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蠟基粘結(jié)劑陶瓷材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
陶瓷注射成型技術(shù)(CIM)是PIM技術(shù)的主要分支,是在聚合物注射成型技術(shù)比較成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,是當(dāng)今國際上發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的陶瓷零部件精密制造技術(shù)。CIM技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已在高精度和高附加值的陶瓷產(chǎn)品制造上顯示出無比強(qiáng)大的生命力,在電子通信、醫(yī)療植入、半導(dǎo)體、汽車、高檔鐘表和國防等領(lǐng)域的許多精密陶瓷零部件都有著廣泛的應(yīng)用。
粉末擠出3D打印(PEP)集成了CIM成熟工藝與3D打印成型的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),在制造大尺寸復(fù)雜形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)件獨(dú)具特色,對(duì)傳統(tǒng)CIM應(yīng)用范圍形成了新的拓展。粘結(jié)劑作為一個(gè)載體能粘結(jié)陶瓷粉體并與之充分混合分散,加熱后能產(chǎn)生很好的流動(dòng)性,使之能順利地打印成型而不產(chǎn)生缺陷。而PEP的關(guān)鍵工藝就離不開粘結(jié)劑的開發(fā)和應(yīng)用,可以說研究粉末擠出3D打印工藝,就是研究粘結(jié)劑選擇、成型和排除的方法。
▲蠟基陶瓷打印材料 ?升華三維
根據(jù)主要粘結(jié)劑組元和性質(zhì)可大致分為:熱固性系統(tǒng)、熱塑性系統(tǒng)、水溶性系統(tǒng)等。采用石蠟作為主要成分的粘結(jié)劑就屬于典型的熱塑性系統(tǒng)。而PEP工藝中3D打印設(shè)備所使用的陶瓷原料被稱為喂料/顆粒料,它一般是陶瓷粉體和多種有機(jī)高分子粘接劑組成,經(jīng)混煉和造粒機(jī)制備而成的混合顆粒物。粘接劑在其中起到了潤濕粉體、賦予喂料流動(dòng)性,坯體粘附等作用。由于熱塑性蠟基粘結(jié)劑的流動(dòng)性較好,并能選擇其分子量的大小及分布來調(diào)節(jié)其脫脂階段的熱降解性,現(xiàn)已成為PEP技術(shù)最重要的粘結(jié)劑系統(tǒng)。
PEP采用蠟基陶瓷打印材料的主要優(yōu)勢(shì)
良好潤濕性:蠟基粘結(jié)劑能夠與陶瓷粉末良好潤濕,這對(duì)于保證陶瓷粉末在成型過程中的均勻分布至關(guān)重要;
低混料溫度:混料溫度低于120℃,混煉時(shí)間較短,可以減少石蠟加熱損失;
低溫成型:螺桿擠出系統(tǒng)和噴嘴溫度較低,有利于控制3D打印過程中的溫度,且容易固化、室溫下有足夠的強(qiáng)度,確保了生坯形狀的精度和穩(wěn)定性;
易于脫脂和燒除:在脫脂階段相對(duì)容易去除,可以通過溶解或熱脫的方式,適用于制備大型陶瓷零件。而在燒結(jié)過程中沒有殘余物留下,保證了陶瓷部件的純凈度和性能;
PEP打印蠟基陶瓷的工藝特點(diǎn)及步驟
目前熱塑性系統(tǒng)是CIM粘結(jié)劑的主流,而PEP在陶瓷材料制造能力方面跟CIM工藝有著密不可分的關(guān)系。PEP充分利用了CIM的喂料開發(fā)系統(tǒng)和脫脂燒結(jié)工藝,再結(jié)合3D打印的靈活設(shè)計(jì)成型,可快速實(shí)現(xiàn)大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高性能的陶瓷零件定制生產(chǎn)。
PEP的技術(shù)特點(diǎn)
無需開模:PEP技術(shù)不需要傳統(tǒng)開模過程,直接打印成型,簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程,可提高生產(chǎn)效率;
高自由度設(shè)計(jì):能夠根據(jù)產(chǎn)品功能進(jìn)行高自由度設(shè)計(jì)優(yōu)化,且可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀,如中空結(jié)構(gòu)、一體化集成和輕量化設(shè)計(jì)等;
成本效率:PEP技術(shù)采用粉末擠出成型方式,不需要昂貴的高能量激光器件,并可充分結(jié)合CIM成熟的前后處理工藝,顯著降低了增材工藝投入和運(yùn)營成本,同時(shí)可大幅縮減制造周期,提高了生產(chǎn)效率;
分步工藝:3D打印低溫成型+CIM工藝燒結(jié),在低溫下即可實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的成型,避免了高溫下材料的氧化和分解問題,可獲得性能一致性好的高質(zhì)量產(chǎn)品;
高適配性:采用蠟基喂料,基本可適配CIM工藝的陶瓷材料,且打印過程中喂料可循環(huán)利用,減少浪費(fèi),材料利用率高。
PEP技術(shù)能一次性打印出具有復(fù)雜形狀的生坯,可減少或免除后續(xù)的機(jī)加工工序,而且在蠟基粘結(jié)劑的支持下,陶瓷喂料的流動(dòng)狀態(tài)更均勻、液相固化過程更穩(wěn)定可控。能消除傳統(tǒng)模具成形較大尺寸產(chǎn)品不可避免的沿壓方向密度梯度,可獲得組織結(jié)構(gòu)均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的近凈尺寸零件。PEP制備陶瓷產(chǎn)品的工藝流程主要包括:陶瓷粉末與粘結(jié)劑混合-喂料混煉制粒-3D打印成形-脫脂-燒結(jié)。此工藝過程中粘結(jié)劑的選擇和開發(fā)起到了關(guān)鍵作用。
