陶瓷3D打印技術在車輛裝備底盤制造中的潛在應用

陳方杰 王 成 劉重發(fā) 劉 婧 康辰龍 張永鋒

(陸軍工程大學軍械士官學校，湖北 武漢 430075)

車輛裝備的底盤系統(tǒng)通常由動力裝置、傳操裝置、行動裝置和車體等組成，是實施機動和防護的重要系統(tǒng)，主要由金屬材料制造而成。隨著武器裝備科學技術水平的快速發(fā)展，戰(zhàn)爭對車輛裝備的性能提出了越來越嚴苛的要求，而金屬材料發(fā)展至今已很難在性能上取得革命性的突破，亟需一種新材料來適應未來信息化戰(zhàn)場的需要[1]。與金屬材料相比，陶瓷材料具有低密度、耐高溫、高耐磨性、高強度等優(yōu)良特性，對減輕車輛裝備自身重量、提高發(fā)動機熱效率、延長易損件壽命具有積極意義，能在一定程度上提高裝備的機動性能、增強戰(zhàn)斗力，是最有發(fā)展前景的應用材料之一[2]。但由于底盤系統(tǒng)各組成的結構大多較為復雜，且陶瓷材料硬度高、脆性大，傳統(tǒng)方法制造難度較高，又限制了陶瓷材料的進一步應用。陶瓷3D打印技術始于20世紀90年代，它是指將3D打印技術引入到陶瓷制品的成型中，既充分利用陶瓷材料的優(yōu)異性能，又能發(fā)揮出3D打印技術不受復雜形狀限制的優(yōu)越性，有望在車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造中取得廣泛的應用。

1 陶瓷3D打印技術概述

陶瓷3D打印技術突破了傳統(tǒng)減材制造與等材制造的成型方法，利用層層疊加的思想，可直接生成陶瓷制品，而無需模具和其他輔助工具的參與，在快速制造高性能復雜形狀零部件方面具有顯著的優(yōu)勢[3-5]。按照陶瓷原料形態(tài)的不同，陶瓷3D打印技術大體可分為4種：基于粉材的3D打印技術、基于液材的3D打印技術、基于絲材的3D打印技術和基于片材的3D打印技術[6-7]。

1.1 基于粉材的陶瓷3D打印技術

目前，用陶瓷粉體作為原料的3D打印技術通常有以下幾種，激光選區(qū)燒結(SLS)技術、激光選區(qū)熔化(SLM)技術和三維噴印(3DP)技術。

SLS的打印原理是在計算機的控制下，待成型粉末在激光束的作用下被選擇性地燒結到一起，每掃描完一層，平臺便會下降一個層厚的高度，同時鋪上一層粉末，如此重復，最終制得所需形狀的三維零件[8]。SLS成型設備的激光器功率較低，不足以直接燒結陶瓷原料，通常將低熔點高分子粘結劑與陶瓷粉末混合，利用粘結劑熔融后能夠較好地浸潤陶瓷顆粒的特性，將分散的陶瓷粉體粘結成素坯，再經(jīng)過脫脂和高溫燒結獲得致密化產(chǎn)品。

SLM的打印原理與SLS技術基本相同，不同之處在于SLM采用的是高功率激光，能夠直接燒結陶瓷原料，而不需要向原材料中添加粘結劑，也不需要其他的后處理工序來提高性能，大大縮短了制造周期。然而，由于陶瓷的抗熱沖擊性能較差，成型過程中產(chǎn)生的溫度梯度很容易使制件產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，表面質量和精度也不高[9]。

3DP最早是由Sachs等人應用于陶瓷坯體的成型，它是將粘結劑噴涂到特定區(qū)域，固化后將粉末粘結起來。與前述兩種技術相比，3DP無需激光器，制造成本較低，但也存在成型精度不高、打印噴嘴容易堵塞等問題。

