荷兰埃因霍芬理工大学:3D打印陶瓷大型物体或成现实

3D打印科研前沿
2020
11/09
14:06
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来源: 江苏激光联盟

据悉,陶瓷是人类最古老的材料。同时,它们是二十一世纪关键技术中最有前途的材料之一。然而,陶瓷在形状和工艺上具有挑战性,特别是对于3D打印/增材制造(AM)将成为有趣的制造方法的应用。

与金属和聚合物相比,许多陶瓷的极高熔点增加了增材制造的挑战。由于陶瓷不易铸造或机加工,因此通常由粉末通过烧结或沉积成薄膜来固结。缺陷(例如在加工过程中引入的孔隙和不均匀性)会影响强度,因为它们会引发裂纹,并且与金属相比,脆性陶瓷几乎没有抵抗断裂的能力。这种加工挑战限制了人们利用陶瓷特性的能力,包括高温性能、耐环境性和高强度。增材制造的最新进展导致了许多不同的技术,但是为陶瓷材料开发的所有增材制造技术都是基于粉末的逐层工艺,仅限于少量的成分。通过选择地固化包含陶瓷颗粒的光敏树脂,将液态粘结剂选择性地沉积到陶瓷颗粒上(粘合剂喷射)或选择性地进行印刷,只有少数几种可在市场上买到的三维(3D)打印系统提供陶瓷打印。用激光将粉末床熔化。所有这些技术都受制于缓慢的制造速度,并且在许多情况下还受到耗时的粘合剂去除过程的限制。从粉末开始,固结到致密的部分几乎是无法克服的挑战,并且残留的孔隙率通常是不可避免的。此外,许多增材加工会引入较大的热梯度,这会导致陶瓷破裂。气孔、裂纹和不均匀性是造成增材制造的陶瓷零件强度低和可靠性差的原因。

既是优势也是挑战,陶瓷独特的特性是把双刃剑
陶瓷通常是出色的电绝缘体和绝热体,当面对许多化学物质和温度时,它们是坚硬、坚固、生物相容和坚固的。这些独特的性能意味着陶瓷可以在许多不同的应用中帮助改善生活质量,节省能源,减少磨损并延长组件的使用寿命。但是,这些特性通常由于材料内部的应力还可能导致3D打印过程中某个阶段发生变形和裂缝。

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小型氧化锆支柱中形状记忆效应的证明。图片来源:Science,2013年

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该计算机生成的图像显示了陶瓷材料的原子尺度共混如何在机械拉伸过程中使共混陶瓷的晶体结构变形。

尽管AM在其他材料上已逐渐成为主流,但AM对陶瓷却不是很了解。到目前为止,它主要用于生产少量的非常细小的小于几厘米的物体。例如2016年Science报道了Eckel等人开发了一种使用3D打印或立体光刻法将特定的陶瓷前体单体图案化为复杂、弯曲和多孔形状的方法(如下图)。

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图片来源:HRL实验室

争对目前3D打印陶瓷较大的物体容易开裂的现状,来自埃因霍芬理工大学(TU / e)的博士学位候选人Steyn Westbeek开发了一个模型,以帮助实现更大的陶瓷物体的增材制造。该研究是更大的研究项目的一部分,与应用科学研究中心TNO和TU / e高科技系统中心其他博士候选人一起,研究陶瓷的整个打印过程,包括层沉积以及改进3D打印机的概念和控制。

Westbeek创建了3D打印机内部物理过程的模型,以帮助增进对陶瓷3D打印的理解,并可以打印更大的物体。陶瓷增材制造过程分为两个步骤:首先,将非常薄的一层陶瓷粉末和一种粘结剂的混合物铺下来,然后在每一层之间用紫外线将其硬化,这将创建对象的最终形状。其次,将物体在烤箱中加热以去除粘合剂,就像烘烤粘土雕塑一样。

预测硬化阶段出了什么问题
Westbeek主要关注UV硬化阶段,在该阶段粘合剂/粉末混合物变成固体。硬化步骤可能是材料应力的来源。该模型包括打印机设置,例如UV光源的特性和粘合剂的属性,以及诸如硬化过程中光从陶瓷粉末上弹起,物体内部温度升高等过程。有了这些知识,就可以更改3D打印过程,以确保它最适合您要打印的形状。这减少了许多不同的问题,例如壁过厚,物体过热,硬化太少或不均匀,最后产生了会导致裂纹和不希望有的变形的应力。这种新的理解是印刷复杂形状和大面积陶瓷的重要一步。

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Steyn Westbeek

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