沈陽自動化所在陶瓷增材制造技術(shù)領(lǐng)域取得新進展

來源： 沈陽自動化研究所

近日，中國科學院沈陽自動化研究所在陶瓷增材制造技術(shù)新領(lǐng)域取得新的研究成果，提出了一種光固化數(shù)學模型，用于分析研究立體光刻（SLA）零件的成型質(zhì)量；發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體陶瓷漿料在增材制造過程中存在固化缺陷，并提出了改善方法。該研究成果發(fā)表于JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY。

陶瓷作為材料界的新秀，結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷廣泛應(yīng)用于航空航天、電子科技、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。增材制造技術(shù)使得陶瓷產(chǎn)品多樣化、復(fù)雜化、多功能化和高性能化，但是增材制造過程中的光固化缺陷是影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。以往的研究僅是局限于材料與激光之間的相互作用，而整體光固化的固化區(qū)域布局和缺陷分布規(guī)律未曾被研究，其中牽涉到陶瓷漿料的單點光固化數(shù)學模型更沒有被提出。

沈陽自動化所工藝裝備與智能機器人研究室提出一種光固化數(shù)學模型，用于分析在不同點搭接率、線搭接率和面搭接率下，零件整體光固化中不同固化質(zhì)量布局和缺陷形成規(guī)律；通過實驗驗證的方法，進一步提出結(jié)合漿料參數(shù)與設(shè)備參數(shù)相匹配的方法，從而改善陶瓷增材制造過程中的缺陷問題。

目前，沈陽自動化所擁有了國內(nèi)先進的陶瓷增材制造能力，具備高精度成型的立體光刻工藝、材料熱重分析儀器、溫控精準的1700度高溫電爐和真空脫脂爐等設(shè)備，能夠形成一條基于數(shù)字光固化成型的陶瓷產(chǎn)品制備的工藝鏈，自主研發(fā)和設(shè)計不同復(fù)雜形狀的陶瓷零件。

△多孔且具備復(fù)雜和簡單結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷

早在2020年，中國科學院沈陽自動化研究所就曾與遼寧大學合作開發(fā)了一種基于陶瓷先驅(qū)體材料，采用“固化交聯(lián)-高溫裂解”一體化增材制造工藝，成功制備出功能陶瓷試樣。

不同于傳統(tǒng)的以陶瓷粉末燒結(jié)為原理的增材制造工藝，先驅(qū)體陶瓷增材制造技術(shù)是將有機高分子先驅(qū)體材料通過激光光束照射，經(jīng)過“固化交聯(lián)”和“高溫熱裂解”等過程，最終轉(zhuǎn)化為無機陶瓷。整個工藝過程是一個由“有機的液態(tài)的高分子先驅(qū)體材料”轉(zhuǎn)化為“無機的固態(tài)陶瓷材料”，實現(xiàn)了有機物制備無機陶瓷材料，可以實現(xiàn)復(fù)雜陶瓷零件的一體化制造，兼顧精度、效率和成本。

隨著航空航天、核電等行業(yè)發(fā)展，對于陶瓷基陶瓷復(fù)合材料部件的需求日益強烈。傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝存在著制備溫度高，成型困難，加工性差，組織不均勻等問題。先驅(qū)體陶瓷增材制造工藝不僅可以實現(xiàn)控形控性、快速制造，還可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化特殊需求的陶瓷構(gòu)件制造，具有廣闊的應(yīng)用前景。

△制備的先驅(qū)體陶瓷試樣

△先驅(qū)體陶瓷制備流程