以上3種基于粉材的陶瓷3D打印技術具有共同的優(yōu)勢：(1)制造原料廣泛。一般來講，熔融后能產(chǎn)生原子間粘結的材料都可用作SLS粘結劑，任何具備“膠水”屬性的材料都可用作3DP粘結劑，SLM則無需任何添加劑便能直接成型。(2)無需支撐結構，易于制造帶有內(nèi)腔的復雜結構制品。但由于三者的成型均只是粉末之間的粘結，因此制件表面相對粗糙。

1.2 基于液材的陶瓷3D打印技術

工業(yè)生產(chǎn)的陶瓷原料通常為粉狀，用于陶瓷3D打印的液體漿料則是將陶瓷粉體與有機物液體混合制備而來，主要應用于立體光固化(SLA)技術、數(shù)字光處理(DLP)技術和漿料直寫成型(DIW)技術。

SLA是利用紫外光對特定區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂進行照射來實現(xiàn)固化，依次逐層掃描，最終形成三維零件。DLP技術是在SLA的基礎上發(fā)展而來，將原先點-線-面的固化方式優(yōu)化成一次性面成型，成型速度更快，精度更高[10]。用于SLA和DLP的陶瓷液材均是以光敏樹脂為載體，通過向其混入陶瓷粉體和少量的分散劑制備而成的陶瓷光敏漿料，因此具有一定毒性，不利于人體健康和環(huán)境保護。

DIW是一種無需紫外光或激光固化，也無需加熱，在室溫下便能制備零件的3D打印技術。它以高固相的陶瓷漿料為原料，在計算機的控制下將漿料擠出，反復的疊加增材，形成立體結構[11]。但由于受到噴嘴尺寸的限制，成型精度還有待進一步提高，可成型結構也有待進一步擴充。

1.3 基于絲材的陶瓷3D打印技術

陶瓷絲材是指將陶瓷粉末與高分子粘結劑材料混合制作成絲狀，主要應用于陶瓷熔融沉積(FDC)技術。其成型原理是：通過加熱器使低熔點的粘結劑熔融，再逐層打印，使陶瓷絲材粘結到一起獲得實體零件[12]。該技術雖然成型簡單，但打印速度較慢，打印精度低，可打印尺寸和制件性能均受到很大限制。

1.4 基于片材的陶瓷3D打印技術

使用陶瓷片材的3D打印技術主要是分層實體制造(LOM)技術，它先通過流延技術將陶瓷粉末制備成片材，再利用激光束進行逐層掃描和切割，層與層之間采用粘結劑或熱熔膠進行粘結而成。由于采用面成型的方式，其打印效率較高，可成型大尺寸零件制品。但受到層間粘合效果的影響，LOM制品性能通常表現(xiàn)出各向異性。

對比上述4類、8種陶瓷3D打印技術可以看出，它們均能在不依賴模具的情況下制備復雜形狀的陶瓷制品，且在打印成本、打印精度、成型周期和成型性能等方面各具優(yōu)勢，可根據(jù)實際應用產(chǎn)品的需求來選擇合適的打印方式。

2 陶瓷3D打印技術在車輛裝備底盤制造中的潛在應用

車輛裝備的底盤系統(tǒng)作為承擔機動和防護的重要系統(tǒng)，其性能直接影響著裝備戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。陶瓷材料因具有低密度、耐高溫、高耐磨性、高強度等優(yōu)良特性，對提高車輛裝備的性能、適應武器裝備快速發(fā)展的步伐具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的陶瓷成型方法存在依賴模具、制造周期長、復雜結構難以加工甚至無法加工等問題，嚴重阻礙了高性能復雜結構部件的制造與應用。下面將從陶瓷3D打印技術在車輛裝備底盤的整體化和關鍵零部件制造兩個方面的潛在應用展開論述。

