材料的打印效果产生影响,因(yin)此(ci)也成为业内研究的热点。

先进陶瓷有哪些快速成型技术?

光(guang)固化成型的各项影响因素

总结

快速成(cheng)型技(ji)术(shu)作为一(yi)种高新制(zhi)造技(ji)术(shu),从诞生至今(jin),不断(duan)(duan)开发创新出新的工艺、技(ji)术(shu)及(ji)材(cai)料,不断(duan)(duan)推动我国传统制(zhi)造模式的变革(ge),使其向(xiang)精(jing)密化、标(biao)准化、低(di)(di)成(cheng)本化发展(zhan),但还存(cun)在制(zhi)造精(jing)度差(cha)、强度低(di)(di)、成(cheng)本高等难题(ti),难以(yi)实现(xian)大(da)规模市场 化应(ying)用。后续科研人(ren)员还需要在(zai)快(kuai)速(su)成型用新(xin)(xin)材(cai)料、新(xin)(xin)工(gong)(gong)艺(yi)、新(xin)(xin)技(ji)术等方(fang)面开(kai)展(zhan)研究,比如提高(gao)坯体(ti)中陶(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)料体(ti)积(ji)含量,加强陶(tao)(tao)瓷(ci)形变(bian)和收(shou)缩(suo)控制(zhi)的同时,提高(gao)成型速(su)度,缩(suo)短陶(tao)(tao)瓷(ci)件(jian)制(zhi)备时间等,特(te)别是(shi)在(zai)面向结(jie)构功能(neng)一体(ti)化和梯度化制(zhi)造,以及多(duo)(duo)材(cai)料/多(duo)(duo)工(gong)(gong)艺(yi)复合高(gao)效制(zhi)造等方(fang)面,开(kai)展(zhan)细致研究,促(cu)进(jin)(jin)先进(jin)(jin)陶(tao)(tao)瓷(ci)快(kuai)速(su)成型技(ji)术在(zai)实际工(gong)(gong)业生产中的应(ying)用。


参考来源:

1.先(xian)进陶(tao)瓷材料快(kuai)速(su)成型技(ji)术研究进展,张晓(xiao)丽、李楠、宋涛、王守兴、于宏林(陶(tao)瓷)

2.新时期快速成型技术的(de)研究及其在自动化(hua)铸造的(de)运用(yong),王志(zhi)强(化(hua)工中间体)

3.应用于陶瓷材料的(de)快速成(cheng)型技术的(de)发展(zhan)(zhan),左(zuo)开慧、姚冬旭、夏咏锋、尹(yin)金伟(wei)、曾宇平(中国材料进展(zhan)(zhan))。


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