南極熊帶你讀懂陶瓷3D打印技術(shù)

日前，位于荷蘭的3D打印初創(chuàng)企業(yè)Admatec對(duì)外宣布將于今年9月份向市場推出售價(jià)為7.5萬歐元的高性能陶瓷3D打印機(jī)ADMAFLEX130，采用其研發(fā)的ADMAFLEX技術(shù)。據(jù)稱，這款3D打印機(jī)可以打印二氧化鋯、三氧化二鋁和石英乃至氮化硅、碳化硅、羥基磷灰石等材料，讓業(yè)界側(cè)目。

眾所周知，3D打印目前的研究熱點(diǎn)主要集中在材料和設(shè)備，而打印材料更是制約3D打印的瓶頸。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，前四類材料應(yīng)用技術(shù)比較成熟，而陶瓷材料由于自身特性存在很多應(yīng)用難點(diǎn)。

一.陶瓷打印難在哪？
我們知道陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、醫(yī)療等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。但陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其加工成形尤其困難，目前國內(nèi)陶瓷直接快速成形工藝尚未成熟，正處于研究階段。

由于3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和光敏樹脂（粘結(jié)劑粉末）所組成的混合物。存在以下需要克服的難點(diǎn)：
1、陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑份量越多，固化比較容易，但在后置處理過程中零件收縮比較大，會(huì)影響零件的尺寸精度；粘結(jié)劑份量少，則不易固化成形
2、由于光敏樹脂的熔點(diǎn)較低，液態(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動(dòng)性較差，在每層固化之后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，這樣將會(huì)影響到實(shí)體的成型精度。
3、陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。
因此，要克服以上困難，需要研發(fā)適合打印的陶瓷材料（配比成分），并在快速成型過程中進(jìn)行精密控制。

二.陶瓷3D打印技術(shù)
該公司宣稱ADMAFLEX130能夠快速大批量生產(chǎn)陶瓷零部件，比通過傳統(tǒng)的注塑成型工藝生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，ADMAFLEX 130比市面上的3D打印機(jī)有了顯著地改善：表面粗糙度可以控制在1微米以內(nèi)，外形尺寸誤差控制在CAD模型的0.3%內(nèi)。
據(jù)了解，ADMAFLEX技術(shù)是基于DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的，本質(zhì)上屬于SLA（立體平板印刷）技術(shù)。


SLA工藝以光敏樹脂作為材料，在系統(tǒng)控制下紫外激光將對(duì)液態(tài)的光敏樹脂進(jìn)行掃描從而讓其逐層凝固成型，SLA工藝能以簡潔且全自動(dòng)的方式制造出精度極高的幾何立體模型。如圖所示為SLA技術(shù)的基本原理：

1、液槽中會(huì)先盛滿液態(tài)的光敏樹脂，氦—鎘激光器或氬離子激光器發(fā)射出的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的操縱下按工件的分層截面數(shù)據(jù)在液態(tài)的光敏樹脂表面進(jìn)行逐行逐點(diǎn)掃描，這使掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)而固化從形成工件的一個(gè)薄層。
2、當(dāng)一層樹脂固化完畢后，工作臺(tái)將下移一個(gè)層厚的距離以使在原先固化好的樹脂表面上再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平然后再進(jìn)行下一層的激光掃描固化。因?yàn)橐簯B(tài)樹脂具有高粘性而導(dǎo)致流動(dòng)性較差，在每層固化之后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，這樣將會(huì)影響到實(shí)體的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液態(tài)樹脂將會(huì)均勻地涂在上一疊層上，這樣經(jīng)過激光固化后將可以得到較好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。
3、新固化的一層將牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)工件層疊完畢，這樣最后就能得到一個(gè)完整的立體模型。

目前3D打印市場價(jià)值大概70億美元，僅占全球制造業(yè)市場的0.04%，而且3D打印普遍被用在產(chǎn)品開發(fā)階段的制作原型上，作為規(guī)模量產(chǎn)的還屬不多。雖然3D打印技術(shù)已發(fā)展超過25年，但尚未成為更可取的生產(chǎn)制造方式，其原因無非是相對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)其不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。倘若3D打印能攻克一些材料打印難點(diǎn)技術(shù)，相信人們會(huì)更多地選擇3D打印生產(chǎn)產(chǎn)品。這將提高整個(gè)社會(huì)對(duì)材料的利用效率，據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)線上大概有30%的原材料被各種方式浪費(fèi)掉，而3D打印作為增材制造方式將可以極大提高材料利用率。

來源：同潤科投

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