2.1 輕量化和整體化制造

陶瓷材料的密度低、質量小，如碳化硅的密度比鑄鐵小55%，也只比鋁稍大。將傳統(tǒng)金屬零件替換為陶瓷零件制造，能夠實現(xiàn)車輛裝備的輕量化，有效提高靈活機動性。有資料顯示，美軍在一項將絕熱機應用于車輛裝備的研究中，研制成功了一款無冷卻式陶瓷發(fā)動機，其體積和質量減小21%，且與安裝有同功率的鋼質發(fā)動機車輛相比，行駛速度也大大提高。另外，通過減少零件的裝配結構來實現(xiàn)整體化制造，可進一步提高車輛裝備輕量化程度，提高工作效率，這也是零件設計和發(fā)展的重要趨勢[13]。陶瓷3D打印技術不受傳統(tǒng)制造工藝的限制，可直接根據(jù)設計模型，一體化快速制造復雜結構陶瓷零件，在車輛裝備底盤的輕量化和整體化制造方面具有廣闊的應用前景。但3D打印陶瓷坯體的機械性能通常較差，整體大尺寸零件制造過程中極容易產(chǎn)生缺陷，有必要對材料配方、成型工藝及后處理方法等進行優(yōu)化。

2.1.1 3D打印坯體缺陷控制

根據(jù)3D打印技術的不同，剛剛加工結束的陶瓷坯體一般具有較高的溫度梯度或不穩(wěn)定的水分散失速率，再加上層層疊加的加工特征，易產(chǎn)生較大的殘余應力。如果成型工藝條件控制不當，陶瓷坯體，尤其是整體大尺寸坯體便會出現(xiàn)裂紋、翹曲、層間結合不良等缺陷。Goodridge R D選用不同粒度的陶瓷粉末進行顆粒級配的SLS實驗，當粉末配比為1∶1時試樣的強度最高，研究表明陶瓷材料性狀對成型質量具有重要的影響[14]。除此之外，3D打印工藝參數(shù)的優(yōu)化也能在一定程度上抑制坯體的不良缺陷。Qiu Yudi采用SLM技術成型Al2O3時發(fā)現(xiàn)，激光掃描速率過高或過低都會對坯體質量產(chǎn)生不利的影響，最終優(yōu)化的掃描速率范圍為150～400 mm/s(CO2激光器)[15]。廣東工業(yè)大學伍尚華團隊將PEG液體干燥法應用于SLA坯體的干燥階段，成功制備出了無缺陷的氧化鋁陶瓷刀具[16]。

2.1.2 陶瓷零件燒結缺陷控制

陶瓷燒結過程會產(chǎn)生較大的收縮，也易產(chǎn)生較大的殘余應力，再加上陶瓷材料固有的脆性大，使得整體大尺寸零件在燒結階段更容易產(chǎn)生裂紋、翹曲甚至坍塌的缺陷。降低燒結收縮的方法通常是對陶瓷坯體進行增密處理以及向原料中加入合適的添加劑。陳鵬以SiC-Al2O3-Y2O3造粒粉為原料，利用冷等靜壓技術對SLS坯體進行后處理，并結合液相燒結工藝在1 950 ℃下燒結2 h后制備出SiC陶瓷，其平均線性收縮率為14.53%[17]，低于未經(jīng)冷等靜壓后處理的固相燒結SiC陶瓷的收縮率[18]，在一定程度上降低了陶瓷燒結體產(chǎn)生不良缺陷的風險。為了改善陶瓷脆性，通常是向基體材料中添加增強纖維，以使裂紋尖端區(qū)域高度集中的應力得以部分消除，提高材料對裂紋擴展的抗力，纖維增強陶瓷基復合材料往往具有更優(yōu)異的性能[19]。還有研究表明，對陶瓷材料特性進行優(yōu)化不僅能夠降低燒結收縮率，還能實現(xiàn)致密燒結體的增強增韌。邢媛媛通過粗細粉體的顆粒級配，使得燒結收縮率顯著減少至14.5%，粗粉的加入也使陶瓷的斷裂模式由穿晶斷裂轉變?yōu)榇┚?沿晶斷裂，斷裂韌性提升17.1%[20]。

