3D打印陶瓷材料的成型及研究進(jìn)展
時(shí)間：2019-07-23 11:03 來(lái)源：納川資本 作者：中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀：次
3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，又稱(chēng)為增材制造，它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)結(jié)合了材料技術(shù)、數(shù)字建模、信息處理等多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，打破了傳統(tǒng)加工的思維模式，被視為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)在珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車(chē)、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)及其他領(lǐng)域都有應(yīng)用。
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫和耐腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用于生物、機(jī)械工程等領(lǐng)域，但由于其硬而脆的特性造成陶瓷的成型加工困難、加工工藝成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)將會(huì)大幅減少陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的利用具有推動(dòng)作用。
1.3D打印陶瓷技術(shù)
目前陶瓷3D打印技術(shù)主要有激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）、三維打印技術(shù)（3DP）和噴墨打印技術(shù)（IJP）等。
1.1激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）主要通過(guò)壓輥、激光器、工作臺(tái)3個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)。其具體原理是通過(guò)壓輥將粉末鋪在工作臺(tái)上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺(tái)下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復(fù)操作同一步驟，最后打印成品。[2]
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。由于成型過(guò)程中需要激光的引入，粉末需要預(yù)熱和冷卻，成型周期較長(zhǎng)，后續(xù)處理工藝復(fù)雜。同時(shí)由于所采用的原料粉需要能在激光作用下粘結(jié)并且高溫完全燒成，因而能夠制備的產(chǎn)品種類(lèi)有限。
1.2熔融沉積成型技術(shù)（FDM）
熔融沉積成型技術(shù)的原料是熱熔性陶瓷材料，多數(shù)被制作成便于存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)慕z狀。熔融沉積打印設(shè)備主要是由配合送料輥、導(dǎo)套和噴頭三個(gè)部分組成的。開(kāi)始時(shí)，熱熔絲狀材料通過(guò)送料輥，在從動(dòng)輥與主動(dòng)輥的共同運(yùn)作下進(jìn)入導(dǎo)向套，導(dǎo)套的摩擦系數(shù)較低，使絲狀物料準(zhǔn)確、連續(xù)地進(jìn)入噴嘴。物料在噴頭內(nèi)受熱熔化，根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字模型進(jìn)行打印。[3]
熔融沉積成型技術(shù)不需要激光技術(shù)的幫助，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是打印過(guò)程需要支撐結(jié)構(gòu)，在堆積打印的過(guò)程中，隨高度增加，上部分質(zhì)量增加，下部材料強(qiáng)度不足以支撐和固定上部材料。尤其是在打印形狀復(fù)雜的制品時(shí)，上層打印物往往比下層打印物面積更大，為了使陶瓷制品在打印中不崩塌，需要外設(shè)支持結(jié)構(gòu)。
熔融沉積成型技術(shù)原理簡(jiǎn)單，過(guò)程相對(duì)易于控制，但打印過(guò)程需要較高溫度將打印材料熔化，這就要求材料在熱熔化后不易分解且保持適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。為了滿足制品結(jié)構(gòu)性能要求，打印材料要具有一定的抗壓強(qiáng)度和一定的剛度。為保證材料的尺寸精度，材料在凝固成型過(guò)程中的收縮率不能過(guò)大。因此陶瓷熔融沉積成型技術(shù)受到了很大的制約。
1.3分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）
分層實(shí)體制造是利用激光切割陶瓷薄膜片材，采用背面涂有熱熔膠的薄膜片材為原料，層與層間依靠加熱和加壓粘結(jié)，各層形狀累積疊加起來(lái)成為實(shí)體件。熱熔膠里含有樹(shù)脂，有機(jī)粘結(jié)劑等，通過(guò)熱熔膠機(jī)送到被粘合物表面，熱熔膠冷卻后即完成了粘合。[4]分層實(shí)體制造技術(shù)利用陶瓷薄片的切割累加成型，是直接由面到體的成型方式，省略了其他技術(shù)由點(diǎn)到線、由線及面的加工過(guò)程，這是分層實(shí)體制造技術(shù)與其他3D打印技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)。
1.4三維打印技術(shù)（3DP）
三維打印技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制精密?chē)婎^先將粘結(jié)劑溶液按照零件界面形狀噴射在鋪平的陶瓷粉末上，再將粉末粘結(jié)在一起形成零件輪廓，如此層層堆積，最后進(jìn)行后期處理得到所需零部件。
噴墨打印技術(shù)不需要激光技術(shù)進(jìn)行工作，節(jié)省了制作成本，然而，目前陶瓷墨水的配置以及噴墨打印頭的堵塞等問(wèn)題制約著該技術(shù)的發(fā)展。因此，在以后的研究中要注意以下問(wèn)題：
合理選用陶瓷油墨中無(wú)機(jī)非金屬粒徑的大小和粘結(jié)劑的粘度；
