南极熊带你读懂陶瓷3D打印技术

日前，位于荷兰的3D打印初创企业Admatec对外宣布将于今年9月份向市场推出售价为7.5万欧元的高性能陶瓷3D打印机ADMAFLEX130，采用其研发的ADMAFLEX技术。据称，这款3D打印机可以打印二氧化锆、三氧化二铝和石英乃至氮化硅、碳化硅、羟基磷灰石等材料，让业界侧目。

众所周知，3D打印目前的研究热点主要集中在材料和设备，而打印材料更是制约3D打印的瓶颈。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，前四类材料应用技术比较成熟，而陶瓷材料由于自身特性存在很多应用难点。

一.陶瓷打印难在哪？
我们知道陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、医疗等行业有着广泛应用。但陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，目前国内陶瓷直接快速成形工艺尚未成熟，正处于研究阶段。

由于3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和光敏树脂（粘结剂粉末）所组成的混合物。存在以下需要克服的难点：
1、陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比会影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多，固化比较容易，但在后置处理过程中零件收缩比较大，会影响零件的尺寸精度；粘结剂份量少，则不易固化成形
2、由于光敏树脂的熔点较低，液态树脂具有高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。
3、陶瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多微裂纹。
因此，要克服以上困难，需要研发适合打印的陶瓷材料（配比成分），并在快速成型过程中进行精密控制。

二.陶瓷3D打印技术
该公司宣称ADMAFLEX130能够快速大批量生产陶瓷零部件，比通过传统的注塑成型工艺生产更加经济。同时，ADMAFLEX 130比市面上的3D打印机有了显著地改善：表面粗糙度可以控制在1微米以内，外形尺寸误差控制在CAD模型的0.3%内。
据了解，ADMAFLEX技术是基于DLP（数字光处理）技术的基础上进行研发的，本质上属于SLA（立体平板印刷）技术。


SLA工艺以光敏树脂作为材料，在系统控制下紫外激光将对液态的光敏树脂进行扫描从而让其逐层凝固成型，SLA工艺能以简洁且全自动的方式制造出精度极高的几何立体模型。如图所示为SLA技术的基本原理：

1、液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。
2、当一层树脂固化完毕后，工作台将下移一个层厚的距离以使在原先固化好的树脂表面上再覆盖一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平然后再进行下一层的激光扫描固化。因为液态树脂具有高粘性而导致流动性较差，在每层固化之后液面很难在短时间内迅速抚平，这样将会影响到实体的成型精度。采用刮板刮平后所需要的液态树脂将会均匀地涂在上一叠层上，这样经过激光固化后将可以得到较好的精度，也能使成型工件的表面更加光滑平整。
3、新固化的一层将牢固地粘合在前一层上，如此重复直至整个工件层叠完毕，这样最后就能得到一个完整的立体模型。

目前3D打印市场价值大概70亿美元，仅占全球制造业市场的0.04%，而且3D打印普遍被用在产品开发阶段的制作原型上，作为规模量产的还属不多。虽然3D打印技术已发展超过25年，但尚未成为更可取的生产制造方式，其原因无非是相对于大规模生产其不具备规模经济性。倘若3D打印能攻克一些材料打印难点技术，相信人们会更多地选择3D打印生产产品。这将提高整个社会对材料的利用效率，据统计，生产线上大概有30%的原材料被各种方式浪费掉，而3D打印作为增材制造方式将可以极大提高材料利用率。

来源：同润科投

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