中國(guó)粉體網(wǎng)訊 3D打�。�3D－printing）是基于計(jì)算機(jī)三維模型技術(shù)的一種制造成形方法，通過(guò)材料逐層堆積的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，融合了材料科學(xué)、機(jī)電控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等多領(lǐng)域的先進(jìn)科技，改變了傳統(tǒng)制造方式和工藝，是“第三次科技革命”的標(biāo)志性成果。
常見(jiàn)的3D打印方法包括薄材疊加制造(LOM)、熔融沉積造型(FDM)、光固化(SLA)、激光選區(qū)熔化(SLM)、三維打印法(3DP)、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）等方法。與傳統(tǒng)成型相比，上述幾種3D打印技術(shù)在直接成型復(fù)雜形狀金屬和高分子零件方面已展現(xiàn)出較大優(yōu)越性。然而，上述3D技術(shù)在陶瓷零件成型時(shí)仍存在許多困難。許多學(xué)者嘗試通過(guò)3D打印技術(shù)成型陶瓷零件坯體，結(jié)合高溫?zé)Y(jié)致密化處理，有的甚至直接通過(guò)激光3D打印出致密的陶瓷零件。
3D打印成型技術(shù)
1、激光選區(qū)熔化(SLM)
SLM方法利用直徑30μm~50μm的聚焦激光束，對(duì)粉末逐層選擇性熔化，堆積成一個(gè)冶金結(jié)合、組織致密的實(shí)體，可用于直接3D打印陶瓷件，無(wú)需后續(xù)致密化處理。SLM成型陶瓷零件過(guò)程中溫度變化范圍大、速度快，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較大，使陶瓷零件極易產(chǎn)生缺陷。
2、薄材疊加制造技術(shù)(LOM)
LOM技術(shù)利用激光切割陶瓷薄片，通過(guò)熱壓或其他形式層層粘接、疊加獲得三維實(shí)體零件。LOM方法制造的陶瓷坯體表面層與層之間的臺(tái)階效應(yīng)明顯，邊界需要進(jìn)行打磨，水平和高度方向密度差異大，對(duì)后續(xù)脫脂及燒結(jié)過(guò)程不利，導(dǎo)致最終的陶瓷零件密度不均勻。
3、光固化(SLA)
SLA工藝?yán)米贤夤夤袒环N液態(tài)光敏樹(shù)脂材料，通過(guò)高速攪拌使陶瓷粉末在光固化溶液中分散均勻，獲得高固相含量、低粘度的陶瓷漿料，然后使?jié){料在成型機(jī)上逐層固化、堆積成陶瓷零件坯體，最后采用干燥、脫脂及燒結(jié)等致密化工藝得到陶瓷零件。但是，光固化方法制造陶瓷零件需設(shè)置支撐，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成危害，這些都不利于該工藝的應(yīng)用和發(fā)展。
4、熔融沉積造型(FDM)
FDM技術(shù)采用加熱融化噴頭使材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)，并按每層數(shù)據(jù)指示的路徑擠壓和沉積在預(yù)定的方位，逐層累積成型出整個(gè)零件。該方法在陶瓷粉中加入有機(jī)粘結(jié)劑，通過(guò)毛細(xì)管流變儀或擠出機(jī)加工成絲材后用FDM設(shè)備成型出陶瓷坯體，最后通過(guò)脫脂和高溫?zé)Y(jié)獲得較高密度的陶瓷件。
但是，熔融沉積陶瓷強(qiáng)度較差，收縮存在各向異性。同時(shí)，由于噴頭口徑較大，成型精度低，另外適合FDM成型的塑料種類少，限制了陶瓷零件FDM成型的發(fā)展。
5、三維打印法(3DP)
3DP技術(shù)是一種利用微滴噴射技術(shù)的3D打印方法，過(guò)程類似于打印機(jī)，在預(yù)先鋪平的粉末上，于需要成型的位置噴射粘結(jié)劑形成薄層，逐層堆積成型，最終獲得三維陶瓷零件。然而，3DP方法成型陶瓷時(shí)噴印粘結(jié)劑零件致密度不高，打印噴頭易堵塞，零件精度也較低。
6、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)