2.2 關鍵零部件制造

當前，研究學者們主要采用先部件后整機的方針，將重點轉向幾類關鍵零部件的制造，旨在充分發(fā)揮陶瓷材料的優(yōu)良性能，盡早取得一定的應用和突破。

2.2.1 高溫零部件制造

車輛裝備的發(fā)動機是底盤系統(tǒng)的組成部分，也是整個車輛的“心臟”，為車輛的運動提供動力。目前，車輛裝備所使用的燃氣輪機或柴油機還是以金屬材料為主，鋁合金的耐熱極限為350 ℃，鋼和鑄鐵的為450 ℃，最好的超級耐熱合金的耐溫極限也不超過1 093 ℃，限制了發(fā)動機的使用溫度，而且還要增設冷卻裝置進行冷卻，使發(fā)動機的組成結構更加復雜[21]。

陶瓷材料的耐高溫性能突出，用陶瓷來代替現(xiàn)行金屬材料制造發(fā)動機的關鍵零部件，有利于增大發(fā)動機熱效率、延長行駛里程，提高車輛裝備的機動性。國內(nèi)外均針對陶瓷材料在發(fā)動機上的應用開展了廣泛的研究，其中應用于燃氣輪機的零部件主要有：葉片、燃燒筒、套管等；應用于內(nèi)燃機的零部件主要有：活塞、氣缸套、配氣機構等。但由于上述零部件的形狀均相對復雜且陶瓷材料固有的脆性大，使得傳統(tǒng)方法制造存在成本高、可靠性低的問題。奧達利Lithoz公司基于DLP技術成功制造出了氮化硅葉輪零件，氮化硅陶瓷的耐溫性能較好，在1 400 ℃時強度仍高達700 MPa，能極大地提高發(fā)動機工作溫度[12]。在國內(nèi)，華中科技大學和武漢理工大學開展合作，對高溫零部件陶瓷3D打印的成型工藝進行了較為系統(tǒng)的研究，他們使用碳化硅陶瓷粉末為原料，以酚醛樹脂作為粘接劑，利用SLS技術，采用冷等靜壓和反應燒結工藝對坯體進行致密化處理，在對各工序條件進行優(yōu)化的基礎上，選用最佳的參數(shù)制備出了碳化硅葉片[22-23]。

2.2.2 耐磨零部件制造

軸承是一切旋轉機械的靈魂，在車輛裝備底盤系統(tǒng)的各組成中隨處可見。但普通鋼球軸承耐磨性差、抗壓強度不高，使得在極端環(huán)境下的使用壽命嚴重降低。以氮化硅為典型代表的陶瓷球軸承具有重量輕、極限轉速高、運轉精度高等優(yōu)點，從20世紀60年代開始便受到廣泛關注[24]。眾多實驗研究也表明，氮化硅球軸承的疲勞可靠性要遠高于鋼制軸承，因此采用氮化硅球作為滾動體、合金鋼為套圈的混合陶瓷軸承逐漸開始得到一定應用[25]。前裝甲兵工程學院將氮化硅球軸承應用于某新型車輛裝備的發(fā)動機渦輪增壓器中，通過試驗對比得出采用陶瓷球軸承后總效率提高了5%～8%，極限轉速達到120 000 r/min[26]。氮化硅陶瓷球的精密制備是制造氮化硅球軸承的關鍵，陶瓷3D打印技術具有的一次加工、近凈成型等特點為氮化硅陶瓷球的高性能、大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術保障，其中SLA和DLP技術也更能滿足精密件制備的要求。

車輛裝備底盤的離合器和制動器均是保證車輛正常工作的關鍵部件，其內(nèi)的摩擦片和制動瓦片需要具有耐磨損、耐熱、抗氧化等優(yōu)良性能。而現(xiàn)階段摩擦片和制動瓦片的材料主要為鑄鐵，且多通過鑄造成型制造，使得產(chǎn)品的密度大、性能低、缺陷多。碳纖維增強碳化硅(Cf/SiC)復合材料是一種纖維增強陶瓷基的高性能材料，與單相陶瓷相比具有更好的耐磨性和熱穩(wěn)定性，是制造摩擦片和制動瓦片的潛在應用材料。傅華等人采用SLS技術制備了Cf/SiC復合材料，通過探究材料制備和成型方法對性能的影響，對熱性能及摩擦磨損性能也進行了深入研究，與傳統(tǒng)陶瓷加工方法相比，獲得的制品組織性能更加均勻，制造周期更短，實現(xiàn)了“材料-結構-功能”的一體化[19]。