蠟基陶瓷材料在PEP中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
對(duì)于陶瓷3D打印來說,PEP是在CIM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種增材制造技術(shù),與傳統(tǒng)CIM有著完美的契合度,使得其在陶瓷方向的應(yīng)用廣泛。PEP工藝可適配粒徑在0.2-100μm的陶瓷原粉,升華三維已自主開發(fā)的蠟基陶瓷喂料有:高溫碳化物陶瓷、氮化物耐熱陶瓷、高熔點(diǎn)氧化物陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、超高溫陶瓷及生物陶瓷等,其固含量在55~65vol%之間。
除此之外,由于采用的是顆粒擠出喂料,造粒粉及球磨粉均可使用,且對(duì)原粉的球形度、均勻性無明確要求,還聯(lián)合客戶開發(fā)了更多適用應(yīng)用需求的陶瓷喂料。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,公司針對(duì)3D打印喂料配方進(jìn)行了科學(xué)管理,目前已形成了主流金屬/陶瓷3D打印材料的研發(fā)數(shù)據(jù)庫,基于此實(shí)現(xiàn)更多材料開發(fā)及應(yīng)用拓展將更容易,周期會(huì)更短。
▲升華三維開發(fā)有多種蠟基陶瓷材料
蠟基陶瓷材料結(jié)合PEP工藝的獨(dú)立出雙噴嘴3D打印系統(tǒng),除了能實(shí)現(xiàn)單材料的結(jié)構(gòu)件快速成形。還能發(fā)揮其復(fù)合材料打印功能,制備出多材料或非連續(xù)梯度材料的結(jié)構(gòu)件打??;而采用基于PEP三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)的梯度功能材料3D打印機(jī),則可以制備出材料與結(jié)構(gòu)同步梯度變化的復(fù)雜產(chǎn)品,可為陶瓷梯度功能新材料及產(chǎn)品開發(fā),提供設(shè)計(jì)模擬和試驗(yàn)支持。
▲獨(dú)立雙噴嘴系統(tǒng)支持多種打印模式 ?升華三維
▲三螺桿雙組份單噴嘴系統(tǒng)支持梯度功能材料結(jié)構(gòu)打印 ?升華三維
蠟基陶瓷材料在PEP中應(yīng)用前景
據(jù)Business Research Insights 2024數(shù)據(jù)洞察,2023年全球3D打印技術(shù)陶瓷市場(chǎng)規(guī)模為1.97億美元,預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到6.7億美元,預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長率為14.5%。而由于光學(xué)、機(jī)械、化學(xué)和電子行業(yè)的快速增長,各行業(yè)為保持競(jìng)爭(zhēng)力而增加的研發(fā)支出,以及不斷增加的技術(shù)突破和制造技術(shù)的現(xiàn)代化,將為3D打印陶瓷市場(chǎng)帶來新的機(jī)遇。
PEP利用前沿的3D打印技術(shù)結(jié)合成熟的CIM工藝,使得其在陶瓷材料制備和加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。得益于蠟基粘結(jié)劑的使用,PEP在制備陶瓷材料方面的成本效益、材料適應(yīng)性、及與傳統(tǒng)工藝的融合都得到了進(jìn)一步的提升。同時(shí),多種成型系統(tǒng)的加持,也為PEP工藝創(chuàng)造工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多想象空間,在大尺寸、內(nèi)部多孔復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)件制造和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用開發(fā)方面有明顯優(yōu)勢(shì)。
▲PEP工藝制備的氮化硅應(yīng)用樣品 ?升華三維
▲PEP工藝制備的碳化硅應(yīng)用樣品 ?升華三維
▲PEP工藝制備的氧化鋁應(yīng)用樣品 ?升華三維
▲PEP工藝制備的氧化鋯應(yīng)用樣品 ?升華三維
PEP工藝目前已在空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過濾催化器、人工骨等陶瓷應(yīng)用方面有著較成熟案例。此外,PEP技術(shù)因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性,有助于減少能源消耗和環(huán)境污染,符合當(dāng)前制造業(yè)的環(huán)保趨勢(shì),市場(chǎng)潛力巨大。有望在航空裝備、空間技術(shù)、核工業(yè)、國防、光伏半導(dǎo)體、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得以深度開發(fā)和應(yīng)用拓展。
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