SLS技術(shù)的工作原理是，首先，在工作臺(tái)上鋪一薄層粉末，然后，CO2激光按照各層截面的信息對(duì)需要粘接的粉末進(jìn)行激光掃描，被掃描區(qū)域的粉末材料由于燒結(jié)或熔化粘接在一起，而未被掃描的區(qū)域粉末仍呈松散狀，可重復(fù)利用，工作臺(tái)在加工一層后下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和掃描，層與層之間粘結(jié)至一起，逐層堆積直到成型出整個(gè)零件，最終將零件取出。
陶瓷的SLS/CIP復(fù)合成型
通過(guò)上述3D打印技術(shù)制造的陶瓷零件普遍存在致密度低、力學(xué)性能差的缺點(diǎn)，不能直接應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，需進(jìn)一步對(duì)3D打印陶瓷坯體進(jìn)行后續(xù)致密化后處理。劉凱團(tuán)隊(duì)將CIP技術(shù)與基于粉末床的SLS打印有機(jī)結(jié)合，然后對(duì)SLS/CIP素坯進(jìn)行排膠及高溫?zé)Y(jié)處理，提出了陶瓷零件的SLS/CIP復(fù)合成型制造技術(shù)。工藝流程如下：
1、粉體制備
用三維混粉機(jī)混粉，首先將陶瓷粉末通過(guò)噴霧造粒方法覆上一層潤(rùn)滑劑PVA聚合物，然后將造粒粉末和粘接劑環(huán)氧樹(shù)脂混合2h左右，即得到均勻的造�；旌蠌�(fù)合粉末，該粉末具備良好的SLS粘接性能和CIP壓制性能。
由于SLS坯體需要進(jìn)行排膠，在保證坯體具有一定強(qiáng)度的前提下，粘接劑含量越少越好。確定粘結(jié)劑加入量的基本原則是在不影響SLS成型質(zhì)量的前提下，粘結(jié)劑加入量越小越好。采用造�；旌戏椒ㄖ苽涞膹�(fù)合粉末SLS成型性好，且制備方法簡(jiǎn)便，成本低。
2、激光選區(qū)燒結(jié)成型
SLS成型過(guò)程中激光作用在粉末材料上，粉末受到移動(dòng)快的點(diǎn)熱源加熱，是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。合理的SLS工藝參數(shù)可使陶瓷的精度、密度、強(qiáng)度達(dá)到較優(yōu)的組合；反之，若工藝參數(shù)不合理，坯體會(huì)產(chǎn)生翹曲、變形、強(qiáng)度差等問(wèn)題，也會(huì)影響經(jīng)后續(xù)CIP等其它環(huán)節(jié)處理后的陶瓷質(zhì)量。
3、冷等靜壓致密化
在壓力作用下，陶瓷坯體的密度迅速增加。由于SLS試樣內(nèi)部包含大量孔隙，該過(guò)程主要是陶瓷顆粒的重新組合，坯體密度增加速率最大。隨著CIP過(guò)程保壓壓力進(jìn)一步增加，粘接頸破碎并充填孔隙，陶瓷粉末之間相互作用面積變大，陶瓷表面的有機(jī)物也增強(qiáng)了粉末間的滑動(dòng)擠壓，坯體的孔隙更加減少。
4、排膠處理
對(duì)排膠試樣進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，溫度升至800℃時(shí)，試樣相對(duì)密度增加，這是由于盡管試樣的質(zhì)量仍然減少了，但試樣在預(yù)燒結(jié)階段內(nèi)部氧化鋁顆粒發(fā)生固相原子擴(kuò)散，燒結(jié)頸逐步形成，試樣各方向產(chǎn)生明顯收縮，因此其體積也產(chǎn)生了收縮，相對(duì)密度增加。增加預(yù)熱燒結(jié)溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，有利于排膠試樣的致密化。
5、高溫?zé)Y(jié)
延長(zhǎng)保溫時(shí)間和降低升溫速率均有利于氧化鋁試樣致密化。當(dāng)燒結(jié)溫度、升溫速率和保溫時(shí)間分別為1650℃、2℃/min和2h時(shí)，氧化鋁相對(duì)密度可達(dá)92%以上。
劉凱團(tuán)隊(duì)利用SLS成型、CIP和高溫?zé)Y(jié)致密化，已成功制備出Al2O3、ZrO2、SiC高白土等高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)致密陶瓷零件，相關(guān)零部件的相對(duì)密度達(dá)到92%。
參考來(lái)源：
[1]劉 凱等.3D打印成型陶瓷零件坯體及其致密化技術(shù)
[2]邸浩翔等.3D 打印陶瓷技術(shù)的研究進(jìn)展
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