全球快讯:复杂结构先进陶瓷加工难度大？深大教授：3D打印有10余种解决方案

来源：腾讯网　2022-07-21 06:59:45

“陶瓷3D打印的应用十分广阔。

”

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——深圳大学长聘教授、增材制造研究所所长陈张伟

“先进陶瓷的应用十分广泛，产值正在逐年升高。”

7月18日，在由新材料在线主办，新材料企业家成长营共同协办的“百大名师”系列在线课程上，深圳大学长聘教授、增材制造研究所所长陈张伟围绕主题《陶瓷3D打印技术》，针对陶瓷材料及成形加工发展与瓶颈、陶瓷3D打印技术类别与原理、陶瓷3D打印技术应用于装备等话题，发表了精彩的演讲。

据介绍，陶瓷材料在脱脂烧结后，硬度、脆性变大，加工难度高。“为了应对加工问题，业界推出了力学、化学、光化学、电子光学等多种加工工艺。”但仍然面临对刀具磨损大、样件易开裂、无法加工复杂件、工艺繁琐、费用高等难题和挑战的困扰。

针对先进陶瓷坯体成型，业界推出多种不同方法，包括干法压制成型、塑性成型、浆料成型及近年来发展起来的3D打印成型。“其中，3D打印具有精度高、可自由设计、不需要使用模具，以及可以实现任意复杂结构的制造等优点。”

陈张伟教授表示，3D打印方法包括光固化成型、喷墨打印成型、直写成型、激光选区烧结成型、熔融沉积成型等多种工艺。

“按打印技术划分，陶瓷3D打印可以有10余种类别。”

据介绍，SL陶瓷3D打印技术又称立体光固化3D打印，该技术包括桌面级与工业级3D打印机，采用光敏树脂加陶瓷粉末/前驱体陶瓷等材料。具有打印精度高、成型尺寸大、材料用量多等特点。其难点在于陶瓷粉末对光的吸收和散射等问题。“2007年左右，我所在的西安交大团队与航空公司合作采用这种技术在一体化制备航空航天发动机涡轮叶片陶瓷型芯型壳方面做了些探索。”

DLP数字光处理光固化陶瓷3D打印技术则是SL技术的衍生。采用的材料与SL技术类似。但与SL不同的是，SL采用点-线-面扫描成型，而DLP则为面曝光成型。其具有精度高、速度快，节约材料等优势。难点在于成型幅面尺寸有限，精度提升空间不够。

TPP双光子聚合陶瓷3D打印技术材料则采用前驱体陶瓷树脂。该技术的特点在于精度高，可以做到亚微米级，但是打印速度慢、成型的尺寸小。难点在于尺寸和速度的提高亟待解决。

IJP喷墨陶瓷3D打印技术的材料采用溶剂加陶瓷粉末，特点是打印定位精度高，但速度慢、厚度薄。难点在于无法制作悬臂梁或空中件等。

现场，陈张伟教授还介绍了DIW、3DP、SLS、SLM、LOM、FDM等各种打印方式的特点及难点。

“陶瓷3D打印的应用十分广阔。”陈张伟教授表示，在工业制造方面，陶瓷3D打印可以应用于制作模具、型芯型壳等、直接成型零部件。在航空航天方面，可以应用于发动机整体叶盘、机头罩、导弹喷管，以及导弹、卫星、航天器天线罩、天线窗、隔热瓦等。“它还在生物医疗、文化创意、消费用品方面具有良好的应用前景。”

据了解，基于陶瓷3D打印技术，深圳大学增材制造研究所在制造复杂结构的董青石蜂窝陶瓷载体、核聚变堆产氚陶瓷单元、轻质高强前驱体转化陶瓷部件、喷墨打印燃料电池组件、低温直写锂电池多孔电极等项目上成果颇丰。

陶瓷打印能把气孔率做到最低是多少？能做到0.1%以下吗？

陈张伟教授：致密度与孔隙率加起来等于100%，如果孔隙率做到0.1%以下，也就是致密度达到99.9%的话，除了陶瓷3D打印工艺过程本身外，还需要辅以一些致密化的后处理工艺则会更容易实现。

不过，我们有时候更关注打印件的功能性，在非载荷受力的应用领域，在机械强度满足基本保证的前提下，高致密度有时候不是最核心的指标，可能适当的人为或自然生成的孔隙反而会增加零部件的易用性，比如在生物医疗、能源催化或者铸型等领域。

您对民用陶瓷3D打印怎么看？会有很大的发展吗？

陈张伟教授：从个人角度来看，3D打印可以用于做复杂结构的模型验证，可以解放设计师的思想和双手，直接设计和打印天马行空的造型，从设计到验证阶段摆脱了传统的模具制造过程，极大缩短了验证周期。比如珠宝首饰、穿戴器件、日常用品如马桶等都可以通过打印后，验证其设计后的使用效果。省去了模具，节省大量人力、物力、财力，有助于加快造型和功能的创新迭代。

请问纳米二氧化硅，和氮化硅可以在打印材料中有哪些应用呢？

陈张伟教授：纳米二氧化硅做隔热、绝缘等精细电子结构件比较合适。氮化硅具有优异的机械性能、热学性能及化学稳定性，则可以用来3D打印国防军工方面的高温发热点火器、航天器反雷达罩等组件。

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