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3D打印先進(jìn)陶瓷現(xiàn)狀概述

Additive Manufacturing Research近期發(fā)布了關(guān)于陶瓷3D打印行業(yè)的深度研究報(bào)告，該報(bào)告聚焦于該領(lǐng)域的迅猛增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)其“陶瓷3D打印市場(chǎng)與預(yù)測(cè)：2024-2032”研究顯示，陶瓷3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到1.73億美元，并預(yù)測(cè)至2033年，這一市場(chǎng)規(guī)模有望接近9億美元，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)潛力。

陶瓷3D打印的迅速擴(kuò)張得益于其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是從傳統(tǒng)的研發(fā)和電子產(chǎn)品細(xì)分市場(chǎng)向航空航天、醫(yī)療、工具制造等更廣泛工業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變。這一趨勢(shì)預(yù)示著陶瓷增材制造技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)邁進(jìn)，為市場(chǎng)增長(zhǎng)注入了強(qiáng)大動(dòng)力。

上周，我們重點(diǎn)圍繞公司在2024年度金屬3D打印應(yīng)用進(jìn)展做了分享，而其實(shí)在陶瓷材料應(yīng)用方向，2024年同樣具有非凡意義。升華三維PEP技術(shù)的”3D打印+粉末冶金“相結(jié)合的獨(dú)特工藝方式，注定在先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域與傳統(tǒng)PIM工藝會(huì)產(chǎn)生深度融合的應(yīng)用場(chǎng)景。在這一年，我們重點(diǎn)在碳化硅、氮化硅等先進(jìn)陶瓷材料應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)拓出了獨(dú)具特色的應(yīng)用場(chǎng)景。本文，將為大家繼續(xù)分享升華三維的另一個(gè)核心材料方向，先進(jìn)陶瓷材料的3D打印應(yīng)用進(jìn)展。

2024年先進(jìn)陶瓷3D打印應(yīng)用進(jìn)展

RBSC光學(xué)反射鏡大尺寸、輕量一體化制備碳化硅（SiC）陶瓷因其比剛度大、熱導(dǎo)率高、熱變形系數(shù)小以及穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)等高端制造的電子設(shè)備、散熱解決方案以及光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。升華三維從SiC的素坯成型工藝入手，結(jié)合適宜的燒結(jié)工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達(dá)到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證了產(chǎn)品性能滿足使用需求。目前已在光學(xué)反射鏡的制備上已實(shí)現(xiàn)多個(gè)商業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目。

▲輕量化設(shè)計(jì)的碳化硅反射鏡坯 ?升華三維

例如，上海硅酸鹽研究所利用升華三維獨(dú)立雙噴嘴系統(tǒng)打印機(jī)結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學(xué)元件等高附加值組件，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。PEP工藝為該案例中的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輕量一體化碳化硅元件的成功制備提供了支持，可有力地支撐國(guó)家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升了我國(guó)在遙感探測(cè)技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。此外，基于PEP的顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來(lái)空間3D打印提供了可能。

▲RBSC晶舟產(chǎn)品 ?上海硅酸鹽研究所

半導(dǎo)體制程RBSC晶舟開(kāi)發(fā)碳化硅材料制舟托、舟盒、管件制品等熱穩(wěn)定性能好、高溫使用不變形、無(wú)有害析出污染物、熱膨脹系數(shù)適配性好、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)，具有替代存量石英材料的能力。PEP技術(shù)結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝（RBSC）制造碳化硅晶舟，為晶圓載具的靈活結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支持。                                                                                                 

RBSC工藝具有處理溫度低、時(shí)間短、不需要特殊及昂貴的設(shè)備、反應(yīng)燒結(jié)胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結(jié)過(guò)程無(wú)需加壓，即可制備出大尺寸、形狀復(fù)雜的制品。碳化硅晶舟獨(dú)特的物理特性使得其能夠在惡劣的環(huán)境下工作，在半導(dǎo)體制程應(yīng)用領(lǐng)域中擁有廣闊的發(fā)展前景。

▲RBSC晶舟樣品展示 ?升華三維

氮化硅渦輪葉片一體化制備

氮化硅作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在加工上有較大的難度和局限。升華三維利用PEP技術(shù)可直擊氮化硅材料傳統(tǒng)制造痛點(diǎn)，為氮化硅渦輪葉片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型提供支持。相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝，可以大大加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與商業(yè)化時(shí)間，極大地縮短了制造周期和生產(chǎn)成本。

采用PEP制備的氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件，適用于傳統(tǒng)工藝常用的氮化硅燒結(jié)方法?？蛻魬?yīng)根據(jù)設(shè)備條件、性能要求、成本預(yù)算、時(shí)間效率等多方面因素，選擇最適宜的燒結(jié)技術(shù)。該氮化硅渦輪葉片應(yīng)用案例，采用用了無(wú)壓燒結(jié)工藝，其燒結(jié)性能表現(xiàn)優(yōu)異，該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)打磨、拋光等處理后，符合客戶應(yīng)用場(chǎng)景需求，且已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

▲3D打印氮化硅渦輪 ?升華三維

氮化硅陶瓷輕量一體化殼體制備

氮化硅除了具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨性、高抗彎強(qiáng)度、高冷熱沖擊等性能外。還具有優(yōu)異的電絕緣和透波等性能，可在復(fù)雜環(huán)境中使用，并能夠保持可靠性與使用壽命。適用于多孔氮化硅陶瓷透波功能件的制備和性能研究。升華三維利用PEP技術(shù)為氮化硅陶瓷輕量一體化殼體成型提供了一種更經(jīng)濟(jì)的增材制造方案。不僅能夠提高生產(chǎn)效率，降低成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)透波功能件的嚴(yán)苛要求。在國(guó)防、航空航天、氣象等領(lǐng)域都具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

