瑞士大学开发复杂陶瓷混合增材制造工艺

瑞士大学开发复杂陶瓷混合增材制造工艺

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由于设备和构成材料的技术进步,复杂陶瓷结构的增材制造在过去几年中取得了巨大的发展。 随着新型 3D 打印设备出现在市场上,现有的间接制造技术取得了重大进展。 这些技术可以更好地处理液体或粉末床,从而实现高分辨率零件的制造。

1、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷的3D打印工艺不同

零件生产的加速从最常见的氧化物陶瓷开始,这种材料已成功制造用于生物医学、多相催化、太阳能、水过滤器、热管理、多孔燃烧器、汽车等。 这些组件主要通过立体光刻 (SLA) 生产,该技术由于其良好的光学特性而在许多氧化物粉末上取得了成功。 非氧化物陶瓷难以以这种方式加工,因为此类陶瓷粉末通常不透明、吸收或反射紫外光,并且不允许光聚合物适当的光固化。 文献中很少有通过立体光刻工艺制造非氧化物陶瓷生坯的例子,并且只有几个分散碳化硅(SiC)粉末的光固化浆料立体光刻的例子。 另一方面,已经开展了一些使用陶瓷前体与光固化聚合物混合的立体光刻 3D 打印碳化硅零件的工作。

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光固化 3D 打印陶瓷(来自 lithoz)

将聚合物增材制造与传统陶瓷加工路线相结合也是研究方向之一,例如聚合物生坯的3D打印,随后进行聚合物渗透和热解; 通过粘合剂喷射和热解 3D 打印形成生坯,然后进行聚合物渗透和热解; 其他有关化学气相沉积、渗透或活性硅渗透的研究; 此外,一个有趣的应用是在干碳化硅-二氧化硅粉末床 (SLS) 上使用选择性激光烧结。 硅通过向预成型件提供额外的碳而充当碳化硅粉末的粘合相,预成型件通过反应粘合进一步转化为碳化硅。 这些技术各有优点和缺点,其中一些技术易于使用并且已经工业化,可以实现高精度零件制造。 关于缺点,在绿色制造中不可能在复杂的陶瓷结构(例如蜂窝结构)中实现高分辨率。 对于光固化聚合物和碳化硅粉末的直接立体光刻,主要缺点是粉末不透明,不允许高粉末填充。

2. 一种新型混合增材制造工艺

过去20年来,瑞士南部应用科学与艺术大学(SUPSI)的混合材料实验室(HMLab)一直在陶瓷方面进行前沿研究。 2019年,HM实验室负责人Alberto Ortona教授展示了多孔3D打印技术在陶瓷材料中的潜力。 目前,Ortona教授的博士生之一Marco Pelanconi在陶瓷3D打印方面取得了新进展。

该团队提出了一种新的混合方法,利用激光烧结与聚合物渗透和热解相结合。 除了使用热塑性粉末的工艺成熟度和成本之外,这种方法的一个显着优点是可以通过调整多个 SLS 参数来控制塑料预成型件的微孔率。 通过调节预成型件的微孔率,可以控制在第一次浸渍循环期间渗透到预成型件中的陶瓷前体聚合物的量; 由于热塑性聚合物和陶瓷前体聚合物之间陶瓷产率的差异,可以在第一热解步骤之后控制预成型件的收缩。 然后通过约 1000°C 的热解实现陶瓷转变,然后通过熔融硅渗透进行最终致密化,从而形成高密度陶瓷部件。

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使用SLS工艺打印混合粉末

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使用SLS工艺进行陶瓷打印的机理

研究团队认为,了解组成材料的性能将有助于进一步设计和制造复杂的陶瓷产品,并且通过上述混合方法已成功制备出碳化硅陶瓷。 该工艺可以制造复杂的 SiC 周期性结构,具有高分辨率和比迄今为止开发的更小的单元。

3. 开放参数的孔隙度控制

研究团队使用Sintratec开发的SLS 3D打印机,通过改变粉末表面温度、层厚、激光速度、扫描间距等工艺参数,可以轻松控制3D打印零件的孔隙率。通过改变这些参数,SUPSI大学的材料工程师能够实现理想的孔隙率(对于进一步渗透至关重要),从而生产出高质量的零件。

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SLS工艺打印陶瓷

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SLS工艺打印陶瓷

在材料选择方面,研究团队使用了两种材料来制造最终的陶瓷部件:PA12和SiC。 PA12 黑色球形粉末用于聚合物预成型件的 3D 打印。 PA12是一种热塑性半结晶材料,适合采用SLS技术加工,密度为1.0g/cm3。 成品的微观结构和性能可以通过改变SLS工艺的参数来定制。 SiC 前驱体用于渗透聚合物预成型件并在热处理后生产最终的 SiC 产品。

4. 复杂陶瓷结构的制造

为了说明这种方法如何用于特别复杂的形状,佩兰科尼的研究重点是两种具有不同拓扑的圆柱形多孔结构:旋转立方体和陀螺仪。 用 PA12 打印并随后转化为陶瓷后,所得零件表现出优异的机械和热性能,收缩约 25%,并保持其原始形状,没有变形或宏观裂纹。 Pelanconi 表示,他们仍然可以通过进一步的工艺优化来提高双轴强度。

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研究人员去除绿色粉末

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采用混合工艺打印的陶瓷零件

结尾

研究人员表示:“这类材料具有钢无法提供的无与伦比的热机械性能,例如耐高温、高抗氧化性、高抗热震性和高强度。”

陶瓷非常适合在极端环境中使用,例如热交换器、催化剂载体、再生器、燃烧器或航空航天。 由于可以从各种预陶瓷聚合物中获得许多不同的陶瓷材料,因此高科技行业可以利用这种新颖的混合制造工艺。

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