奧地利制造商Lithoz推動(dòng)陶瓷增材制造在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展！

導(dǎo)讀：航空航天領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，亟需能夠提供創(chuàng)新和高效解決方案的新技術(shù)，增材制造技術(shù)已經(jīng)成為航空航天應(yīng)用的理想解決方案之一。根據(jù) Research and Markets 的一份報(bào)告可知，2021年航空航天和國(guó)防市場(chǎng)的3D打印價(jià)值約為19億美元，預(yù)計(jì)2022年至2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將超過(guò)24%。可以說(shuō)，增材技術(shù)正在為航空航天領(lǐng)域帶來(lái)重大變革，使用增材制造技術(shù)能夠生產(chǎn)更輕、更強(qiáng)、更復(fù)雜的零件，提高設(shè)計(jì)自由度，并具備將多個(gè)零件組合成一個(gè)單元的整合能力，減少昂貴原材料的浪費(fèi)，以及成本和資源效率。



使用3D打印技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行創(chuàng)新，最成功的當(dāng)屬陶瓷材料。陶瓷材料已被證明具有滿足工業(yè)需求和航空航天應(yīng)用所需的高標(biāo)準(zhǔn)。奧地利制造商Lithoz是專(zhuān)注于陶瓷增材制造的公司之一，開(kāi)發(fā)了用于高分辨率復(fù)雜零件的基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 技術(shù)。南極熊獲悉，Lithoz在2022年在陶瓷3D打印解決方案方面的銷(xiāo)售額和營(yíng)業(yè)額翻了一番，表明醫(yī)療以及航空航天等多個(gè)行業(yè)對(duì)3D打印的興趣在持續(xù)增長(zhǎng)。


△3D 打印陶瓷部件

航空航天領(lǐng)域面臨的問(wèn)題
更快、更簡(jiǎn)單、更具成本效益是航空航天領(lǐng)域追求的原則，其零件面臨的最大挑戰(zhàn)不僅包括極端負(fù)載，還包括加熱和過(guò)熱。例如，渦輪葉片的移動(dòng)速度使其產(chǎn)生的熱量高于制造它們的金屬所產(chǎn)生的熱量，用傳統(tǒng)制造工藝進(jìn)行制造會(huì)產(chǎn)生一定的問(wèn)題。除了承受過(guò)熱，許多零件而且還必須能夠承受?chē)?yán)寒，因?yàn)樘�空中的外部溫度�?huì)迅速下降到 – 200 °C 左右。這時(shí)，航空航天部門(mén)需要一種傳統(tǒng)制造工藝替代方案，使得不同的極端條件對(duì)部件的性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

但陶瓷 3D 打印如何消除這些障礙呢？陶瓷以其耐熱性、機(jī)械性能等特性以及用于生產(chǎn)最高質(zhì)量的精細(xì)部件而聞名。因此，增材制造可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的形狀，同時(shí)降低成本和縮短交貨時(shí)間，這是傳統(tǒng)制造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。所以，陶瓷 3D 打印是航空航天這樣要求苛刻的行業(yè)的理想解決方案。Lithoz 通過(guò)開(kāi)發(fā)具有最佳性能的氮化硅 (Si3N4) 迅速定位于該市場(chǎng)，例如即使在高溫下也具有巨大的強(qiáng)度、對(duì)意外溫度變化的出色抵抗力以及巨大的硬度。



在航空航天應(yīng)用中使用陶瓷的好處

有相關(guān)市場(chǎng)報(bào)告強(qiáng)指出，陶瓷3D打印的市場(chǎng)價(jià)值顯著增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2023年將達(dá)到4億美元。報(bào)告稱(chēng)，航空航天、國(guó)防、牙科和化學(xué)工程行業(yè)對(duì)用于生產(chǎn)小批量零件的陶瓷制造最感興趣。陶瓷因其卓越的性能（例如高耐熱性、抗氧化性和耐磨性以及機(jī)械和尺寸穩(wěn)定性）而受到航空航天工業(yè)的關(guān)注。這使得陶瓷非常高效并適合在極端條件下使用，尤其是承受高應(yīng)力的情況下，這使其成為下一代航天器構(gòu)造的理想材料。

