可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜航空航天結(jié)構(gòu)的陶瓷3D打印技術(shù)未來(lái)前景如何？

南極熊導(dǎo)讀：航空航天行業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)新和高效解決方案，3D打印技術(shù)成為理想選擇。根據(jù)研究報(bào)告，航空航天和國(guó)防市場(chǎng)對(duì)3D打印的需求不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)增長(zhǎng)率將超過(guò)24%。增材制造技術(shù)帶來(lái)了許多優(yōu)勢(shì)，如生產(chǎn)輕量、高強(qiáng)度、復(fù)雜的零件，設(shè)計(jì)自由度，減少原材料浪費(fèi)，提高成本和資源效率。這些變化將推動(dòng)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

△3D打印陶瓷部件示例

2023年5月15日，南極熊獲悉，奧地利制造商Lithoz專(zhuān)注于陶瓷3D打印技術(shù)，通過(guò)光刻陶瓷制造（LCM）技術(shù)滿(mǎn)足工業(yè)和航空航天應(yīng)用對(duì)復(fù)雜零件的高要求。它在2022年實(shí)現(xiàn)了陶瓷3D打印解決方案收入翻倍，表明醫(yī)療和航空航天等多個(gè)行業(yè)市場(chǎng)對(duì)該技術(shù)表現(xiàn)出了興趣。

△陶瓷基材料具有耐高溫的特性

在航空航天應(yīng)用中使用陶瓷的好處

根據(jù)“3D打印陶瓷2022-2032：技術(shù)和市場(chǎng)展望”的研究報(bào)告指出，陶瓷3D打印市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)將顯著增長(zhǎng)，到2023年預(yù)計(jì)達(dá)到4億美元（約為27億人民幣）。

航空航天、國(guó)防、牙科和化學(xué)工程等行業(yè)對(duì)陶瓷3D打印用于生產(chǎn)小批量零件表現(xiàn)出了興趣。陶瓷因卓越的性能，在航空航天工業(yè)中備受關(guān)注，如高耐熱性、抗氧化性、耐磨性和機(jī)械穩(wěn)定性。這使得陶瓷成為在極端條件下高效使用的理想材料，尤其是在高應(yīng)力環(huán)境下的部件。一些高級(jí)陶瓷材料如氧化鋁、氮化硅、碳化硅和氧化鋯也備受關(guān)注。通過(guò)3D打印技術(shù)，甚至可以制造超高溫陶瓷。

在航空航天工業(yè)中，陶瓷可逐漸取代傳統(tǒng)材料如金屬等。雖然金屬仍然是常用材料，但在某些應(yīng)用中受到限制。陶瓷提供了可行的解決方案，減少磨損率。結(jié)合3D打印制造技術(shù)，陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)更精細(xì)的零件制造。

△3D打印的氣塞發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴

以L(fǎng)ithoz公司在航空航天領(lǐng)域的LCM技術(shù)舉例，使用氮化硅制造了3D打印氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，展示了先進(jìn)陶瓷卓越性能的典型應(yīng)用。這些噴嘴經(jīng)過(guò)所有壓力測(cè)試，證明它們能夠承受顯著的熱沖擊，即使在超過(guò)1200°C的高溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定。

△Lithoz的CeraFab系列3D打印機(jī)器

使用LCM技術(shù)的高分辨率和復(fù)雜性

Lithoz的光刻陶瓷制造（LCM）技術(shù)基于光聚合原理，通過(guò)CeraFab 3D打印機(jī)將陶瓷漿料分布到透明的液槽中。利用數(shù)字微鏡設(shè)備和先進(jìn)的投影系統(tǒng)，逐層生成生胚對(duì)象，并進(jìn)行后續(xù)熱處理和燒結(jié)，得到高密度的耐用陶瓷組件。

該技術(shù)具有高度的曝光精度，可在整個(gè)構(gòu)建平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一致性和準(zhǔn)確性，使得制造復(fù)雜微結(jié)構(gòu)成為可能。Lithoz目前提供多種不同的CeraFab 3D打印解決方案，每個(gè)都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如CeraFab S65專(zhuān)為高分辨率精度達(dá)到25μm而設(shè)計(jì)。

Lithoz的技術(shù)不僅適用于小批量生產(chǎn)，還可用于大規(guī)模生產(chǎn)。例如，Steinbach AG使用Lithoz的CeraFab系統(tǒng)解決方案進(jìn)行大量生產(chǎn)手術(shù)導(dǎo)管。該管件的復(fù)雜設(shè)計(jì)需要使用增材制造技術(shù)從原型制作到最終生產(chǎn)。Steinbach每年能夠生產(chǎn)1.2萬(wàn)個(gè)零件，證明了3D打印技術(shù)在擴(kuò)大到批量生產(chǎn)方面的有效性。

△左邊是射頻濾波器，右邊是3D打印的陶瓷諧振器。諧振器可以打印成不同的尺寸

使用陶瓷3D打印實(shí)現(xiàn)航空航天優(yōu)化結(jié)構(gòu)

將陶瓷的特性與3D打印的靈活性相結(jié)合，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢(shì)。通過(guò)陶瓷3D打印，可以精確定制設(shè)計(jì)、修改結(jié)構(gòu)以及添加特定功能，滿(mǎn)足復(fù)雜零件的需求。其中一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是為航空航天創(chuàng)建RF濾波器。這些濾波器對(duì)于提高信號(hào)質(zhì)量、減少干擾至關(guān)重要。陶瓷3D打印可以創(chuàng)造各種形狀、順序和帶寬的高度工程化的諧振器，并將其集成到單個(gè)組件中，從而優(yōu)化性能、可靠性和耐久性。

陶瓷作為材料具備理想特性，能夠滿(mǎn)足航空航天工業(yè)中對(duì)高頻段可靠通信的要求。其高性能和可靠性使其適用于惡劣環(huán)境，并且可以實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化，減輕重量。此外，陶瓷過(guò)濾器在溫度和時(shí)間方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，確保長(zhǎng)期可靠性和一致性的性能。這些特點(diǎn)使得陶瓷3D打印在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，并為專(zhuān)業(yè)的3D打印人群帶來(lái)了新的研究和發(fā)展機(jī)遇。

△具有致密到多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷3D打印樣件，可適用于各種領(lǐng)域的應(yīng)用，例如催化劑、過(guò)濾器或骨骼植入物等應(yīng)用

如何控制陶瓷部件的微觀結(jié)構(gòu)

Lithoz表示，它的陶瓷3D打印解決方案在更復(fù)雜的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率，超越了其他傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制。該公司的LCM技術(shù)還具備多材料3D打印和功能分級(jí)陶瓷的能力。通過(guò)其雙缸系統(tǒng)，可以在每一層使用不同的材料，實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的氧化鋁零件和單個(gè)零件內(nèi)的致密和多孔梯度。這種增材制造的應(yīng)用提高了陶瓷部件的性能和復(fù)雜性，為航空航天工業(yè)帶來(lái)了新的研究可能性。