荷蘭埃因霍芬理工大學:3D打印陶瓷大型物體或成現實

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

據悉，陶瓷是人類最古老的材料。同時，它們是二十一世紀關鍵技術中最有前途的材料之一。然而，陶瓷在形狀和工藝上具有挑戰(zhàn)性，特別是對于3D打印/增材制造(AM)將成為有趣的制造方法的應用。

與金屬和聚合物相比，許多陶瓷的極高熔點增加了增材制造的挑戰(zhàn)。由于陶瓷不易鑄造或機加工，因此通常由粉末通過燒結或沉積成薄膜來固結。缺陷（例如在加工過程中引入的孔隙和不均勻性）會影響強度，因為它們會引發(fā)裂紋，并且與金屬相比，脆性陶瓷幾乎沒有抵抗斷裂的能力。這種加工挑戰(zhàn)限制了人們利用陶瓷特性的能力，包括高溫性能、耐環(huán)境性和高強度。增材制造的最新進展導致了許多不同的技術，但是為陶瓷材料開發(fā)的所有增材制造技術都是基于粉末的逐層工藝，僅限于少量的成分。通過選擇地固化包含陶瓷顆粒的光敏樹脂，將液態(tài)粘結劑選擇性地沉積到陶瓷顆粒上（粘合劑噴射）或選擇性地進行印刷，只有少數幾種可在市場上買到的三維（3D）打印系統(tǒng)提供陶瓷打印。用激光將粉末床熔化。所有這些技術都受制于緩慢的制造速度，并且在許多情況下還受到耗時的粘合劑去除過程的限制。從粉末開始，固結到致密的部分幾乎是無法克服的挑戰(zhàn)，并且殘留的孔隙率通常是不可避免的。此外，許多增材加工會引入較大的熱梯度，這會導致陶瓷破裂。氣孔、裂紋和不均勻性是造成增材制造的陶瓷零件強度低和可靠性差的原因。

既是優(yōu)勢也是挑戰(zhàn)，陶瓷獨特的特性是把雙刃劍
陶瓷通常是出色的電絕緣體和絕熱體，當面對許多化學物質和溫度時，它們是堅硬、堅固、生物相容和堅固的。這些獨特的性能意味著陶瓷可以在許多不同的應用中幫助改善生活質量，節(jié)省能源，減少磨損并延長組件的使用壽命。但是，這些特性通常由于材料內部的應力還可能導致3D打印過程中某個階段發(fā)生變形和裂縫。

小型氧化鋯支柱中形狀記憶效應的證明。圖片來源：Science，2013年

該計算機生成的圖像顯示了陶瓷材料的原子尺度共混如何在機械拉伸過程中使共混陶瓷的晶體結構變形。

盡管AM在其他材料上已逐漸成為主流，但AM對陶瓷卻不是很了解。到目前為止，它主要用于生產少量的非常細小的小于幾厘米的物體。例如2016年Science報道了Eckel等人開發(fā)了一種使用3D打印或立體光刻法將特定的陶瓷前體單體圖案化為復雜、彎曲和多孔形狀的方法（如下圖）。

圖片來源：HRL實驗室

爭對目前3D打印陶瓷較大的物體容易開裂的現狀，來自埃因霍芬理工大學（TU / e）的博士學位候選人Steyn Westbeek開發(fā)了一個模型，以幫助實現更大的陶瓷物體的增材制造。該研究是更大的研究項目的一部分，與應用科學研究中心TNO和TU / e高科技系統(tǒng)中心其他博士候選人一起，研究陶瓷的整個打印過程，包括層沉積以及改進3D打印機的概念和控制。

Westbeek創(chuàng)建了3D打印機內部物理過程的模型，以幫助增進對陶瓷3D打印的理解，并可以打印更大的物體。陶瓷增材制造過程分為兩個步驟：首先，將非常薄的一層陶瓷粉末和一種粘結劑的混合物鋪下來，然后在每一層之間用紫外線將其硬化，這將創(chuàng)建對象的最終形狀。其次，將物體在烤箱中加熱以去除粘合劑，就像烘烤粘土雕塑一樣。

預測硬化階段出了什么問題
Westbeek主要關注UV硬化階段，在該階段粘合劑/粉末混合物變成固體。硬化步驟可能是材料應力的來源。該模型包括打印機設置，例如UV光源的特性和粘合劑的屬性，以及諸如硬化過程中光從陶瓷粉末上彈起，物體內部溫度升高等過程。有了這些知識，就可以更改3D打印過程，以確保它最適合您要打印的形狀。這減少了許多不同的問題，例如壁過厚，物體過熱，硬化太少或不均勻，最后產生了會導致裂紋和不希望有的變形的應力。這種新的理解是印刷復雜形狀和大面積陶瓷的重要一步。

Steyn Westbeek