這里，南極熊特別強(qiáng)調(diào)，我們所說(shuō)的陶瓷指的是“先進(jìn)陶瓷材料”或“技術(shù)陶瓷”，它們具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、優(yōu)良的熱絕緣和電絕緣等顯著性能，例如氧化鋁 (Al2O3)、氮化硅 (Si3N4)、碳化硅 (SiC) 和氧化鋯 (ZrO2)。通過(guò) 3D 打印，可以加工超高溫陶瓷 (UHTC)，其材料特性在該行業(yè)極為搶手。

陶瓷甚至取代了航空航天工業(yè)中使用的一些更傳統(tǒng)的材料，例如金屬。雖然金屬是航空航天工業(yè)中最常用的材料，但它們?cè)谀承��?yīng)用中的使用也受到限制。為了制造更高效的空間推進(jìn)器、減少空間碎片或開(kāi)發(fā)更精確、更復(fù)雜的型芯，人們開(kāi)始尋找替代材料。陶瓷現(xiàn)在為這些問(wèn)題提供了切實(shí)可行的解決方案。此外，結(jié)合增材制造，可以制造精度更高的零件。

因此，陶瓷3D打印在航空航天領(lǐng)域具有巨大的潛力，Lithoz的LCM技術(shù)的各種應(yīng)用就可以證明。Lithoz采用氮化硅制成了3D打印氣動(dòng)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，成功通過(guò)了所有壓力測(cè)試，能夠承受顯著的熱沖擊，即使在超過(guò)1200 °C的溫度下也是如此。


△3D打印的氣塞發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴

使用 LCM 技術(shù)的高分辨率和復(fù)雜性
在陶瓷行業(yè)中，高精度和復(fù)雜性十分關(guān)鍵，因?yàn)橐粋�(gè)小缺陷可能導(dǎo)致零件完全失效，進(jìn)而影響應(yīng)用。Lithoz十分注意這一問(wèn)題，現(xiàn)在已經(jīng)能夠改進(jìn)其技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤的零容忍。

Lithoz 的光刻陶瓷制造 (LCM) 技術(shù)基于光聚合。CeraFab 3D 打印機(jī)將裝有陶瓷的液體（漿料）分配到透明的大桶中。打印平臺(tái)從上到下移動(dòng)，并有選擇地進(jìn)行曝光，設(shè)備中使用數(shù)字微鏡設(shè)備 (DMD) 和最先進(jìn)的投影系統(tǒng)，生成分層圖像，逐層創(chuàng)建素坯。然后進(jìn)行熱后處理以去除粘合劑并燒結(jié)組件，從而產(chǎn)生堅(jiān)固耐用的高密度陶瓷組件。此過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)表面區(qū)域同時(shí)曝光，也就是說(shuō)無(wú)論零件打印在平臺(tái)的哪個(gè)位置，零件都可以在整個(gè)構(gòu)建板上以一致和準(zhǔn)確的方式進(jìn)行復(fù)制。因此，正是這種曝光精度使得獲得極其復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)成為可能。

Lithoz 目前在市場(chǎng)上有八種不同的 3D 打印解決方案，CeraFab 機(jī)器的各種型號(hào)，各具有自己的獨(dú)特特殊優(yōu)勢(shì)——例如，CeraFab S65 專(zhuān)為精確到 25µm 的高分辨率而設(shè)計(jì)。Lithoz 的技術(shù)現(xiàn)在不僅用于小批量生產(chǎn)，還用于大規(guī)模生產(chǎn)。例如，Steinbach AG 使用 Lithoz 的 CeraFab 系統(tǒng)解決方案來(lái)批量生產(chǎn)手術(shù)管。管子的復(fù)雜設(shè)計(jì)需要使用增材制造從原型制作到最終生產(chǎn)。Steinbach 每年能夠生產(chǎn) 12,000 個(gè)零件，這證明了增材制造在將生產(chǎn)擴(kuò)大到批量生產(chǎn)方面的有效性。


△Lithoz 的 CeraFab 3D 打印系列

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)合的可能性是在航空航天領(lǐng)域使用該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一。能夠精確地定制組件的設(shè)計(jì)、修改其結(jié)構(gòu)甚至添加特定功能，是業(yè)內(nèi)人士在生產(chǎn)復(fù)雜零件時(shí)所尋求的。這方面的一個(gè)實(shí)際例子是為航空航天應(yīng)用創(chuàng)建 RF 濾波器。RF 濾波器是至關(guān)重要的電子電路，可提高信號(hào)質(zhì)量并最大限度地減少衛(wèi)星通信、雷達(dá)和航空電子設(shè)備等通信系統(tǒng)中的干擾。陶瓷 3D 打印允許創(chuàng)建具有各種形狀、順序和帶寬的高度工程化的諧振器，這些諧振器可以集成到單個(gè)組件中，從而優(yōu)化性能、可靠性和耐用性。


