先進陶瓷光聚合3D打印

導讀：增材制造作為一種可快速制造定制的先進陶瓷部件，越來越受到人們的關注，陶瓷增材制造可以提高設計自由度，制造結構復雜的陶瓷零件。在眾多陶瓷增材制造的方法中，陶瓷光聚合技術以其高精度、高固含量脫穎而出，南極熊整理了有關先進陶瓷光聚合技術的信息，讓我們一起看下去吧！



先進的陶瓷材料具有優(yōu)異的性能，例如耐高溫、高硬度、比金屬和塑料更高的耐磨性，以及具有熱絕緣性。當在很嚴峻的環(huán)境下，需要堅固可靠的材料時，先進陶瓷材料的特性就起到了關鍵性作用。陶瓷材料的熱學、電學和生物相容性使其可用于汽車行業(yè)的各種傳感器和機械密封件、醫(yī)療行業(yè)的骨植入物和假牙以及太空衛(wèi)星的隔熱罩等。

然而，傳統(tǒng)的陶瓷制造方法通常涉及昂貴的模具，這使得小規(guī)模制造陶瓷零件變得很困難。陶瓷增材制造技術卻可以應對這些問題，它可以通過以更低的成本和更短的時間制造定制的陶瓷部件。此外，在功能優(yōu)化方面，3D打印陶瓷比傳統(tǒng)方法提供了更大的靈活性，并且可以生產復雜結構。下面我們將討論陶瓷立體光刻技術的不同應用和工藝的不同階段，以及某些注意事項。

光聚合陶瓷3D打印


△立體光刻概述（來源：i.Materialise）
陶瓷增材制造可以通過多種技術進行，例如粘合劑噴射、直接墨水書寫和選擇性激光燒結。然而，所有這些技術都不適合生產高固含量零件，因此它們的應用受到很大限制。光聚合是最成熟的陶瓷增材制造技術，能夠生產出致密的結構部件�？梢哉f，在眾多陶瓷3D打印技術中，陶瓷光聚合技術因其能夠生產具有高精度和高固含量的部件而脫穎而出。根據ISO/ASTM 52900:2015，光聚合是一種“增材制造工藝，其中液體光聚合物通過光活化聚合選擇性地固化”，例如樹脂3D打印機的DLP或SLA工藝。

應用

陶瓷光聚合技術允許制造具更高幾何自由度和更低成本的定制陶瓷部件。因此，其他制造方法無法實現的產品可通過光固化現實，許多領域都受益于該技術。南極熊列舉了一些應用：


△Lithoz 的 LithaBone HA 400 可用于骨替代植入物（來源：Lithoz）

●牙科
在牙科行業(yè)，現在已經使用氧化鋯、氧化鋁和玻璃陶瓷材料進行性還原光聚合生產各種陶瓷牙科修復體（即內冠、牙冠和牙橋）。此外，具有美學和高強度的微創(chuàng)修復全解剖冠的商業(yè)解決方案也應用了此技術。

●組織工程
在組織工程領域，人們可以制造由生物陶瓷制成的用于骨修復的定制支架。陶瓷光聚合允許在復雜的幾何形狀和化學成分中模擬自然界中的結構，例如牛骨小梁。陶瓷光聚合技術還可用于3D打印顱骨或上頜骨植入物等。

●其他工程應用
陶瓷光聚合技術在工程中的應用還有很多，例如汽車工業(yè)、催化器領域和熱交換器等。陶瓷光聚合技術可以實現零件的幾何優(yōu)化，獲得更好的性能。

陶瓷光聚合工藝

1. 原料


△正在開發(fā)的陶瓷光敏懸浮液（來源：Italo Leite de Camargo via All3DP）

陶瓷3D打印供應商提供與其設備兼容的原材料。因此，各種各樣的陶瓷原料(氧化鋁、氧化鋯和羥基磷灰石)在市場上銷售。此外，世界各地的大量研究人員一直致力于研究原材料的開發(fā)和優(yōu)化，某些研究已經獲得了陶瓷懸浮液的優(yōu)質配方。

陶瓷槽光聚合的原料是由感光樹脂、陶瓷粉末和添加劑混合而成的懸浮液。懸浮液應滿足工藝要求，即陶瓷填料含量高，粘度適中。然而，同時滿足這兩個要求具有挑戰(zhàn)性，因為固體負載越高，粘度就越高。此外，懸浮液的沉降一般不可忽略。最后，必須滿足與懸浮液流變行為相關的幾個要求。因此，應陶瓷顆粒應具有合適的粒徑和比表面積，還應選擇有效的分散劑以促進樹脂與陶瓷粉末之間的相互作用等。在配置時，還需要使用適當的制備方法來制備均勻的懸浮液，比如陶瓷漿料混合物通常在球磨機中處理幾個小時。

2. 3D 打印機


△3DCeram 的陶瓷 3D 打印機 C100 Easy（來源：3DCeram Sinto via YouTube）

陶瓷懸浮液的高固含量會帶來高粘性。因此，大多數商用樹脂3D打印機并不適合用于制造陶瓷零件。處理陶瓷材料時，通常使用帶有專用重涂系統(tǒng)的特殊設備。大多數陶瓷光聚合3D打印機都是在過去五年中才出現的，但也有一些知名公司，例如 Lithoz 和 3DCeram，已經在該領域工作了多年。

使用自制原型和普通3D打印機（通常用于制造樹脂部件）的研究變得越來越重要，這會使得該技術擴展到實驗室和小型工業(yè)中。但是，非工業(yè)3D打印機仍有很大的使用限制，通常適合低固含量的陶瓷漿料，從而降低了部件的機械性能。

3. 后期處理


△根據箱式爐的不同，后處理溫度可能會超過 1,500 °C（來源：賽默飛世爾）

陶瓷光聚合是一種間接過程，即制造由陶瓷粉末和粘合劑組成的“生”體，必須經過后期脫脂燒結才能獲得最終的陶瓷部件。這種后處理是在爐中進行的熱處理，這是先進陶瓷加工中的傳統(tǒng)設備，如上圖所示。

首先，粘合劑（樹脂和添加劑）脫脂過程中通過熱分解消除。隨后，在燒結步驟中，生體在沒有完全熔化顆粒的情況下承受更高的溫度（可能超過 1,500°C），旨在增加陶瓷部件的密度。


△由脫脂和燒結組成的后處理（來源：Italo Leite de Camargo via All3DP）

上面描述和說明的后處理是獲得陶瓷零件的關鍵因素。3D打印的素坯存在大量需要去除的有機材料。因此，必須采用足夠的加熱速率來避免出現零件破壞，零件破壞包括完全破碎的零件和變形的部件甚至到肉眼看不到但會損害性能的裂縫。

后處理是一個耗時的階段，通常需要幾個小時，研究人員已經進行了大量研究來優(yōu)化這樣的過程。整個過程的持續(xù)時間取決于幾個因素，例如零件幾何形狀、所用粘合劑的量、所用粘合劑的熱分解特性等。此外，如果陶瓷零件的壁十分厚，在脫脂過程中可能會產生裂縫，因為厚度會干擾熱分解過程。因此，許多供應商都將陶瓷光聚合制造的零部件的最大壁厚限制為10mm以內。