奥地利制造商Lithoz推动陶瓷增材制造在航空航天领域的发展！

导读：航空航天领域正在迅速发展，亟需能够提供创新和高效解决方案的新技术，增材制造技术已经成为航空航天应用的理想解决方案之一。根据 Research and Markets 的一份报告可知，2021年航空航天和国防市场的3D打印价值约为19亿美元，预计2022年至2027年的复合年增长率将超过24%。可以说，增材技术正在为航空航天领域带来重大变革，使用增材制造技术能够生产更轻、更强、更复杂的零件，提高设计自由度，并具备将多个零件组合成一个单元的整合能力，减少昂贵原材料的浪费，以及成本和资源效率。



使用3D打印技术对材料进行创新，最成功的当属陶瓷材料。陶瓷材料已被证明具有满足工业需求和航空航天应用所需的高标准。奥地利制造商Lithoz是专注于陶瓷增材制造的公司之一，开发了用于高分辨率复杂零件的基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 技术。南极熊获悉，Lithoz在2022年在陶瓷3D打印解决方案方面的销售额和营业额翻了一番，表明医疗以及航空航天等多个行业对3D打印的兴趣在持续增长。


△3D 打印陶瓷部件

航空航天领域面临的问题
更快、更简单、更具成本效益是航空航天领域追求的原则，其零件面临的最大挑战不仅包括极端负载，还包括加热和过热。例如，涡轮叶片的移动速度使其产生的热量高于制造它们的金属所产生的热量，用传统制造工艺进行制造会产生一定的问题。除了承受过热，许多零件而且还必须能够承受严寒，因为太空中的外部温度会迅速下降到 – 200 °C 左右。这时，航空航天部门需要一种传统制造工艺替代方案，使得不同的极端条件对部件的性能不会产生影响。

但陶瓷 3D 打印如何消除这些障碍呢？陶瓷以其耐热性、机械性能等特性以及用于生产最高质量的精细部件而闻名。因此，增材制造可以设计复杂的形状，同时降低成本和缩短交货时间，这是传统制造无法实现的。所以，陶瓷 3D 打印是航空航天这样要求苛刻的行业的理想解决方案。Lithoz 通过开发具有最佳性能的氮化硅 (Si3N4) 迅速定位于该市场，例如即使在高温下也具有巨大的强度、对意外温度变化的出色抵抗力以及巨大的硬度。



在航空航天应用中使用陶瓷的好处

有相关市场报告强指出，陶瓷3D打印的市场价值显着增长，预计到2023年将达到4亿美元。报告称，航空航天、国防、牙科和化学工程行业对用于生产小批量零件的陶瓷制造最感兴趣。陶瓷因其卓越的性能（例如高耐热性、抗氧化性和耐磨性以及机械和尺寸稳定性）而受到航空航天工业的关注。这使得陶瓷非常高效并适合在极端条件下使用，尤其是承受高应力的情况下，这使其成为下一代航天器构造的理想材料。

这里，南极熊特别强调，我们所说的陶瓷指的是“先进陶瓷材料”或“技术陶瓷”，它们具有高强度、耐腐蚀、优良的热绝缘和电绝缘等显着性能，例如氧化铝 (Al2O3)、氮化硅 (Si3N4)、碳化硅 (SiC) 和氧化锆 (ZrO2)。通过 3D 打印，可以加工超高温陶瓷 (UHTC)，其材料特性在该行业极为抢手。

陶瓷甚至取代了航空航天工业中使用的一些更传统的材料，例如金属。虽然金属是航空航天工业中最常用的材料，但它们在某些应用中的使用也受到限制。为了制造更高效的空间推进器、减少空间碎片或开发更精确、更复杂的型芯，人们开始寻找替代材料。陶瓷现在为这些问题提供了切实可行的解决方案。此外，结合增材制造，可以制造精度更高的零件。

因此，陶瓷3D打印在航空航天领域具有巨大的潜力，Lithoz的LCM技术的各种应用就可以证明。Lithoz采用氮化硅制成了3D打印气动塞式发动机喷嘴，成功通过了所有压力测试，能够承受显着的热冲击，即使在超过1200 °C的温度下也是如此。


△3D打印的气塞发动机喷嘴

使用 LCM 技术的高分辨率和复杂性
在陶瓷行业中，高精度和复杂性十分关键，因为一个小缺陷可能导致零件完全失效，进而影响应用。Lithoz十分注意这一问题，现在已经能够改进其技术以实现对错误的零容忍。

Lithoz 的光刻陶瓷制造 (LCM) 技术基于光聚合。CeraFab 3D 打印机将装有陶瓷的液体（浆料）分配到透明的大桶中。打印平台从上到下移动，并有选择地进行曝光，设备中使用数字微镜设备 (DMD) 和最先进的投影系统，生成分层图像，逐层创建素坯。然后进行热后处理以去除粘合剂并烧结组件，从而产生坚固耐用的高密度陶瓷组件。此过程的优点是整个表面区域同时曝光，也就是说无论零件打印在平台的哪个位置，零件都可以在整个构建板上以一致和准确的方式进行复制。因此，正是这种曝光精度使得获得极其复杂的微结构成为可能。

