Desktop Metal利用粘合劑噴射技術(shù)優(yōu)化功能陶瓷部件生產(chǎn)，效率較LPBF提升100倍

導(dǎo)讀：增材制造已成為制造功能陶瓷部件最有效的方法之一。作為一種材料組，功能陶瓷具有出色的硬度和耐高溫性，以及出色的耐腐蝕和耐磨性。然而，這些相同的特性也成為傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝加工面臨的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些材料難以切割和成型，并且需要比鈦更高的溫度才能熔化。因此，增材制造（尤其是粘合劑噴射）技術(shù)為那些尋求利用功能陶瓷有益特性的人們提供了新的機(jī)會，從研發(fā)到航空航天、常規(guī)制造等行業(yè)，同時(shí)仍能保持高效的生產(chǎn)周期和成本。

2024年8月14日，南極熊獲悉，桌面金屬（Desktop Metal）基于其專利的 Triple ACT粘合劑噴射解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)各種材料的加工處理，從復(fù)合材料和金屬到最堅(jiān)硬的功能陶瓷，如碳化硅 (SiC) 和碳化鎢鈷 (WC-Co)。該技術(shù)還以其快速的打印速度而聞名（能夠以比 LPBF 系統(tǒng)快 100 倍的速度生產(chǎn)零件），并且可以打印具有嚴(yán)格公差的復(fù)雜幾何形狀（尺寸公差低于 1%，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行）。

在本文中，我們將進(jìn)一步探討粘合劑噴射對功能陶瓷生產(chǎn)的好處，并通過與 TECNALIA 和 SENER Aerospacial 合作開展的航空航天行業(yè)案例研究以及依賴該公司陶瓷粘合劑噴射解決方案的其他用例來說明 Desktop Metal 先進(jìn)的陶瓷粘合劑噴射能力。

用于太空應(yīng)用的碳化硅 (Si-SiC)

TECNALIA 是一家位于西班牙的歐洲基準(zhǔn)研究和技術(shù)開發(fā)中心，已成為 Desktop Metal 在功能陶瓷粘合劑噴射方面的重大合作伙伴。該中心由一支對陶瓷等先進(jìn)材料有深入了解的團(tuán)隊(duì)運(yùn)營，受邀支持工程公司 SENER Aerospacial 和歐洲航天局 (ESA) 開發(fā)優(yōu)化的衛(wèi)星光學(xué)支架。

△針對增材制造進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)使質(zhì)量減少了 15%，而采用粘合劑噴射進(jìn)行優(yōu)化的生產(chǎn)使最終拋光時(shí)間減少了 35%。

雙方此次合作的目的是找到一種生產(chǎn)工藝，使制造出的部件能夠承受太空的惡劣條件，提供高尺寸精度、高熱膨脹系數(shù) (CTE) 和整體堅(jiān)固的機(jī)械性能。最重要的是，航空航天合作伙伴希望盡量減輕部件的重量，以降低有效載荷的成本。因此，碳化硅 (SiC) 是一種由硅和碳的化合物制成的堅(jiān)硬而輕質(zhì)的功能陶瓷，是該應(yīng)用的不二之選。

盡管如此，由于碳化硅材料硬度極高，傳統(tǒng)的制造工藝在嘗試成型時(shí)會面臨挑戰(zhàn)。TECNALIA項(xiàng)目經(jīng)理兼小組組長 Iñigo Agote 博士表示：“使用冷成型和燒結(jié)等更傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝時(shí)，形狀復(fù)雜程度會受到限制。如果幾何形狀復(fù)雜，零件需要最終加工，而加工碳化硅等陶瓷是一項(xiàng)艱難而昂貴的過程�！�

因此，人們開始探索增材制造作為形成 SiC 部件的一種選擇，最終發(fā)現(xiàn)粘合劑噴射是最可行的工藝。這是因?yàn)樵谔幚?SiC 時(shí)，粘合劑噴射不會面臨與其他增材制造工藝相同的問題。例如，需要固化的技術(shù)（如SLA）不適合 SiC，因?yàn)榉勰┑纳钌�不會通過紫外線固化，而基于激光的工藝不可行，因?yàn)槿刍�材料需要高溫�?/div>

Triple ACT 粘合劑噴射技術(shù)

