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立博博彩公司(www.99cx.vip):陶瓷3d打印原理,不同类型的陶瓷3d打印技术优缺点

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陶瓷是一种传统的无机材料,精美实用,已有上千年的历史。硬而脆的特点使陶瓷材料加工成形尤其困难,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。下面为大家汇总了陶瓷3d打印原理,以及不同类型的陶瓷3d打印技术优缺点等知识。相信大家看完后,会对陶瓷3d打印有个大致的了解。



基于挤出成型原理的陶瓷3D打印技术


挤出成型原理指的是通过添加溶剂或物理加热方式使得陶瓷原料能够具有一定流动性,经过挤压作用使其从一定口径(通常为几百微米至几毫米直径)的挤出喷口挤出一定形状的材料,像挤牙膏一样层层叠加成型制造陶瓷零件。基于该原理的陶瓷3D打印技术:即采用喷口加热的熔融沉积制造(Fused Deposition Modelling-FDM)和添加溶剂的浆料直写(Direct Ink Writing-DIW)技术。

基于粉末粘接成型原理的陶瓷3D打印技术


粉末粘接成型一般采用液态溶剂或粘接剂作用于陶瓷颗粒使粉末粘接成型。成型过程中不涉及如紫外光或激光等能量源的作用。基于该原理的两种主要陶瓷3D打印技术:包括液态溶剂或粘接剂已在打印前事先与陶瓷粉末混合成悬浮液墨水的喷墨打印技术(InkJet Printing-IJP)以及让液态溶剂或粘接剂在打印过程中通过喷头喷射到陶瓷粉末上接触混合的三维印刷技术(Three Dimensional Printing-3DP)。这里需要注意“3DP”和“3D打印”之间的区别。由于历史原因,“3DP”这个缩写成为3D打印技术的一个类别保留了下来,而“3D打印”现在是一个通用术语,是增材制造的一个变称。


基于光敏聚合成型原理的陶瓷3D打印技术


基于光敏聚合成型的陶瓷3D打印技术通常使用含有陶瓷颗粒和光敏树脂混合的浆料体系或者有机物陶瓷前驱体(Preceramic Polymers-PCPs)可光敏聚合液态体系。光敏聚合亦即光固化,指的是一定体积的聚合物单体等液态材料经过某一波长的光照射引起交联聚合反应完成固化[51]。对于陶瓷颗粒与光敏树脂混合的浆料体系的3D打印过程来说,其实是树脂聚合交联成网状结构均匀包裹分散在体系中的陶瓷颗粒,从而宏观上形成混合材料的固化。之后将打印件经过高温脱脂和烧结等过程将树脂有机物排出,致密化,陶瓷颗粒进一步扩散增大,形成最终样件,这个热处理阶段与传统的陶瓷制造方法相似。而有机物陶瓷前驱体可光敏聚合液态体系则类似于普通光敏树脂的3D打印过程,之后通过高温热解瓷化成为所需要的前驱体转化陶瓷(PolymerDerived Ceramics-PDCs)材料样件。该过程更多的是通过化学变化实现的。常用的陶瓷前驱体主要包括主链中含有硅原子的聚硅氧烷(Polysiloxane)、聚硅氮烷(Polycarbosilane)和聚碳硅烷(Polysilazane)等,成型后经高温热解转化为SiOC、SiCN和SiC等陶瓷。


基于粉末烧结原理的陶瓷3D打印技术


与粉末粘接原理不同,基于粉末烧结原理的陶瓷3D打印技术不直接使用液态粘接剂,而主要利用大功率激光束提供热能,对含有松散陶瓷颗粒(或者还包含固体粘接剂颗粒)的粉床表面进行选择性的烧结或者熔化,以达到结合固化成型的目的。基于粉末烧结原理的陶瓷3D打印技术:选择性激光烧结(Selective Laser Sintering-SLS)和选择性激光熔融(Selective Laser Melting-SLM)。

