科普|3D打印的新应用 — 陶瓷

原标题:科普|3D打印的新应用 — 陶瓷

科普|3D打印的新应用 — 陶瓷

近几年,得益于与生俱来的优异特性,先进陶瓷的应用比以往任何时候都更加受关注。一方面,CNC等加工技术的发展成熟为先进陶瓷材料的进一步加工提供了可能,另一方面,现在有低成本的技术,甚至能够将陶瓷材料用作生物相容性甚至是食品相容性产品,而3D打印可以成型更复杂的陶瓷部件,而且可以达到很高的分辨率,这是过去的成型方式所达不到的。

随着大型工业集团纷纷参与到陶瓷3D打印技术的研究中,3D增材陶瓷材料的市场预测公司SmarTech Publishing预测3D增材陶瓷市场,包括硬件,软件,材料和应用(技术和传统)到2027年将达到31亿美元,并会被迅速应用于航空航天,医疗,工业制造甚至消费品领域。3DPMN组织了“陶瓷3D打印行业大会”,会议内容涵盖陶瓷增材制造的所有技术,应用和市场发展。下面带大家了解一下世界陶瓷3D打印在工艺上和重大的新应用方面的最新发展。

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背景

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在3D打印增材制造领域,与高分子聚合物和金属材料相比,陶瓷材料发展仍然较为薄弱。围绕陶瓷3D打印的研究一直在继续,并且商业用途也在增加,但是还不如其他材料普及。

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用于3D打印的陶瓷材料的特别之处在于后期处理,从3D打印机中取出的零件需要使用和传统生产方法相同的二次处理,即烧制(也称为烧结)和上釉(取决于应用)。整个3D打印阶段制造的生胚,质地较软,还需要在高于800℃的温度下进行烧结以增强其强度。

如上所述,在过去的十年中,越来越多的机构和商业公司聚焦陶瓷3D打印技术,特别是在硬件和工艺研发,材料开发,应用程序开发以及提供可用于商业的陶瓷3D打印服务上。

目前有3种主要的3D打印工艺可以用于陶瓷材料,即粘合剂喷射、立体光刻(SLA)和数字光处理(DLP)。

陶瓷粘结剂喷射

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可以加工工业(技术)陶瓷材料的粘合剂喷射系统的主要3D打印硬件供应商包括3D Systems(通过其先前收购ZCorporation以及后续开发)、Voxeljet和ExOne。该技术依赖于工业陶瓷材料的粉末床和选择性粘合粉末的液体粘合剂材料。

DG Shape(先前由Roland DG运营)是另一家硬件供应商,目前正在开发用于3D打印陶瓷材料的粘合剂喷射系统,前年在formnext上展示了一个原型版本。

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最近出现的另一个基于粘合剂喷射工艺的商业增材制造公司是Johnson Matthey(JM)。作为原型制造应用领域的3D打印技术的长期用户,自2009年以来,该公司投入巨资自主研发了粘合剂喷射工艺,可用于其自身大批量应用–催化剂的生产以及自主专利工业陶瓷材料的开发。目前该公司除了扩大3D打印的自主生产应用,也向工业合作伙伴提供3D打印服务和支持。JM公司不但实现了比其他增材制造工艺更容易按比例扩大粘合剂生产的喷射工艺,其零件的强度也优于传统的生产方法。

立体光刻(SLA)

立体光刻工艺也叫材料挤压工艺,是目前使用最广泛的3D打印工艺,这主要是其适合用于低成本台式机系统和大型工业机械,且可用于各种不同材料、不同挤出机的开发。

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或许,最能充分展示目前使用挤压工艺进行陶瓷3D打印能力和潜力的公司是意大利的WASP。该公司正在开发可调节的流体密度的挤出机- 液体沉积物造型(LDM)挤出机,可以与粘土,陶瓷,瓷器,氧化锆和高级陶瓷兼容,拓宽了其使用场景。

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其他开发了用于陶瓷材料的桌面挤压系统的公司还有Vorm VRIJ,该公司开发了LUTUM系列粘土3D打印机,带有FFD 150H系统的3D Figo,以及最近的DeltaBots的3D Potterbot 7和Clay XYZ打印机,在Kickstarter上也成功获得了融资。

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位于荷兰的夫妻团队Vorm VRIJ也开展与WASP类似的业务,但更加专注于艺术和设计。他们研发的LUTUM系列有三台3D打印机,其中LUTUM mini是带有单台挤出机,能打印最大45 x 44 x 45 cm的制品。LUTUM MXL,也是标配单台挤出机,能打印体积为45 x 44 x 75cm制品,可以配置双台挤出机;以及具有双挤出机的LUTUM双(实验)系统,可进行两种色彩打印。

DeltaBots的3D Potterbot 7可以用“厚黏土”在Z轴上打印长达36英寸的陶瓷产品,该挤出机的喷嘴尺寸可在1mm至16mm之间调节,目前其他同类3D打印机还没办法做到。

Figo-3D开发了FFD 150H 3D打印系统(FFD是“熔融原料沉积”的首字母缩写)。据该公司称,该系统能基于标准CIM和金属注射成型工艺来处理陶瓷和金属材料,该款3D打印能打印最大体积为15 x 15 x 12厘米的产品。

数字光处理(DLP)光聚合固化技术

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位于法国的3D Ceram公司已经开发了一款硬件系统,专门用于3D打印可光固化的陶瓷浆料(氧化铝,氧化锆或羟基磷灰石(HA))。Ceramaker 900系统同时提供销售和服务,其可以构建体积为30 x 30 x 11 cm的制品,分辨率可以达到25微米。

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同3D Ceram公司一样,荷兰的ADMATEC也基于其ADMAFLEX技术开发了专利硬件,该技术使用DLP工艺和填充树脂(氧化铝/氧化锆/熔融二氧化硅)生产高密度陶瓷组件。该公司表示其产品密度> 99%以上,此过程最初(并将继续)作为服务提供,但自2016年以来,可以以ADMAFLEX 130系统的形式进行购买。

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总部位于奥地利的Lithoz陶瓷3D打印公司更专注于陶瓷制造的整个产业链,包括硬件,软件,专门开发的陶瓷材料和服务。该公司称,用于高性能陶瓷的专利Lithoz AM工艺也叫基于光刻的陶瓷制造(LCM),它使用高性能陶瓷材料生产的零件性能与传统成型零件相同。该工艺的商业化是2006年在维也纳工业大学启动的一个项目的结果。

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在工艺创新方面,以色列的XJet基于其专利纳米颗粒喷射技术陶瓷喷墨打印系统即将商业化。此过程会喷射包含陶瓷纳米颗粒的超薄液滴层,这些液滴会沉积到系统构建的托盘上,由于该过程的极高温度,随着分散液的蒸发,直接生产陶瓷零件。据说,XJet进入陶瓷行业的主要动力来自牙科行业,这很可能会成为其主要应用。

展望

陶瓷3D打印,不但可以成型复杂的制品,而且性能稳定,因而在医学、航天科技、考古文物、制作业、建筑等行业得到广泛应用,目前国内陶瓷3D成形工艺尚未成熟,未来还需要加大研发,以缩小同国外的差距。

来源:德化陶瓷产业创新发展研究院返回搜狐,查看更多

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