隨著粘合劑噴射技術(shù)被確立為明確的前進(jìn)方向，TECNALIA 開始使用Desktop Metal 的 InnoventX 系統(tǒng)來確定最佳的 SiC 粉末和工藝控制，這是一種自 2016 年以來就已投放市場的緊湊型系統(tǒng)。InnoventX 是 Desktop Metal X 系列的一部分，基于該公司獲得專利的 Triple ACT 粘合劑噴射技術(shù)。

Triple ACT（先進(jìn)壓實(shí)技術(shù)）是一種粘合劑噴射方法，可以加工多種優(yōu)質(zhì)材料，從鋁和銅到金屬陶瓷，再到SiC 等功能陶瓷。這種多功能性是通過使用多種技術(shù)來解決粉末分配、鋪展和壓實(shí)問題，從而促進(jìn)薄而均勻的粉末層的沉積而實(shí)現(xiàn)的。

Triple ACT 技術(shù)的第一步是獨(dú)特的分配過程，該過程采用料斗設(shè)計(jì)，配有超聲波振動分配篩，可確保整個(gè)打印床上的粉末劑量可控。該篩還可以根據(jù)不同流動性水平的粉末進(jìn)行調(diào)整（即較細(xì)的粉末流動性較差，而較粗的粉末流動性好但燒結(jié)難度更大）。第二步是鋪展，由具有獨(dú)特滾花設(shè)計(jì)的滾筒進(jìn)行，該滾筒將粉末均勻地鋪在打印床上，而不會壓實(shí)。最后，Desktop Metal 開發(fā)了一種壓實(shí)滾筒，可將粉末顆粒壓在一起，而不會影響下面的層，也不會移動均勻鋪展的粉末。

雖然 InnoventX 非常適合材料開發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)，但一旦應(yīng)用程序準(zhǔn)備好擴(kuò)展，Desktop Metal 的 X 系列中還有其他系統(tǒng)可以滿足更高的生產(chǎn)需求。具體來說，X25 Pro 是一款中型粘合劑噴射系統(tǒng)，構(gòu)建尺寸為 400 x 250 x 250 毫米，而更大的 X160 Pro 的構(gòu)建體積高達(dá) 800 x 500 x 400 毫米。

節(jié)省重量和成本

在開發(fā) SiC 衛(wèi)星光學(xué)支架時(shí)，TECNALIA首先評估了一系列 SiC 粉末等級，比較了它們的流變性能以及豪斯納比和粘結(jié)指數(shù)。這些不同測試的結(jié)果使 TECNALIA 能夠確定功能陶瓷的最佳粉末等級，該等級既可打印，又具有燒結(jié)后最小的收縮性。此次探索的關(guān)鍵是 InnoventX 的可定制打印參數(shù)，這使 TECNALIA 團(tuán)隊(duì)能夠找到適合相關(guān)應(yīng)用的正確打印設(shè)置。最終，僅用三個(gè)小時(shí)就可以打印出近凈形狀的衛(wèi)星光學(xué)支架。

TECNALIA 還利用了粘合劑噴射陶瓷部件的多種后處理選項(xiàng)，采用聚合物浸漬和熱解 (PIP) 循環(huán)和毛細(xì)管液態(tài)硅滲透 (CLSI) 來提高最終部件的致密化程度。對于其他類型的應(yīng)用，Desktop Metal SiC 部件還可以通過許多其他方式進(jìn)行處理，包括反應(yīng)結(jié)合SiC (RBSiC)；SiC 氣相沉積 (PVD 或 CVI)；SiC 液態(tài)金屬滲透(SiSiC 或 AlSiC)；SiC 結(jié)合（使用氮化物或莫來石等材料，通常用于增強(qiáng)性能）；和 SiC 完全燒結(jié)。在 PIP 和CLSI 之后，TECNALIA 采用了拋光等最后步驟，由于打印的表面質(zhì)量良好，拋光所用時(shí)間比傳統(tǒng) SiC 部件節(jié)省 35%。