Lithoz 目前在市场上有八种不同的 3D 打印解决方案，CeraFab 机器的各种型号，各具有自己的独特特殊优势——例如，CeraFab S65 专为精确到 25µm 的高分辨率而设计。Lithoz 的技术现在不仅用于小批量生产，还用于大规模生产。例如，Steinbach AG 使用 Lithoz 的 CeraFab 系统解决方案来批量生产手术管。管子的复杂设计需要使用增材制造从原型制作到最终生产。Steinbach 每年能够生产 12,000 个零件，这证明了增材制造在将生产扩大到批量生产方面的有效性。


△Lithoz 的 CeraFab 3D 打印系列

使用陶瓷 3D 打印实现航空航天优化结构
将陶瓷的特性与 3D 打印的灵活性相结合的可能性是在航空航天领域使用该技术的主要优势之一。能够精确地定制组件的设计、修改其结构甚至添加特定功能，是业内人士在生产复杂零件时所寻求的。这方面的一个实际例子是为航空航天应用创建 RF 滤波器。RF 滤波器是至关重要的电子电路，可提高信号质量并最大限度地减少卫星通信、雷达和航空电子设备等通信系统中的干扰。陶瓷 3D 打印允许创建具有各种形状、顺序和带宽的高度工程化的谐振器，这些谐振器可以集成到单个组件中，从而优化性能、可靠性和耐用性。


△左边是射频滤波器，右边是 3D 打印的陶瓷谐振器。谐振器可以打印成不同的尺寸。

为什么要用陶瓷 3D 打印它们？在航空航天工业中，RF 滤波器在确保高频段的可靠和准确通信方面发挥着关键作用。由于它们必须承受恶劣的环境条件，因此这些过滤器必须具有高性能并满足严格的可靠性和性能要求。陶瓷的理想材料特性使其非常适合满足这些要求，同时还可以轻松实现这些过滤器的小型化以减轻重量——这是航空航天应用中的一个关键因素。最重要的是，陶瓷过滤器在温度和时间方面表现出良好的稳定性，确保长期可靠和一致的性能。

控制陶瓷部件的微观结构
Lithoz 陶瓷3D打印解决方案能够更精确地控制材料的微观结构和孔隙率，为更复杂的应用提供显着优势，这是目前可用的任何其他AM或传统制造技术的局限性。借助 Lithoz 的 LCM 技术，可以实现多材料 3D 打印和功能分级陶瓷也可以实现。多材料 LCM 打印机，不仅可以将一种材料分配给任何所需的层，还可以通过将相应的材料分配给层图像的选定像素来在每一层中使用不同的材料。例如，Lithoz 和 Fraunhofer IGD 使用高度复杂的氧化铝制造零件，并在单个零件内定义致密和多孔梯度。


△具有致密到多孔渐变的演示部件，适用于各种领域的应用，例如催化剂、过滤器或骨骼结构

Lithoz 生产更轻的飞机涡轮机型芯
涡轮机机对飞机飞行至关重要。涡轮机内部最重要的部件之一是型芯，传统上是通过熔模铸造制造的。然而，这里出现了一个严重的问题：使用传统的注塑成型芯，结合多叶片、复杂和狭窄的冷却元件的可能性是有限的。从长远来看，不仅代价高昂，而且还会带来安全隐患。如何在不增加成本的情况下更高效、更创新地制造型芯？



通过增材制造的无工具制造方法不仅可以避免高成本和巨大的额外工作量，而且 LCM 技术还可以加快生产速度。因此，可以在短时间内制作原型和系列产品，从而显着缩短上市时间。型芯的精度至少为 200 µm，即使对于具有后缘等特征的复杂形状也是如此，并且尺寸可达 30 cm。使用Lithoz专有的 CeraFab 系统，Lithoz 甚至生产了多个尺寸为 500 mm的陶瓷型芯，从而展示了用于工业生产陶瓷型芯的能力。

Lithoz 目前在航空航天领域从事哪些科研项目？
Lithoz 积极参与航空航天领域相关的项目：Lithoz与来自Poitiers（法国）、FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH（奥地利）和University of Applied Sciences Wiener Neustadt GmbH（奥地利）的研究人员一起，共同研究了打印整体陶瓷催化剂与传统生产的催化剂的不同和优势。研究人员提出，二者在高浓度过氧化氢的分解方面，尤其是孔隙率因素中有很大差异。一般来说，打印结构的孔隙率比传统工艺制造的结构的孔隙率大得多，随着孔隙率的提高，瞬态温度行为也会得到改善，这一研究发现将有望推动陶瓷3D打印在航空航天领域的发展。