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫和耐腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用于生物、機(jī)械工程等領(lǐng)域，但由于其硬而脆的特性造成陶瓷的成型加工困難、加工工藝成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)將會(huì)大幅減少陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的利用具有推動(dòng)作用。
1.3D打印陶瓷技術(shù)
目前陶瓷3D打印技術(shù)主要有激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）、三維打印技術(shù)（3DP）和噴墨打印技術(shù)（IJP）等。
1.1激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）主要通過(guò)壓輥、激光器、工作臺(tái)3個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)。其具體原理是通過(guò)壓輥將粉末鋪在工作臺(tái)上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺(tái)下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復(fù)操作同一步驟，最后打印成品。[2]
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。由于成型過(guò)程中需要激光的引入，粉末需要預(yù)熱和冷卻，成型周期較長(zhǎng)，后續(xù)處理工藝復(fù)雜。同時(shí)由于所采用的原料粉需要能在激光作用下粘結(jié)并且高溫完全燒成，因而能夠制備的產(chǎn)品種類(lèi)有限。
1.2熔融沉積成型技術(shù)（FDM）
熔融沉積成型技術(shù)的原料是熱熔性陶瓷材料，多數(shù)被制作成便于存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)慕z狀。熔融沉積打印設(shè)備主要是由配合送料輥、導(dǎo)套和噴頭三個(gè)部分組成的。開(kāi)始時(shí)，熱熔絲狀材料通過(guò)送料輥，在從動(dòng)輥與主動(dòng)輥的共同運(yùn)作下進(jìn)入導(dǎo)向套，導(dǎo)套的摩擦系數(shù)較低，使絲狀物料準(zhǔn)確、連續(xù)地進(jìn)入噴嘴。物料在噴頭內(nèi)受熱熔化，根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字模型進(jìn)行打印。[3]
熔融沉積成型技術(shù)不需要激光技術(shù)的幫助，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是打印過(guò)程需要支撐結(jié)構(gòu)，在堆積打印的過(guò)程中，隨高度增加，上部分質(zhì)量增加，下部材料強(qiáng)度不足以支撐和固定上部材料。尤其是在打印形狀復(fù)雜的制品時(shí)，上層打印物往往比下層打印物面積更大，為了使陶瓷制品在打印中不崩塌，需要外設(shè)支持結(jié)構(gòu)。
熔融沉積成型技術(shù)原理簡(jiǎn)單，過(guò)程相對(duì)易于控制，但打印過(guò)程需要較高溫度將打印材料熔化，這就要求材料在熱熔化后不易分解且保持適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。為了滿足制品結(jié)構(gòu)性能要求，打印材料要具有一定的抗壓強(qiáng)度和一定的剛度。為保證材料的尺寸精度，材料在凝固成型過(guò)程中的收縮率不能過(guò)大。因此陶瓷熔融沉積成型技術(shù)受到了很大的制約。
1.3分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）
分層實(shí)體制造是利用激光切割陶瓷薄膜片材，采用背面涂有熱熔膠的薄膜片材為原料，層與層間依靠加熱和加壓粘結(jié)，各層形狀累積疊加起來(lái)成為實(shí)體件。熱熔膠里含有樹(shù)脂，有機(jī)粘結(jié)劑等，通過(guò)熱熔膠機(jī)送到被粘合物表面，熱熔膠冷卻后即完成了粘合。[4]分層實(shí)體制造技術(shù)利用陶瓷薄片的切割累加成型，是直接由面到體的成型方式，省略了其他技術(shù)由點(diǎn)到線、由線及面的加工過(guò)程，這是分層實(shí)體制造技術(shù)與其他3D打印技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)。
1.4三維打印技術(shù)（3DP）
三維打印技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制精密?chē)婎^先將粘結(jié)劑溶液按照零件界面形狀噴射在鋪平的陶瓷粉末上，再將粉末粘結(jié)在一起形成零件輪廓，如此層層堆積，最后進(jìn)行后期處理得到所需零部件。
三維打印技術(shù)成型原理簡(jiǎn)單，能適應(yīng)打印多種陶瓷材料，如氧化鋯陶瓷、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等。由于該工藝采用噴射黏結(jié)劑的方式粘結(jié)，因此黏結(jié)劑的選擇以及配比比例非常重要。符合要求的黏結(jié)劑必須有適當(dāng)?shù)酿ざ群捅砻鎻埩Γ瑸榱藵M足這個(gè)要求，有時(shí)需要在黏結(jié)劑中添加一定量助劑，如分散劑、活性劑。
1.5噴墨打印技術(shù)（IJP）
噴墨打印技術(shù)是從三維打印成型技術(shù)發(fā)展而來(lái)，該技術(shù)將陶瓷粉體與各種有機(jī)物和溶劑配制成陶瓷墨水，通過(guò)計(jì)算機(jī)指令將陶瓷墨水逐層噴打到平臺(tái)上，形成所需形狀和尺寸的陶瓷坯體。[5]陶瓷墨水的配制是噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵，要求陶瓷粉體在墨水中具有良好的均勻分散度，合適的表面張力、黏度及電導(dǎo)率，較快的干燥速率和較高的固相含量。噴墨打印技術(shù)不需要激光技術(shù)進(jìn)行工作，節(jié)省了制作成本，然而，目前陶瓷墨水的配置以及噴墨打印頭的堵塞等問(wèn)題制約著該技術(shù)的發(fā)展。因此，在以后的研究中要注意以下問(wèn)題：
合理選用陶瓷油墨中無(wú)機(jī)非金屬粒徑的大小和粘結(jié)劑的粘度；
根據(jù)油墨中各添加劑的含量，選取合適的噴頭毛細(xì)管直徑。
(責(zé)任編輯：admin)
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