陶瓷百科
时代变革 带你走进全球陶瓷3D打印技术
来源: | 作者:trading-1048076 | 发布时间: 2018-08-10 | 1132 次浏览 | 分享到:

陶瓷是一种传统的无机材料,精美实用,已经有了上千年的历史。硬而脆的特点使陶瓷材料加工成形尤其困难,传统陶瓷制备工艺只能制造简单三维形状的产品,而且成本高、周期长。陶瓷3D打印技术的发展使复杂陶瓷产品制备成为可能,3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给陶瓷注入了新的活力。国外已有很多研究,出现了3DCeram、Lithoz等专注陶瓷3D打印的公司。目前国内陶瓷3D打印技术还不够成熟,清华大学、西安交通大学等科研单位正在钻研,也涌现出了十维科技等敢于探索的企业。

材料及应用
陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,是三大固体材料之一。目前陶瓷3D打印制备的主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、磷酸钙陶瓷等。


陶瓷3D打印工艺流程

1. 配料

根据成形技术和最终的性能要求,选择合适的原材料,一般包括陶瓷粉末、粘结剂、添加剂,按一定比例混合均匀。

用于3D打印的陶瓷材料形态包括:

浆料,陶瓷成分与其他溶剂及添加剂的混合物,通过物理、化学的方式成形;

陶瓷丝材,用于熔融堆积工艺;

陶瓷粉末,陶瓷粉末、矿化物、粘结剂等的混合物,用于激光烧结、粘接等;

陶瓷薄片,片压成形、粘接。

2. 3D打印成形

使用3D打印技术实现陶瓷零件成形,得到特定形状结构的陶瓷坯体。具体方法见后文对各种陶瓷3D打印成形技术的介绍。

3. 坯体后处理

对陶瓷坯体进行清洗、表面增强、修复、干燥等后处理,使坯体的强度、精度等性能达到要求,有利于之后的热处理环节。

4. 脱脂和烧结

将完好的坯体放入炉子中,按照设定好的温度制度、焙烧气氛和压力进行热处理。这个过程分为两个阶段:加热到600多℃脱去坯体中的有机物,这是十分敏感容易出现缺陷的阶段;加热到1000多℃实现致密化、形成陶瓷,这是晶粒长大、晶界形成、实现陶瓷强度的过程,决定着制品的最终性能。烧结完成等冷却后便可得到最终的陶瓷产品了。

陶瓷3D打印成形技术

        目前陶瓷3D打印成形技术主要可以分为喷墨打印技术(ink-jet printing,IJP)、熔融沉淀技术(fused deposition modeling,FDM)、分层实体制造技术(laminated object manufacturing,LOM)、选择性激光烧结技术(selective laser sintering,SLS) 和立体光固化技术(stereolithography apparatus,SLA)。

 

        使用这些技术打印得到的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷零件。根据成形方法和使用原料的不同,每种打印技术都有自己的优缺点,发展程度也有差距。

喷墨打印技术(IJP)

        主要分为三维打印和喷墨沉积法。 

        三维打印是由MIT开发出来的,首先将粉末铺在工作台上,通过喷嘴把粘结剂喷到选定的区域,将粉末粘结在一起,形成一个层,而后,工作台下降,填粉后重复上述过程直至做出整个部件。所用的粘结剂有硅胶、高分子粘结剂等。三维打印法可以方便地控制陶瓷坯体的成分和显微结构,但是坯体需要后处理,而且精度低、强度低。