FGK研究中心：擴(kuò)大與AIM3D在陶瓷AM研究方面的合作伙伴關(guān)系

3D 打印工藝在玻璃和陶瓷領(lǐng)域越來越重要，可以成為傳統(tǒng)鑄造工藝的一種替代方法。自 2021 年以來，位于 Hoehr-Grenzhausen 的 FGK（Forschungsinstitut für Glas/Keramik）一直在使用AIM3D 的 ExAM 255 CEM 3D 打印系統(tǒng)進(jìn)行研究。增材制造在評估陶瓷試樣中具有時(shí)間和成本優(yōu)勢，它還支持更多的材料組合，比如技術(shù)陶瓷等。



CEM工藝作為一種3D打印方法，建立在更傳統(tǒng)的 CIM 工藝（陶瓷注射成型）之上。這種工藝節(jié)省了大量時(shí)間并顯著降低了成本，已經(jīng)應(yīng)用在原型制作中和材料測試中，可以更快地評估新的陶瓷材料。

陶瓷多組分技術(shù)
項(xiàng)目工程師 Murat Demirtas 解釋說：“AIM3D 的CEM工藝的真正魅力在于它的靈活性。ExAM 255 多材料打印機(jī)可以使用陶瓷/陶瓷、陶瓷/聚合物或陶瓷/金屬的組合，擴(kuò)展了多種材料類型，能夠?qū)崿F(xiàn)功能設(shè)計(jì)�！�

具體來說，可以在單個(gè)組件中使用不同陶瓷的組合或其他材料，以獲得某些力學(xué)特性和外觀。研究人員還可以先使用CIM工藝生產(chǎn)大型底座，然后使用CEM工藝打印較小的打印組件。


△FGK 的項(xiàng)目工程師 Murat Demirtas 在實(shí)驗(yàn)室評估測試樣本。

用于電絕緣的陶瓷和用于導(dǎo)電的金屬材料也十分具有優(yōu)勢。這允許 MID（多集成設(shè)備）方法，提高組件的性能。更改晶粒的尺寸大小可以獲得表面特性，還有某些化學(xué)（介質(zhì)電阻）、電氣（電導(dǎo)率系數(shù)）或熱（耐溫）特性，這得益于混合材料和混合制造解決方案，可以說，使用CEM工藝的3D打印開辟了多種可能性。


△在 ExAM 255 上打印的 Al2O3（氧化鋁）材料

通過 FEA 設(shè)計(jì)陶瓷組件
3D 組件的設(shè)計(jì)已經(jīng)是數(shù)字流程鏈的一部分。3D組件的原始幾何形狀在迭代過程中使用有限元分析 (FEA) 進(jìn)行優(yōu)化，并連續(xù)模擬組件內(nèi)的應(yīng)力區(qū)。此外，由于熱過程導(dǎo)致的陶瓷收縮會(huì)造成3D組件的變形，所以3D打印原始模型的設(shè)計(jì)尤為重要。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是重要的一環(huán)，可以使用晶格結(jié)構(gòu)來減輕重量，同時(shí)保證一定的強(qiáng)度。Murat Demirtas說：“有限元分析工具使設(shè)計(jì)組件成為可能，使其特別適合所需的應(yīng)用�！�

3D 打印技術(shù)陶瓷的優(yōu)勢
●AIM3D 的 CEM 工藝使用傳統(tǒng)的顆粒或粉末，與細(xì)絲相比具有很高的成本效益。對于原料，總成本最多可降低10倍。此外，具有不同密度的仿生結(jié)構(gòu)已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，與傳統(tǒng)的 CIM 工藝相比，打印出的部件中的應(yīng)力也減少了很多。

●在現(xiàn)有技術(shù)下，產(chǎn)品可以變得更輕，材料也更少。與銑削或鑄造相比，減少資源消耗是3D打印工藝的明顯優(yōu)勢。此外，3D打印可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝無法生產(chǎn)的幾何形狀，例如特殊底切或仿生設(shè)計(jì)。

●另一個(gè)顯著優(yōu)勢是“一次性技術(shù)”方法：即使集成了某些功能，也無需組裝即可連續(xù)構(gòu)建組件。因此，可以通過再造技術(shù)，利用3D打印優(yōu)化傳統(tǒng)組件。FGK 進(jìn)行的研究包羅萬象：從材料研究，到旨在減少組件應(yīng)力的拓?fù)鋬?yōu)化，再到功能增強(qiáng)和集成，以及表面質(zhì)量（孔隙率）的定制。


△FGK 能力中心負(fù)責(zé)人 Marcus Emmel 博士

FGK 的研究



FGK 研究所使用各種工藝技術(shù)（包括 CEM 工藝）進(jìn)行材料分析，目的是進(jìn)一步開發(fā)陶瓷的性能。該研究所還代表工業(yè)公司提供材料服務(wù)和整個(gè)過程鏈的咨詢服務(wù)。因此，F(xiàn)GK 是原材料生產(chǎn)商、機(jī)器制造商和加工業(yè)之間的促進(jìn)者。

陶瓷部件由于其生物相容性和強(qiáng)度而在醫(yī)療植入物中發(fā)揮重要作用，例如開孔結(jié)構(gòu)特別適合在組織中吸收。具有變密度的結(jié)構(gòu)可節(jié)省材料和重量并產(chǎn)生所需的楊氏模量。陶瓷部件的核心應(yīng)用領(lǐng)域是技術(shù)陶瓷。根據(jù)應(yīng)用的不同，陶瓷溶液可以具有以下特性：耐熱性遠(yuǎn)超過 1000 °C、電絕緣、高介電常數(shù)、高耐磨性和耐磨性、硬度可變、熱導(dǎo)率可變、低密度甚至低熱膨脹等。

應(yīng)用領(lǐng)域包括，例如，加熱元件、火花塞、高壓元件、電子電路、高容量陶瓷電容器、滑動(dòng)表面、用于激光和水射流切割的噴嘴（切割噴嘴）、泵中的滑動(dòng)軸承、活塞和氣缸、粉末涂層金屬表面、滾珠軸承、用作切削材料（切削陶瓷）、機(jī)械加工、化學(xué)工業(yè)中的泵涂層以及醫(yī)療技術(shù)中提到的植入物。非技術(shù)（傳統(tǒng)）陶瓷也很重要，例如，在實(shí)用陶瓷（包括瓷器）、瓷磚或衛(wèi)生用品領(lǐng)域，但是，這些材料通常使用其他大尺寸AM技術(shù)處理，例如 LFAM（用于混凝土)、氣動(dòng)擠壓（用于瓷器和粘土）或粘合劑噴射（用于沙子）。