沈陽自動化所在陶瓷增材制造技術領域取得新進展

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新領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）零件的成型質量；發(fā)現(xiàn)前驅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，結構陶瓷和功能陶瓷廣泛應用于航空航天、電子科技、生物醫(yī)療等領域。增材制造技術使得陶瓷產品多樣化、復雜化、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品的關鍵因素。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，進一步提出結合漿料參數(shù)與設備參數(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備，能夠形成一條基于數(shù)字光固化成型的陶瓷產品制備的工藝鏈，自主研發(fā)和設計不同復雜形狀的陶瓷零件。

△多孔且具備復雜和簡單結構的氧化鋁陶瓷

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)的以陶瓷粉末燒結為原理的增材制造工藝，先驅體陶瓷增材制造技術是將有機高分子先驅體材料通過激光光束照射，經過“固化交聯(lián)”和“高溫熱裂解”等過程，最終轉化為無機陶瓷。整個工藝過程是一個由“有機的液態(tài)的高分子先驅體材料”轉化為“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)結構功能一體化特殊需求的陶瓷構件制造，具有廣闊的應用前景。

△制備的先驅體陶瓷試樣

△先驅體陶瓷制備流程