△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。

為什么要用陶瓷 3D 打印它們？在航空航天工業(yè)中，RF 濾波器在確保高頻段的可靠和準(zhǔn)確通信方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于它們必須承受惡劣的環(huán)境條件，因此這些過(guò)濾器必須具有高性能并滿足嚴(yán)格的可靠性和性能要求。陶瓷的理想材料特性使其非常適合滿足這些要求，同時(shí)還可以輕松實(shí)現(xiàn)這些過(guò)濾器的小型化以減輕重量——這是航空航天應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵因素。最重要的是，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)期可靠和一致的性能。

控制陶瓷部件的微觀結(jié)構(gòu)
Lithoz 陶瓷3D打印解決方案能夠更精確地控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率，為更復(fù)雜的應(yīng)用提供顯著優(yōu)勢(shì)，這是目前可用的任何其他AM或傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限性。借助 Lithoz 的 LCM 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多材料 3D 打印和功能分級(jí)陶瓷也可以實(shí)現(xiàn)。多材料 LCM 打印機(jī)，不僅可以將一種材料分配給任何所需的層，還可以通過(guò)將相應(yīng)的材料分配給層圖像的選定像素來(lái)在每一層中使用不同的材料。例如，Lithoz 和 Fraunhofer IGD 使用高度復(fù)雜的氧化鋁制造零件，并在單個(gè)零件內(nèi)定義致密和多孔梯度。


△具有致密到多孔漸變的演示部件，適用于各種領(lǐng)域的應(yīng)用，例如催化劑、過(guò)濾器或骨骼結(jié)構(gòu)

Lithoz 生產(chǎn)更輕的飛機(jī)渦輪機(jī)型芯
渦輪機(jī)機(jī)對(duì)飛機(jī)飛行至關(guān)重要。渦輪機(jī)內(nèi)部最重要的部件之一是型芯，傳統(tǒng)上是通過(guò)熔模鑄造制造的。然而，這里出現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：使用傳統(tǒng)的注塑成型芯，結(jié)合多葉片、復(fù)雜和狹窄的冷卻元件的可能性是有限的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，不僅代價(jià)高昂，而且還會(huì)帶來(lái)安全隱患。如何在不增加成本的情況下更高效、更創(chuàng)新地制造型芯？



通過(guò)增材制造的無(wú)工具制造方法不僅可以避免高成本和巨大的額外工作量，而且 LCM 技術(shù)還可以加快生產(chǎn)速度。因此，可以在短時(shí)間內(nèi)制作原型和系列產(chǎn)品，從而顯著縮短上市時(shí)間。型芯的精度至少為 200 µm，即使對(duì)于具有后緣等特征的復(fù)雜形狀也是如此，并且尺寸可達(dá) 30 cm。使用Lithoz專(zhuān)有的 CeraFab 系統(tǒng)，Lithoz 甚至生產(chǎn)了多個(gè)尺寸為 500 mm的陶瓷型芯，從而展示了用于工業(yè)生產(chǎn)陶瓷型芯的能力。

Lithoz 目前在航空航天領(lǐng)域從事哪些科研項(xiàng)目？
Lithoz 積極參與航空航天領(lǐng)域相關(guān)的項(xiàng)目：Lithoz與來(lái)自Poitiers（法國(guó)）、FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH（奧地利）和University of Applied Sciences Wiener Neustadt GmbH（奧地利）的研究人員一起，共同研究了打印整體陶瓷催化劑與傳統(tǒng)生產(chǎn)的催化劑的不同和優(yōu)勢(shì)。研究人員提出，二者在高濃度過(guò)氧化氫的分解方面，尤其是孔隙率因素中有很大差異。一般來(lái)說(shuō)，打印結(jié)構(gòu)的孔隙率比傳統(tǒng)工藝制造的結(jié)構(gòu)的孔隙率大得多，隨著孔隙率的提高，瞬態(tài)溫度行為也會(huì)得到改善，這一研究發(fā)現(xiàn)將有望推動(dòng)陶瓷3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展。