不同原理的陶瓷3D打印技术对比


严格来说,3D打印仅仅是陶瓷零件制备过程中所涉及的众多步骤里面的一个成形过程。而最终零件的性能还有赖于材料制备和干燥烧结等工艺所决定的成分和微结构特性。这就需要将3D打印工艺与原料制备和所需的后处理工艺(如渗透和等静压)等结合起来,为进一步提升零件性能提供更多可能性,虽然这些操作会增加一定的生产时间和成本。


尽管在聚合物和金属的粉末熔合工艺(即SLS和SLM)方面的研究已经取得长足进展,但它们在陶瓷零件制造中的应用仍不太成熟。对激光与陶瓷颗粒之间的动态作用和熔化过程进一步深入的理论和实验研究将有助于实现对陶瓷零件结构的控制和制造。这方面的工作目前还比较缺乏。同时,在激光快速加热和冷却速度下,陶瓷零件内部温度梯度引起的残余应力仍然是导致裂纹和变形等缺陷的主要因素。尽管粉床预热有助于缓解这些问题,但陶瓷的高熔点对制造工艺提出了更大的要求。陶瓷打印件的表面粗糙度、多余气孔和大收缩也限制了其应用范围。


相对来说,基于光敏聚合成型原理的陶瓷3D打印技术(即SL、DLP和TPP)在打印精度、零件表面质量和机械性能等方面均表现出较大优势,因此通常被认为是各种陶瓷3D打印工艺中具有广阔前景的一类工艺,特别是与粉末烧结等方法相比在打印精密陶瓷件方面拥有更大的应用潜力。而且目前市面上出现的商业化陶瓷3D打印设备中,DLP打印机的成本通常相对较低,特别是显著低于SLM等需要高能量激光器的设备。因此也进一步促进了DLP陶瓷3D打印技术的广泛应用与普及。


航空航天和生物医疗行业是陶瓷3D打印最具前景的两个市场。然而,由于其严格和高标准的适航和认证等政策要求,导致准入周期较长。此外,在这些情况下与传统制造方法相比,3D打印不再具有平均成本效益优势,因为这些领域通常采取小批量定制化地制造高端零件,其生产成本显然较高。使用IJP和3DP可以制造致密或多孔陶瓷零件,也可以与DIW和FDM工艺一样涌来打印人为镂空点阵陶瓷结构。尽管3DP打印件表面光洁度有限,但该技术的一个显著优势在于能够灵活地使用各种粉末原料。精度低、致密度低和表面质量低等缺点在生物陶瓷支架应用方面也许不再成为问题,而有可能转变为对这些零部件应用方面有利的结构特性。因此,利用上述方法制造多孔生物陶瓷零件的研究取得迅速发展。


总之,陶瓷3D打印技术门类较多,各种工艺手段发展成熟度参差不齐。尽管在陶瓷原材料的选择、工艺参数的优化和后处理等研究方面取得了一定的进展,但3D打印在陶瓷制造中的广泛应用以及批量化生产仍然具有很大挑战性。


陶瓷3d打印技术的优缺点


常见的陶瓷3D打印技术成型工艺有以下几种:


①陶瓷熔融沉积成型技术(Fused deposition of ceramics,FDC)


与传统的熔融沉积成型相比,陶瓷熔融沉积成型技术的特点是将陶瓷粉体掺入有机结合剂中,并加入无定型基料粘合剂,将复合材料放入挤出机中后在稍高于其熔点的温度下熔化,通过计算机控制制备陶瓷生坯,然后经过脱脂处理后,在适宜的高温条件下烧制成部件。


适用范围:适用此项工艺的陶瓷材料必须具备一定的机械性能和热性能;设计的3D模型一般为高孔隙率、管状支撑的多孔形态。

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缺点:由于该项技术需要事先加热后再冷却成型,这就要求3D模型不宜设计的过于小巧、内部也不宜过于致密,原因在于当前打印层已经打印上去时,此打印层还处于高温状态,还未完全冷却,此状态下再次进行打印会出现二次融化的现象,这很容易导致3D打印的制备发生变形从而制作失败。

②光固化快速成型技术(stereo lithography apparatus,SLA)


