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淺析陶瓷3D打印技術原理,不同成型工藝的區別 

發布時間: 2021-12-11 11:39
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傳統的陶瓷成型方法包括干法成型、塑性成型和注漿成型等在內,都需要借助事先制好的模具才能制備出具有一定形狀和強度的陶瓷制品,流程耗時長、成本高。而相比于傳統的制造技術,3D打印技術具有高效率、制造快、無;、可復雜化等優勢,而陶瓷制品需經過原料粉體的處理、坯體制備成型、固體制品燒結和最終加工處理四個主要環節,其中屬制品成型這一步過程耗時最長且造價最貴。

為了使先進陶瓷生產廠家在生產過程中實現節約制備原材料、縮短產品加工周期、降低制造成本、制品量產化等問題,依托于3D打印的無模陶瓷成型制造技術應運而生。
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下面介紹幾種陶瓷3D打印技術

常見的陶瓷3D打印技術成型工藝有以下幾種:

1.陶瓷熔融沉積成型技術(Fused deposition of ceramics,FDC)

與傳統的熔融沉積成型相比,陶瓷熔融沉積成型技術的特點是將陶瓷粉體摻入有機結合劑中,并加入無定型基料粘合劑,將復合材料放入擠出機中后在稍高于其熔點的溫度下熔化,通過計算機控制制備陶瓷生坯,然后經過脫脂處理后,在適宜的高溫條件下燒制成部件。

適用范圍:適用此項工藝的陶瓷材料必須具備一定的機械性能和熱性能;設計的3D模型一般為高孔隙率、管狀支撐的多孔形態。

缺點:由于該項技術需要事先加熱后再冷卻成型,這就要求3D模型不宜設計的過于小巧、內部也不宜過于致密,原因在于當前打印層已經打印上去時,此打印層還處于高溫狀態,還未完全冷卻,此狀態下再次進行打印會出現二次融化的現象,這很容易導致3D打印的制備發生變形從而制作失敗。

2.光固化快速成型技術(stereo lithography apparatus,SLA)

又稱為立體印刷成型技術,是最早發展起來的快速成型技術,也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。主要機制是采用一種在紫外光照射下能夠迅速固化的光敏液態樹脂為原料,通過紫外光選擇性地輻照某一層液體,最終成型出部分區域固化的零部件。

優點:該方法成型速度快、自動化程度高、可成型任意復雜形狀,尺寸精度高、表面質量優良,運用此項技術能夠制備納米級尺寸的陶瓷零部件,以及復雜、高精度的精細工件快速成型。

缺點:零件容易彎曲變形,需要支撐。再者因制品成型中需要采用光敏樹脂和紫外光源,但光敏樹脂中可能含有有毒的有機物,容易在后續加工處理時造成環境污染,因此需避光保護。液態樹脂固化后的零件較脆、容易斷裂。

3.激光選區燒結成型技術(selective laser sintering,SLS)

又稱為選擇性激光燒結工藝,基礎原理與三維印刷技術類似,就是將黏結劑換成激光束,利用激光束沿著計算機設計的路徑逐點掃描粉體的表面,受到掃描的部位就會局部受熱,致使顆粒自身熔化或在雙方在黏合劑的作用下產生良好的粘結。在上一層激光掃描粉體粘結完成后再在新一層的粉料進行添加,激光掃描后再次形成新一層的三維結構。如此按照上述過程周期反復性的逐層激光掃描、高溫熔化以及局部粘結運作后,最終就可以得到區域結構不同的立體部件。

優點:能夠在無需支撐的條件下,直接制備塑料、金屬或陶瓷,材料選擇廣泛,并且成型精度較高,可制造復雜構件、不需要增加基座支撐、材料利用率高。

缺點:因成型過程中需要激光的引入,粉末需要預熱和冷卻,因此成型周期較長,且后續處理工藝也較為復雜。同時由于采用的原料粉體需要能在激光作用下粘結并且高溫完全燒成,所以這項技術能夠制備的產品種類有限。-

4.三維打印成型技術(three-dimensional printing,3DP)

該項技術最初是由麻省理工學院的工作人員根據“層層打印、逐層疊加”的原理提出來的,是近幾年為研制高性能陶瓷所開發的新型技術。這項技術應用于陶瓷材料成型的工藝過程為:先將設計出的產品三維結構分割成多個分立的結構單元,然后在計算機指令的控制下,將黏結劑選擇性地噴射到陶瓷粉末表面上,粉體粘結后就可獲得最終成型的立體構件。

應用:目前3DP技術在生物陶瓷和功能陶瓷中取得了應用,例如利用該技術成功制備出高精度的Al2O3-ZrO2功能階梯陶瓷材料和高強度的人體石膏骨骼。

5.噴墨打印成型技術(ink jet printing,IJP)

該技術是在噴墨打印機的原理基礎上,結合3D打印的理念發展而來。工藝流程為:首先將陶瓷粉料與各種添加劑和有機物進行混合制成陶瓷漿料,也稱“陶瓷墨水”,然后用噴墨打印機將這種漿料按照計算機指令逐步噴射到載體上,從而形成具有原先設計外形與尺寸的陶瓷生坯。該項技術關鍵有兩點:一是陶瓷墨水質量,不僅要求粉末含量高,同時對分散度、抗沉淀性、黏度、干燥速率要求都很嚴格;二是打印機的控制,元件的三維模型被轉為打印控制碼,然后用程序驅動打印機動作。

優點:成型機理相對簡單,打印頭成本較低,若將陶瓷墨水的問題解決就可以實現該技術的產業化。

缺點:噴墨打印成型也存在一定的局限性,例如由于墨水液滴的大小限制了打印點的最大高度,所以這項技術很難制備在Z軸方向具有不同高度的三維構件,同時也無法制備具有內部多孔結構的陶瓷產品。
來源:瓷錄Ceramats
聲明:本文是3D打印資源庫轉載文章,原文:瓷錄Ceramats 。內容為作者獨立觀點,不代表3D打印資源庫立場,轉載請聯系原作者。如對文章有異議或投訴,請聯[email protected]。
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