3D打印陶瓷材料技术研究进展.pdf
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1、:./.打印陶瓷材料技术研究进展杨 璟端木晨雪周子钰(甘肃省机械科学研究院有限责任公司甘肃 兰州)摘 要:陶瓷材料因其突出的耐磨性能、力学性能、介电性能及化学稳定性而备受关注但因受制于其固有的低延展性和硬脆特性而加工困难 打印技术可通过打印设备的逐点、逐线或逐面成型方式将三维模型打印为复杂结构的零部件进而提高整个设计、制造、性能评价、应用及优化周期的效率 该文基于 打印技术在陶瓷材料制备方面的进展分类概述了不同 打印技术的应用情况并对其在相应领域的发展和挑战进行适当评述可为陶瓷材料的 打印技术应用提供一定的参考价值关键词:打印陶瓷材料进展中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引
2、言陶瓷材料因突出的耐磨性能、力学性能、介电性能及化学稳定性而展现了极高的结构功能化应用潜力 传统的冷压成型、凝胶注模、流延成型等成型工艺可设计和制造性能优异且满足一定结构需求的陶瓷构件但依据服役需求设计和制造相应的模具不仅使得时间和资金成本上升且难以制造高度联通孔结构、薄壁结构等复杂结构的陶瓷部件 此外因陶瓷自身的硬脆和低延展特征基于机械加工的再装配过程也会导致陶瓷产品研发迭代周期延长并产生高昂的成本无法满足相应领域对所需陶瓷制品应用的成本及时效性的要求 因此开发可高效设计和成型复杂结构且能满足不同服役需求的结构功能化陶瓷部件的新型陶瓷成型工艺具有重要的科研及应用意义 打印技术()源于快速成型
3、设想在计算机三维设计软件(等)设计复杂模型后 打印软件对模型进行分割处理获得点、线或面成型路径 打印设备依据成型路径累积原料即可实现复杂结构零部件的制备 相比传统陶瓷成型工艺 打印技术的应用可有效克服机械加工或模具制造存在的瓶颈问题提高整个设计、制造、性能评价、应用及优化周期的效率 随着相应理论及技术的不断发展 打印技术已形成选区激光烧结/熔融(/)、三维打印()、光固化成型技术(/)、分层实体制造()、熔融沉积成型()、直接喷墨打印()等多种技术门类这些技术利用热熔、激光、喷墨等多种手段实现粉体、线材及悬浮液等原料的复杂结构成型具有个性化、高效化、高精度和节约化等优势目前基于陶瓷材料的 打印
4、技术应用已经拓展至航天、储能、催化等领域陶瓷材料体系囊括了氧化物、氮化物和碳化物等展现了独特的应用优势和潜力 笔者旨在系统讨论不同 打印技术的原理特点厘清 打印技术在陶瓷领域的研究现状并以此为基础对相应 打印技术的局限性及后续存综 述 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:杨 璟()男甘肃临洮人工程师研究方向:机械材料类工程咨询在的挑战和发展趋势进行适当的评述以期为 打印技术在陶瓷领域的应用及发展提供一定的参考 选区激光烧结/熔融选区激光烧结/熔融(/)是在粉床上依照分割路径以激光为热源熔融粘结剂或者直接烧结陶瓷粉形成零件轮廓的 打印技术 所用激光器包括 激光器、光纤激光
5、器等在发展初期 主要被用于塑料零部件的设计和制造后期逐渐应用于铸造模具的制造 首个 陶瓷部件由 等利用低熔点的 和 粘合氧化铝 粉 体 制 备 此 后 等和 等通过 分别制备了致密度为 的锆钛酸铅()陶瓷和致密度为 的氧化钇稳定氧化锆()陶瓷证明了在不引入低熔点粘结剂的情况下通过固态扩散可以成功制备陶瓷构件 但此制备过程由于缺乏液相导致烧结性差制得的产品表面粗糙且孔隙率高 为解决上述致密化困难的问题通常需在陶瓷粉中引入粘结剂后利用激光熔融获得陶瓷坯体进而经过脱脂、烧结获得高致密度陶瓷零部件目前应用于 的粘结剂包括热塑性塑料、脂肪酸、腊等有机物和低熔点的金属磷酸盐、硼酸盐等无机物坯体成型后有机粘
6、结剂通过高温排胶去除无机粘结剂可为后续烧结提供液相并最终形成第二相相较 所采用的激光器功率更大能在较短时间内熔融陶瓷原料并获得高致密度的陶瓷制品 但由于烧结温度较高导致陶瓷构件内部存在较大应力容易导致变形、甚至开裂 等提出了/过程中残余应力分布模型并通过实验证实打印件与基板连接部位残余应力很高打印完成后立即转移样品可以降低残余应力但更容易导致变形 为了克服温度梯度引起的负面影响等在 设备中加入保温炉将粉床预热到 后进行打印成功制备了致密度为 的陶瓷部件如图 所示图 计算 铝样品中的应力分布 粉体原料的特性(尺寸、形状和流动性)和激光粉体的相互作用是影响/样品质量的重要因素 小尺寸颗粒能够铺设高
7、密度的粉床进而有助于陶瓷部件致密度的提高但也因更易团聚而流动性较差 因此调控好粉体颗粒尺寸与粉床铺设厚度的关系是确保打印质量的关键之一 同时颗粒形状也会影响粉床铺设和打印成品的质量球形粉末被认为更有助于提高/粉床的流动性和打印部件的密度 喷雾干燥法、溶胶凝胶法、感应等离子球化等方法可以制备传统破碎工艺无法制备的球形陶瓷粉末但生产成本较高且产量较低 因此适合/的球形粉体制备工艺还需进行深入的研究 激光粉体的相互作用主要指粉体颗粒对激光的反射和吸收 激光束在被吸收前要经过粉体颗粒的多次反射粉体颗粒的材料性质、形状、尺寸都决定了激光束的吸收情况 等对比研究了氧化物陶瓷粉末在 激光器和:激光器两种光源
8、下的吸收率证实粉末对.激光的吸收率很高适合直接进行激光烧结 此外激光参数和扫描速度等也会对/样品质量产生影响 等研究证明激光能量越高、扫描速度越慢则单次扫描烧结的粉体体积越大 但相应的变形也会更加严重 三维打印三维打印()是利用打印喷头将粘结剂喷洒到粉床指定位置以粘结粉体、制备陶瓷坯体的一类 打印技术粘结体系包括沙基体系、聚甲基丙烯酸甲酯体系等 起初 被 等用来制造铸造金属构件所用的陶瓷模具而被应用于陶瓷领域粉体颗粒的尺寸和形状也是 成型样品质量的重要影响因素 在后续的专利中表明:及以上的颗粒更适合干燥状态下打印而尺寸在 以下的颗粒可以在干、湿两种状态下打印 更小尺寸的颗粒有助于烧结的进行所制
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