基于膠態(tài)法的陶瓷件快速成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

花擁斌 劉玉濤 寧 翔 朱祚祥 程章云 徐佳杰/景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

基于膠態(tài)法的陶瓷件快速成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

花擁斌 劉玉濤 寧 翔 朱祚祥 程章云 徐佳杰/景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

本文著重介紹了各種膠態(tài)法陶瓷快速成形技術(shù)的成形機(jī)理、工藝流程、發(fā)展現(xiàn)狀，采用對(duì)比分析各種膠態(tài)法快速成形技術(shù)制備陶瓷件的優(yōu)缺點(diǎn)，供膠態(tài)法快速成形技術(shù)制備陶瓷件提供可靠的依據(jù)，并對(duì)膠態(tài)法陶瓷件快速成形技術(shù)的未來發(fā)展做了簡(jiǎn)單預(yù)判。

膠態(tài)法快速成形；陶瓷件；發(fā)展現(xiàn)狀；展望

前言

高性能陶瓷件具有強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫好、抗氧化等眾多特點(diǎn)，在航空航天、大型船舶、汽車制造業(yè)等具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。由于陶瓷件在成形過程中容易產(chǎn)生瑕疵，且陶瓷件的韌性差、難加工等特點(diǎn)，很難制備高精度復(fù)雜件陶瓷零件。膠態(tài)法快速成形制備技術(shù)可很好地解決高精度復(fù)雜件陶瓷的制備問題[2]。

1.膠態(tài)法陶瓷件成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

膠態(tài)法陶瓷成形技術(shù)通過制備粘度高、固相體積分?jǐn)?shù)高的稠狀體，從而制備密度高、強(qiáng)度大、均勻性好的陶瓷坯體，待燒結(jié)成瓷制品。但是，傳統(tǒng)的膠態(tài)法陶瓷成形技術(shù)需要依賴模具的限制，特別是一些復(fù)雜的陶瓷件，其模具制備周期長(zhǎng)、成本高、成品率低等缺陷，嚴(yán)重制約了高性能復(fù)雜陶瓷件的應(yīng)用推廣?？焖俪尚渭夹g(shù)的誕生為高性能復(fù)雜陶瓷件的制備帶來新的發(fā)展方向，該技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需模具限制，且生產(chǎn)周期短、成本低，是未來高性能復(fù)雜陶瓷件制備技術(shù)的發(fā)展方向。

2.快速成形技術(shù)成形機(jī)理

快速成形技術(shù)是借助于CAD/CAM技術(shù)建立三維實(shí)體模型，通過逐點(diǎn)、逐面方式堆積成實(shí)體物件的過程，亦也稱快速原型制造技術(shù)。快速成形技術(shù)成形機(jī)理是依據(jù)制品三維實(shí)體模型，經(jīng)軟件數(shù)據(jù)處理后，將三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為層層薄片堆積；通過快速成形系統(tǒng)堆積成一系列薄片狀實(shí)體，并最終實(shí)現(xiàn)層層薄片實(shí)體堆積成三維實(shí)體物件的過程[3-4]。

隨著快速成形技術(shù)的快速發(fā)展，可選擇的成形原料有金屬粉體、樹脂、塑料、石膏粉體、陶瓷粉體和陶瓷料漿等。特別是在高性能復(fù)雜陶瓷的制備方面，攻克了陶瓷件高硬度、難加工的特點(diǎn)，采用陶瓷料漿的膠態(tài)法成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)陶瓷坯體的快速成形，經(jīng)燒結(jié)可實(shí)現(xiàn)陶瓷制品[5-6]。

3.膠態(tài)法陶瓷快速成形技術(shù)

3.1陶瓷直寫成形技術(shù)

通過計(jì)算機(jī)控制沉積一定固含量的陶瓷漿料制備一層特定形狀的陶瓷漿料層，經(jīng)過較短時(shí)間的干燥完成液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，獲得所需要形狀的第一層結(jié)構(gòu)，然后逐層疊加得到三維制件。經(jīng)過多年的發(fā)展，直寫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了相對(duì)成熟的陶瓷粉體分散劑、粘結(jié)劑，并用于制備三維尺寸陶瓷零件。直寫技術(shù)是目前發(fā)展的可以利用低有機(jī)物含量的陶瓷漿料進(jìn)行三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)生坯成形的膠態(tài)無(wú)模成形技術(shù)之一，特別在醫(yī)用生物工程材料中是目前研究的熱點(diǎn)。該技術(shù)制作的網(wǎng)格型框架骨結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部可以植入生物因子和人體相容性較好。

3.2陶瓷噴墨打印成形技術(shù)

陶瓷噴墨打印成形有兩種形式：其一是將待成形的陶瓷粉末鋪到工作臺(tái)上，通過噴嘴將粘結(jié)劑噴到選定區(qū)域，噴有粘結(jié)劑的粉末會(huì)粘結(jié)在一起形成一層，然后鋪設(shè)新一層粉末，刮平后再噴粘結(jié)劑，逐層累積得到三維零件；另外還有一種方法是將陶瓷粉體與各種有機(jī)物配制成陶瓷墨水，通過打印機(jī)將陶瓷墨水打印到成形平面上成形。噴墨打印技術(shù)通過很細(xì)的噴嘴來噴射粘結(jié)劑或陶瓷墨水，可以使用多個(gè)噴嘴噴射不同成分和顏色的材料，因此對(duì)于零部件局部結(jié)構(gòu)的控制有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.3陶瓷熔融沉積成形技術(shù)

陶瓷熔融沉積成形技術(shù)是由FDM(Fused Deposition Molding)技術(shù)發(fā)展而來的。在FDM中，以熱塑性絲狀材料為原料，細(xì)絲通過可在X-Y方向上移動(dòng)的液化器熔化后由噴嘴噴出，根據(jù)所設(shè)計(jì)部件的每一層形狀，逐條線、逐層的堆積出部件。FDC通常將陶瓷粉體與特制的粘結(jié)劑混合，用擠出機(jī)或毛細(xì)管流變儀做成細(xì)絲，然后用FDM設(shè)備做成陶瓷件生坯，通過去除粘結(jié)劑和陶瓷生坯的燒結(jié)，得到較高致密度的陶瓷件。該技術(shù)對(duì)細(xì)絲要求較為嚴(yán)格，需要合適的粘度、柔韌性、彈性模量、強(qiáng)度和結(jié)合性能。由于陶瓷材料制作細(xì)絲難度比金屬大很多，因此發(fā)展?jié){料材料是替代FDC的發(fā)展方向，該技術(shù)與直寫技術(shù)不同是在噴嘴處需要加熱。通常采用混有有機(jī)粘結(jié)劑的陶瓷顆粒，經(jīng)過加熱粘結(jié)劑融化粘連陶瓷顆粒，并帶動(dòng)陶瓷顆粒流動(dòng)成形。

3.4 陶瓷立體光刻成形技術(shù)

立體光刻成形技術(shù)最初主要應(yīng)用于高分子的成形，通過紫外光逐層固化液體樹脂來制造三維零件，而將其用于陶瓷部件成形的研究則是在20世紀(jì)90年代后期展開的。目前，主要有以下兩種方式：直接法在制備陶瓷部件時(shí)首先將陶瓷粉與可光固化的樹脂混合制成陶瓷料漿鋪展在工作平臺(tái)上，通過計(jì)算機(jī)控制紫外線選擇性照射溶液表面。間接法在使用該法先制作出樹脂模型，然后將陶瓷漿料注入到模型型腔中，待漿料凝固后得到陶瓷件坯體。該方法適合于與樹脂難熔指數(shù)差值較大的陶瓷材料。

3.5陶瓷形狀沉積成形技術(shù)

陶瓷形狀沉積成形技術(shù)是20世紀(jì)90年代由Carnegie Mellon大學(xué)等和Stanford大學(xué)聯(lián)合提出的。SDM采用逐層疊材的方法，在層內(nèi)應(yīng)用了去除成形和澆注成形結(jié)合的方法。Stanford大學(xué)Sangyun Kang等采用SDM方法制作了Si3N4陶瓷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)成形后的制品進(jìn)行了機(jī)械性能分析，并與SDM技術(shù)成形零件進(jìn)行了比較。Jurgen Stampfl等利用形狀沉積制模法來快速制造犧牲模，然后配制低粘度高固相含量的陶瓷漿料并將其注入犧牲模，利用其膠凝特性快速原位固化成形。

3.6陶瓷層合實(shí)體成形技術(shù)

該技術(shù)加工具體過程：先將陶瓷粉體含量70％～90％的石蠟加熱到70～110℃熔化，使其流入一定形狀的模具中，再用蠟輥將石蠟壓成厚度為0.1～2.0㎜的薄片。在計(jì)算機(jī)控制下用精度較高的熱敏刀具將蠟層需要挖空的部分刻蝕，雕刻下來的石蠟用鼓風(fēng)機(jī)吹走。將已熔好的含有陶瓷粉的蠟料傾倒在先前制備好的蠟板上，待蠟料填平蠟板的凹處后，用熱的刮刀將蠟板薄層上多余的蠟料刮掉。重復(fù)以上步驟，逐層累積得到原型，最后將坯體排蠟燒結(jié)。

4.結(jié)束語(yǔ)

在陶瓷領(lǐng)域中使用RP技術(shù)可以制備出復(fù)雜的陶瓷零件，其中基于陶瓷漿料液固轉(zhuǎn)變的膠態(tài)成形技術(shù)是各種RP技術(shù)中具有明顯優(yōu)勢(shì)一種方法，該技術(shù)成形零件致密度較高，后期可加工能力強(qiáng)，對(duì)于復(fù)雜高精度零件的制備有重要意義，但由于引進(jìn)有機(jī)單體作引發(fā)劑或粘結(jié)劑，后期燒結(jié)或脫膠后會(huì)出現(xiàn)氣孔等缺陷。另外還面臨成形精度不理想、成形設(shè)備昂貴、成形材料有限等問題。這些都無(wú)疑制約了快速成形技術(shù)在陶瓷膠態(tài)成形中的應(yīng)用。

[1]周竹發(fā),王淑梅,吳銘敏,等.陶瓷現(xiàn)代成型技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷,2007, 43(12):3-8.

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[3]楊萬(wàn)莉,王秀峰,江紅濤,等.基于快速成型技術(shù)的陶瓷零件無(wú)模制造[J].材料導(dǎo)報(bào),2006,20(12):92-95.

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[6]左開慧,姚冬旭,夏詠鋒,等.應(yīng)用于陶瓷材料的快速成型技術(shù)的發(fā)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2015,34(12):921-927.