2.2.3 高強度零部件制造

車輛裝備的裝甲是抵御彈藥導彈攻擊，提升戰(zhàn)場生存力的重要保障。隨著反裝甲武器技術的快速發(fā)展，戰(zhàn)爭對裝甲防護材料的性能要求也越來越高。陶瓷材料的高強度、高硬度和低密度的優(yōu)異特性，使其成為國內(nèi)外致力研究的裝甲材料。相比于傳統(tǒng)的均質鋼裝甲和各類特種防護裝甲，陶瓷裝甲的防護性能顯著提升。目前應用于車輛裝備防護系統(tǒng)的陶瓷材料主要有Al2O3、SiC、TiB2、B4C和AlN。Jamese B對上述5種材料的陶瓷裝甲進行了打靶測試，研究表明TiB2和B4C陶瓷的抗彈性能較好，但由于成本相對較高，因此其應用遠不及Al2O3和SiC陶瓷普遍[27]。Klosterman D A以SiC粉末、高分子粘結劑和其他添加劑為原材料，利用LOM技術成功制備了SiC防彈陶瓷坯體[28]。

陶瓷作為一種脆性材料，在遭受彈體沖擊時容易發(fā)生破碎，單獨應用于裝甲結構中很難達到滿意的防護效果，通常與其他材料復合使用[29]。復合裝甲是指由兩層以上不同性能的材料組成的非均質裝甲。在此基礎上，又逐漸衍生出梯度裝甲和層狀仿生裝甲，裝甲的綜合防護性能均大大提高[30-31]。梯度裝甲要求材料的組成成分、顯微結構等是連續(xù)變化的，使其抗彈性能及機械強度也是逐漸變化，從而增強裝甲防護裝置的可靠性；層狀仿生裝甲則是由硬質層和軟質層交替疊加而成，從而提高裝甲的斷裂韌性和吸能。陶瓷3D打印技術具有高度柔性和應變能力的特點，能滿足上述結構和性能的實現(xiàn)，是一種有效的解決途徑。

3 技術難點及研究方向

盡管陶瓷3D打印技術在車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造中有眾多的優(yōu)勢，但若要取得普遍的應用成果，仍然還有諸多難點問題需要解決。

在原料制備上，當前3D打印技術所用的陶瓷原料存在種類少、均勻度不高、制備工藝復雜等問題。如陶瓷漿料的制備通常需要嚴格控制粘度、pH值等參數(shù)?？筛鶕?jù)相同形態(tài)的陶瓷原料制備，深入研究原材料特性對制件性能的影響，探索一般性規(guī)律，開發(fā)高性能原材料和新型制備技術。

在成型工藝上，主要存在過程難控制、可靠性不高等問題，直接影響著產(chǎn)品的結構和性能。需要根據(jù)各類3D打印技術的成型特點，從設備元件、工藝條件等方面出發(fā)，加強研發(fā)力度，構建不同結構、不同材料的技術路線。

為更好地適應車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造需要，除了上述問題外，還需針對性地滿足零部件特性和使用要求。比如，開展陶瓷基復合材料的創(chuàng)新應用研究；研發(fā)大尺寸、整體化制造設備及方法；建立制件工作模擬平臺和壽命預測模型。

4 結語

陶瓷3D打印技術作為一種新型的先進制造技術，在車輛裝備底盤系統(tǒng)的制造領域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。隨著技術水平的不斷提高，陶瓷3D打印技術有望實現(xiàn)零件級-部件級-整機的應用突破，將大大提升車輛裝備的機動和防護性能，增強戰(zhàn)斗力，適應未來戰(zhàn)爭對車輛裝備提出的更高要求。可以預見，陶瓷3D打印技術的不斷完善與應用，也必將推動軍械裝備制造領域的創(chuàng)新式發(fā)展。