最終，TECNALIA 能夠交付符合CTE 規(guī)格的 Si-SiC 部件，同時(shí)還具有各向同性特性，并且沒有殘余應(yīng)力。在輕量化方面，3D 打印設(shè)計(jì)可節(jié)省 15% 的質(zhì)量，這將對太空任務(wù)的有效載荷成本產(chǎn)生影響。Agote 博士總結(jié)了該案例研究：“粘合劑噴射工藝使我們能夠獲得接近最終組件幾何形狀和表面質(zhì)量規(guī)格的部件，這大大降低了與最終操作相關(guān)的成本�！�

目前，TECNALIA 正在繼續(xù)致力于利用 InnoventX 平臺開發(fā)用于粘合劑噴射的 SiC 材料以及其他功能陶瓷，如碳化鎢-鈷 (WC-Co) 和氧化鋁。

新應(yīng)用、新材料等

而 Desktop Metal則正在與其他客戶和合作伙伴合作開發(fā)功能陶瓷粘合劑噴射應(yīng)用。例如，該公司最近公布了一個(gè)由法國 Norimat 牽頭的項(xiàng)目，該項(xiàng)目支持創(chuàng)新的 FAST/SPS 工藝（場輔助燒結(jié)技術(shù)/放電等離子燒結(jié)）。Norimat 一直在使用 Desktop Metal 的 InnoventX 系統(tǒng)和碳化硅粉末來生產(chǎn)許多高要求組件，包括渦輪葉片、格構(gòu)齒輪和切削刀具。然后，Norimat 正在使用其 SPS 技術(shù)以高效的方式使打印組件致密化，而無需任何后處理滲透。

△高性能的SiC組件，包括渦輪葉片、格子齒輪、切削工具等，由客戶Norimat在InnoventX上生產(chǎn)，采用火花等離子體燒結(jié)（SPS）技術(shù)來致密化部件。

3D 打印碳化硅的另一個(gè)值得注意的應(yīng)用正在由 Ultra Safe Nuclear (USNC) 開發(fā)，涉及設(shè)計(jì)由核級 SiC 粉末制成的定制部件來包圍核燃料顆粒。

碳化鎢-鈷 (WC-Co) 是一種由硬質(zhì)陶瓷（碳化鎢）和鈷金屬組合而成的金屬陶瓷，也可以使用 Desktop Metal 的粘合劑噴射技術(shù)進(jìn)行加工。由于其堅(jiān)硬的特性，這種材料可用于機(jī)械加工和制造，尤其適用于生產(chǎn)切削或鉆孔工具。除了 SiC 業(yè)務(wù)外，TECNALIA 還致力于 WC-Co 并開發(fā)具有內(nèi)置冷卻通道和定制幾何形狀的鉆孔工具。FraunhoferIKTS 也在研究粘合劑噴射和 WC-Co，特別關(guān)注“WC-Co起始粉末的不同形態(tài)、使用 [粘合劑噴射] 的可加工性以及燒結(jié)部件的最終機(jī)械性能之間的相關(guān)性”。具體而言，研究人員發(fā)現(xiàn)增材制造專用 WC-Co 粉末和商用 WC-Co 起始材料均適用于粘合劑噴射。

△無法通過常規(guī)方式制造的隨形冷卻通道可以輕松集成到粘合劑噴射 3D 打印 WC-Co 工具中，例如使用 TECNALIA 的 InnoventX 生產(chǎn)的這種鉆頭。

Desktop Metal 本身也在位于德國格斯托芬的歐洲總部推進(jìn)陶瓷增材制造應(yīng)用。在那里，各種粘合劑噴射打印系統(tǒng)使擴(kuò)大陶瓷應(yīng)用成為可能。

其他基于陶瓷的材料，包括氧化鋁 (Al₂O₃)、氮化鋁 (AlN)、鋁滲透碳化硼(B4C)、濃縮碳化硼 (10B4C)、氮化硼 (BN)、碳 (C)、玻璃 (SiO2) 和石英砂（天然和合成），也可以使用桌面金屬粘合劑噴射進(jìn)行 3D 打印，并且研發(fā)客戶可以獲得進(jìn)一步的陶瓷粉末。

最終，使用 Desktop Metal 的粘合劑噴射技術(shù)打印功能陶瓷（甚至是傳統(tǒng)上具有挑戰(zhàn)性的功能陶瓷）的能力正在為陶瓷 AM 開辟一個(gè)新的領(lǐng)域，可以為先進(jìn)制造業(yè)開辟許多令人興奮的新應(yīng)用。

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