升華三維已具備氮化硅陶瓷構(gòu)件開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)能力。采用PEP工藝制備的氮化硅殼體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的透波、承載、防熱和抗沖擊等性能，該殼體燒結(jié)件已通過(guò)客戶的性能測(cè)試，目前我們正結(jié)合客戶應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以減少后處理步驟及制備周期。

▲氮化硅殼體結(jié)構(gòu)燒結(jié)樣品 ?升華三維

多孔氮化硅植入體制備另外，氮化硅具有優(yōu)秀的抗菌和抗病毒能力，以及優(yōu)異的生物相容性，可適用于牙科、骨科和顱頜面植入物領(lǐng)域。PEP技術(shù)的顆粒材料融熔擠出成型方式，在打印件的表面光潔度有限，但是在結(jié)合多孔晶格填充結(jié)構(gòu)打印后，會(huì)具有對(duì)生物陶瓷植入物獨(dú)特需求的高接觸面積和低表面質(zhì)量的結(jié)構(gòu)特性，而這可以更好地適應(yīng)生物血肉滲入和生長(zhǎng)。升華三維在這方面做了非常多的材料和工藝設(shè)備優(yōu)化工作，以適配醫(yī)療行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段已經(jīng)開(kāi)發(fā)有氮化硅、氧化鋯、羥基磷灰石等生物陶瓷材料，且已與多個(gè)醫(yī)療器械研究機(jī)構(gòu)建立合作，共同探索PEP工藝在陶瓷植入體方向的應(yīng)用。

▲3D打印氮化硅人工椎體 ?升華三維

陶瓷燒結(jié)治具制備

與傳統(tǒng)的工具制造方式相比，3D打印技術(shù)更適用于制作燒結(jié)治具。它可根據(jù)具體工件需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，且快速制作出適用于不同工藝的燒結(jié)治具；3D打印可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)治具無(wú)模制造，且可快速迭代，大大節(jié)省了時(shí)間和資源。此外，在燒結(jié)治具的輕量化方向獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，不僅可以降低材料成本，還可以減少能源消耗。基于PEP技術(shù)的獨(dú)立雙噴嘴3D打印設(shè)備，在制作燒結(jié)治具方面能充分發(fā)揮3D打印的靈活設(shè)計(jì)與制備優(yōu)勢(shì)，并完美融合到粉末冶金工藝中，以極簡(jiǎn)的工藝步驟解決復(fù)雜工件與治具的成型及燒結(jié)問(wèn)題，在燒結(jié)治具應(yīng)用中擁有巨大潛力。PEP工藝可同時(shí)滿足工件和燒結(jié)治具的高自由度設(shè)計(jì)和快速制備，目前已為粉末冶金行業(yè)客戶在3D打印工件及燒結(jié)治具方面提供解決方案，以適應(yīng)其更復(fù)雜的工件形狀和更高的生產(chǎn)效率要求。

▲PEP制備的陶瓷治具和金屬零件 @升華三維

陶瓷陣列結(jié)構(gòu)一體化制備陣列結(jié)構(gòu)是一種具有規(guī)則重復(fù)模式的三維結(jié)構(gòu)，其中的單元格按照特定的周期性在空間中重復(fù)排列。這種結(jié)構(gòu)在自然界和工程領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。3D打印陣列結(jié)構(gòu)是增材制造技術(shù)中的一種重要應(yīng)用，它能夠在三維空間中精確地排列和構(gòu)建出復(fù)雜的陣列結(jié)構(gòu)，PEP工藝為復(fù)雜陣列結(jié)構(gòu)-功能一體化的開(kāi)發(fā)制造提供解決方案，可支持粉末注射成型工藝中金屬/陶瓷材料的陣列結(jié)構(gòu)打印。PEP工藝具有低成本、?高效、一體化、性能一致性好。該案例中，客戶采用該工藝制備陶瓷陣列骨架，完成后的陣列結(jié)構(gòu)件再結(jié)合特定的材料進(jìn)行融合，可實(shí)現(xiàn)如輻射增強(qiáng)、空間濾波、疏水、生物細(xì)胞培養(yǎng)等特殊功能。

▲陣列結(jié)構(gòu)樣品模型展示 @升華三維

3D打印技術(shù)目前已成為工業(yè)制造領(lǐng)域的重要手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實(shí)現(xiàn)先進(jìn)陶瓷無(wú)模成形、縮減產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、精細(xì)陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用。

PEP技術(shù)在成本效益、材料適應(yīng)性、及與傳統(tǒng)工藝契合方面均表現(xiàn)出色，且在大尺寸的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷、中空輕量化結(jié)構(gòu)和梯度功能陶瓷制備方面能提供完備的工藝支撐，同時(shí)也特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的增材制造。升華三維目前已在如空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過(guò)濾催化器、人工骨等先進(jìn)陶瓷應(yīng)用方面有著較成熟案例。

▲PEP工藝制備蠟基陶瓷材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及前景 ?升華三維

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。下一步，升華三維將緊跟先進(jìn)陶瓷增材發(fā)展趨勢(shì)，助力科研方向探索先進(jìn)陶瓷新材料新工藝；同時(shí)，借助傳統(tǒng)工業(yè)陶瓷轉(zhuǎn)型升級(jí)契機(jī)，深度挖掘應(yīng)用場(chǎng)景，以加快產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐。