陶瓷快速成型技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

劉慶壯， 許路佳， 范立成

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

陶瓷材料由于具有耐高溫、抗腐蝕以及抗氧化等優(yōu)異特點(diǎn)，在航空、航天、電子和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的陶瓷成型方法主要分為注漿成型、可塑成型和壓制成型，但均利用模具成型，制作周期長，精度與結(jié)構(gòu)無法滿足現(xiàn)代高性能陶瓷的市場需求[2]。近年來， 由于陶瓷3D打印具有操作簡單、成型速度快、成型方法多種多樣的優(yōu)點(diǎn)，逐漸被熟知并研究。3D打印快速成型技術(shù)，又稱為“增材制造技術(shù)”，與傳統(tǒng)的“減材制造技術(shù)”有明顯差別，“增材制造技術(shù)”融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用材料逐層打印，制造復(fù)雜零部件[3]。

1 陶瓷3D打印技術(shù)分類與發(fā)展現(xiàn)狀

隨著陶瓷3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，目前已出現(xiàn)了不同的成型原理及特點(diǎn)，主要有噴墨打印技術(shù)(ink-jet printing, IJP)、熔融沉積成型技術(shù)(fused deposition moldeling, FDM)、分層實(shí)體成型技術(shù)(laminated object manufacturing, LOM)、光固化成型技術(shù)(stereolithography，SLA)和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(selective laser sintering, SLS)，每種成型工藝都有自身的應(yīng)用前景。

1.1 噴墨打印技術(shù)(IJP)

噴墨打印技術(shù)是利用陶瓷墨水打印成型，將陶瓷粉末與非金屬材料、分散劑、粘結(jié)劑等混合制成“墨水”，然后利用3D打印機(jī)在成型表面上打印，得到最終產(chǎn)品。噴墨打印技術(shù)的打印頭分為熱發(fā)泡和壓電式[4]。熱發(fā)泡原理是在噴嘴處有個(gè)加熱裝置，加熱時(shí)，陶瓷墨水急速汽化并且形成氣泡擴(kuò)散，擴(kuò)散后的氣泡會隨著外部氣壓的作用下逐漸膨脹，最終從噴嘴全部噴出，在預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡下逐層疊加；停止加熱后，墨水冷卻，氣泡收縮，墨水回縮，并停止打印[5]。壓電式原理是在陶瓷兩邊不同的電壓下會產(chǎn)生變形，伴隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)不同，墨水被均勻噴出,原理圖見圖1。

圖1 噴墨打印技術(shù)原理

1.2 熔融沉積成型技術(shù)(FDM)

熔融沉積成型是利用供料輥、導(dǎo)向套和加熱噴頭組

成[6]，供料輥在機(jī)械運(yùn)動的配合下將預(yù)先纏好的絲狀陶瓷材料送入到導(dǎo)向套，然后順著導(dǎo)向套進(jìn)入噴頭，噴頭加熱，熔化到一定程度(略高于熔點(diǎn))，同時(shí)噴頭按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動，熔化的絲狀陶瓷也按照軌跡在成型板上層層冷卻疊加，最終得到需求的產(chǎn)品，原理圖見圖2。

圖2 FDM工藝示意圖

FDM成型技術(shù)最初是由S.S.Crump[7]在1988年專利申請，STRATASYS[8]在1990年將其商業(yè)化，1995年，羅格斯大學(xué)第一次使用這種方法成型陶瓷胚體。絲狀陶瓷作為原材料，其柔性、彈性模量、黏度和強(qiáng)度對成型陶瓷有很大影響，并且還需要考慮噴嘴的移動速度、吐絲速度等，另外還需考慮去除雜質(zhì)以及收縮率等問題。

1.3 分層實(shí)體成型技術(shù)(LOM)

分層實(shí)體成型技術(shù)的特點(diǎn)之一是在已經(jīng)成型好的陶瓷薄片上，經(jīng)過輥輪加熱與上層粘結(jié)，并通過激光切割剩余薄片成型，所以這種方法更確切來說是面到體的成型工藝[9]，并且無需支撐件，成型速率高，后處理簡單，非常適用于復(fù)雜零件的制造，原理圖見圖3。

圖3 LOM工藝示意圖

楊少斌等[10]制備了可控孔結(jié)構(gòu)多孔陶瓷，通過改變網(wǎng)格布局結(jié)構(gòu)，得到的可控結(jié)構(gòu)多孔陶瓷孔隙率可達(dá)65.49%，壓縮強(qiáng)度可達(dá)36.10MPa，并且隨著網(wǎng)格密度增加，通孔直徑減小，孔隙率減小，體積密度增大，壓縮強(qiáng)度增大。

1.4 光固化成型技術(shù)(SLA)

光固化成型技術(shù)主要是打印光敏樹脂中參有陶瓷粉體高固相的漿體材料，光敏樹脂一般由齊聚物、光引發(fā)劑、稀釋劑組成。在計(jì)算機(jī)的控制下，紫色激光束照射漿料，逐層打印，最終成型產(chǎn)品，原理圖見圖4。

圖4 LOM工藝示意圖

光固化成型技術(shù)在打印氧化鋁漿料陶瓷方面有顯著優(yōu)點(diǎn)，例如精度、速度、表面粗糙度都達(dá)到了商業(yè)化要求。3DCeram公司采用光固化技術(shù)制備的氧化鋁性能已經(jīng)達(dá)到甚至部分超過了常規(guī)的95瓷，并在2015年推出了首臺工業(yè)級大幅面陶瓷3D打印機(jī)——CERAMAKER。

1.5 激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)開始于1986年，由DECKARD S[11]率先提出這一概念，SUBRAMANIAN K[12]首次將陶瓷材料與之結(jié)合起來。粉末供料系統(tǒng)在機(jī)械運(yùn)動配合下向上送粉，輥輪將送來的粉料平鋪于工作表面，激光按照計(jì)算機(jī)控制的路線掃描粉末并將粉末中的低熔點(diǎn)材料熔化燒結(jié)，成型活塞下降一定的高度，重新鋪粉、掃描和熔化，反復(fù)操作同一步驟，最終成型，原理圖見圖5。

在此基礎(chǔ)上，1995年德國Fraunhofer激光研究所HAGEDORN[13]提出激光選區(qū)熔融技術(shù)，與之不同的是不需要添加任何粘結(jié)劑，直接熔融成型。

圖5 SLS工藝示意圖

Fraunhofer激光研究所的WILKES J等人[14]將Al2O3-ZrO2粉末(Al2O3占比為58.5%，ZrO2占比為41.5%)預(yù)熱至1 715℃時(shí)打印成型，最終的成型零件有效地避免了裂紋的產(chǎn)生，致密度為100%，彎曲強(qiáng)度為500MPa，但是表面粗糙度精度低，高度僅能達(dá)到3mm。

2 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了陶瓷3D打印的技術(shù)原理以及發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了不同3D打印技術(shù)的特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀與研究成果，但是仍然存在技術(shù)難點(diǎn)。

噴墨打印技術(shù)的主要難點(diǎn)在于墨水配置及噴嘴裝置方面的改進(jìn)，并且還需在打印速度、成型精度和成型質(zhì)量等方面作出研究以減少內(nèi)部應(yīng)力集中，保證產(chǎn)品的致密度和力學(xué)性能，并逐漸在電子器件、多孔過濾件、陶瓷牙齒等尺寸小、形狀復(fù)雜等精度高的產(chǎn)品應(yīng)用。

熔融沉積成型技術(shù)在成型材料的基礎(chǔ)上，打印零件主要問題是表面破孔及凹凸不平、基底翹曲與變形等。因此該成型技術(shù)的發(fā)展還需要在打印速度、溫度、層厚上作出改善，得到最優(yōu)參數(shù)。目前該技術(shù)可應(yīng)用在汽車工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和食品加工等方面，隨著該技術(shù)的發(fā)展，未來可預(yù)見會在航空航天方面發(fā)揮優(yōu)勢，尤其是衛(wèi)星與空間站方面。

分層實(shí)體成型技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在材料、精度、尺寸等方面有顯著優(yōu)勢。目前該技術(shù)以改善零件表面質(zhì)量、機(jī)械及控制方面為目標(biāo)，擬擴(kuò)大在醫(yī)療、航空、電器和建筑等行業(yè)的應(yīng)用。

光固化成型技術(shù)的主要難點(diǎn)在于成型精度以及工作環(huán)境。目前，基于此方法的成型產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用。隨著該技術(shù)的發(fā)展，一般要求制件具有微米級或亞微米級的細(xì)微結(jié)構(gòu)，未來在微電子和生物工程等領(lǐng)域?qū)⒌玫綉?yīng)用。

激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔融技術(shù)本質(zhì)上都為燒結(jié)技術(shù)。燒結(jié)技術(shù)的主要難點(diǎn)是去除雜質(zhì)、提高力學(xué)性能等。熔融技術(shù)雖然克服了燒結(jié)技術(shù)的難點(diǎn)，但是在成型精度、表面粗糙度和致密度等方面又增加了難點(diǎn)。目前，該兩種技術(shù)的發(fā)展主要需要降低設(shè)備成本，優(yōu)化成型參數(shù)，未來有可能在航空航天和生物醫(yī)療得到應(yīng)用。

總之，3D打印技術(shù)對比傳統(tǒng)加工方法在形狀、速度等方面有顯著優(yōu)點(diǎn)，但是仍需大量科研工作者在材料及技術(shù)上有新的突破。