又称为立体印刷成型技术,是最早发展起来的快速成型技术,也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。主要机制是采用一种在紫外光照射下能够迅速固化的光敏液态树脂为原料,通过紫外光选择性地辐照某一层液体,最终成型出部分区域固化的零部件。陶瓷颗粒在实现光固化聚集后,还需经过


优点:该方法成型速度快、自动化程度高、可成型任意复杂形状,尺寸精度高、表面质量优良,运用此项技术能够制备纳米级尺寸的陶瓷零部件,以及复杂、高精度的精细工件快速成型。


缺点:零件容易弯曲变形,需要支撑。再者因制品成型中需要采用光敏树脂和紫外光源,但光敏树脂中可能含有有毒的有机物,容易在后续加工处理时造成环境污染,因此需避光保护。液态树脂固化后的零件较脆、容易断裂。


③激光选区烧结成型技术(selective laser sintering,SLS)


又称为选择性激光烧结工艺,基础原理与三维印刷技术类似,就是将黏结剂换成激光束,利用激光束沿着计算机设计的路径逐点扫描粉体的表面,受到扫描的部位就会局部受热,致使颗粒自身熔化或在双方在黏合剂的作用下产生良好的粘结。在上一层激光扫描粉体粘结完成后再在新一层的粉料进行添加,激光扫描后再次形成新一层的三维结构。如此按照上述过程周期反复性的逐层激光扫描、高温熔化以及局部粘结运作后,最终就可以得到区域结构不同的立体部件。


优点:能够在无需支撑的条件下,直接制备塑料、金属或陶瓷,材料选择广泛,并且成型精度较高,可制造复杂构件、不需要增加基座支撑、材料利用率高。


缺点:因成型过程中需要激光的引入,粉末需要预热和冷却,因此成型周期较长,且后续处理工艺也较为复杂。同时由于采用的原料粉体需要能在激光作用下粘结并且高温完全烧成,所以这项技术能够制备的产品种类有限。-


④三维打印成型技术(three-dimensional printing,3DP)


该项技术最初是由麻省理工学院的工作人员根据“层层打印、逐层叠加”的原理提出来的,是近几年为研制高性能陶瓷所开发的新型技术。这项技术应用于陶瓷材料成型的工艺过程为:先将设计出的产品三维结构分割成多个分立的结构单元,然后在计算机指令的控制下,将黏结剂选择性地喷射到陶瓷粉末表面上,粉体粘结后就可获得最终成型的立体构件。


应用:目前3DP技术在生物陶瓷和功能陶瓷中取得了应用,例如利用该技术成功制备出高精度的Al2O3-ZrO2功能阶梯陶瓷材料和高强度的人体石膏骨骼。


⑤喷墨打印成型技术(ink jet printing,IJP)


该技术是在喷墨打印机的原理基础上,结合3D打印的理念发展而来。工艺流程为:首先将陶瓷粉料与各种添加剂和有机物进行混合制成陶瓷浆料,也称“陶瓷墨水”,然后用喷墨打印机将这种浆料按照计算机指令逐步喷射到载体上,从而形成具有原先设计外形与尺寸的陶瓷生坯。该项技术关键有两点:一是陶瓷墨水质量,不仅要求粉末含量高,同时对分散度、抗沉淀性、黏度、干燥速率要求都很严格;二是打印机的控制,元件的三维模型被转为打印控制码,然后用程序驱动打印机动作。


优点:成型机理相对简单,打印头成本较低,若将陶瓷墨水的问题解决就可以实现该技术的产业化。


缺点:喷墨打印成型也存在一定的局限性,例如由于墨水液滴的大小限制了打印点的最大高度,所以这项技术很难制备在Z轴方向具有不同高度的三维构件,同时也无法制备具有内部多孔结构的陶瓷产品。


以上就是关于陶瓷3d打印原理与优缺点的介绍,下一期为大家介绍陶瓷3d打印材料有哪些,其工艺流程是怎样的。敬请期待!


来源:南极熊3D打印、中国陶瓷杂志等


作者:深圳大学增材制造研究所陈张伟教授团队


来源:网络整编

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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