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武汉三维陶瓷:光固化与热熔融陶瓷3D打印技术

频道:3D打印技术 日期: 浏览:61

武汉三维陶瓷科技有限公司于2016年与国际领先陶瓷3D打印公司法国3DCERAM共同开发中国区市场;独家代理其设备销售、售后服务以及本土化应用开发。2019年,开发FDM陶瓷3D打印工艺,拓展陶瓷3D打印应用。2022年,获批多项国拨经费,参与科技部重点研发计划子课题及市级“揭榜挂帅”等纵向项目。2023年,高新技术企业申请获批,连续参与科技部重点研发项目。

一、陶瓷3D打印工艺


△3D打印工艺

首先,周飞介绍了陶瓷3D打印工艺。3D打印就是以智能化处理后的3D数字模型文件为基础,通过逐层增加材料的方式来构造任意复杂的3D实体形状。新兴的3D打印工艺在高性能陶瓷的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,充分满足对个性化、精细化、轻量化和复杂化的高端产品的快速制造的需求为陶瓷关键零部件的应用开辟新的途径。陶瓷3D打印工艺是作为成型的工序,其作用等同于已知的干压成型、流延成型、注射成型设备或人工方式等,成型完成后的后续又回归到传统的工序。


△3D打印技术与传统制造技术的对比


△各种陶瓷3D打印的优缺点

相比于传统方法,3D打印技术可以应用于更复杂的形状结构,研发时间可以从几个月缩短到几周,不需要模具费用,同时没有最低数量的限制。陶瓷3D打印技术有很多种,包括SLA激光光固化、DLP数字投影光固化、SLS选择性激光烧结和FDM热熔融沉积等工艺。相比较之下,SLA激光光固化技术的打印精度较高,打印零件的致密度较高,FDM热熔融沉积的设备成本更低。

二、光固化陶瓷3D打印技术及工艺

光固化陶瓷3D打印技术应用领域很广,可以用于生物医疗、航空航天、国防军工、半导体和珠宝等。


△光固化陶瓷3D打印工艺过程

光固化技术基于单体光聚合反应,其制备陶瓷的具体过程包括制备陶瓷浆料、打印和脱脂烧结三个步骤。打印时,采用光固化原理,通过紫外线照射使陶瓷浆料逐层固化制造出陶瓷胚体,最终经脱脂烧结获得陶瓷产品。

周飞表示,从数字模型开始,最终能得到性能良好的陶瓷产品,是多重工艺叠加的结果:打印设备软件硬件的适配性、打印材料的稳定性固含量高低,都会影响打印过程和烧结过程。


△3DCERAM提供全场景应用的陶瓷3D打印机

目前,3DCERAM提供全场景应用的陶瓷3D打印机,即CERAMAKER 系列陶瓷3D打印机,可以应用在实验室测试到批量生产等场景。例如,C100Easy标准平台为100*100*150mm的单激光器单材料光固化陶瓷打印机。可以选配多材料打印套件、60mm的打印小平台等,非常适合实验室场景的使用。C1000 FLEXMATIC是标准平台为320*320*200mm的光固化陶瓷打印机,很适合生产级光固化打印以及半自动化生产线,可以选配双激光器、可拆卸式打印平台和自动化清扫装置。


△光固化陶瓷3D打印材料

3DCERAM也提供多种光固化陶瓷3D打印材料——3DMIX系列,如下图所示,材料种类覆盖范围很广,包括氧化物陶瓷系列、非氧化物陶瓷系列、生物陶瓷系列等。

如今,整个增材制造市场积极对光固化陶瓷3D打印前沿进行积极探索。周飞表示,以武汉三维陶瓷科技有限公司为主体,在2022年、2023年度连续两年参与到科技部重点研发子课题:

●《多种材料的光固化连续成形理论、关键技术》2022YFB4601400

●《大尺寸特种陶瓷增材制造技术与装备》2023YFB4600058



在欧洲,3DCERAM受到”地平线2020“资助,先后参与:

●2015年2月~2018年8月 《COST-EFFECTIVE AND FLEXIBLE 3D PRINTED SOFC STACKS FORCOMMERCIAL APPLICATIONS》

●2023年1月~2025年15月 《HYDROGEN PRODUCTION IN PRESSURIED 3D-PRINTED SOLID OXIDE ELECTROLYSIS STACKS》

未来,光固化陶瓷3D打印技术的研究方向可以致力于:
●软硬件的提供:适应不同场景的打印设备,标准或者定制化的耗材
●前沿探索:科研项目支撑
●交钥匙项目:针对特定产品的工艺开发,全套交钥匙工程

三、热熔融挤出陶瓷3D打印方式



△FDM陶瓷3D打印工艺过程

在FDM陶瓷3D打印种,由于采用的打印线材为高分子聚合物、陶瓷粉末以及其他添加剂混合而成,因此需要通过后处理工艺中的溶剂脱脂、热脱脂、高温烧结三个步骤,以去除坯体中的有机成分,获得性能优异的陶瓷产品。

与其它陶瓷3D打印技术相比,FDM陶瓷3D打印的优势如下:
●完全自由塑性
●整套设备性价比高
●较高打印成型速度
●可选择打印的陶瓷材料种类多
●稳定的陶瓷3D打印工艺
●适用环境简单便捷,后期维护成本低
●不同材料的陶瓷脱脂烧结工艺技术成熟


△碳化硅反射镜


△中空结构件

周飞介绍了FDM陶瓷3D打印解决方案——MAT线材打印机:打印机具有低挤压力,但仍有足够的扭矩来克服粘度,以推动细丝通过小直径喷嘴。适合喷嘴的耐磨材料。减少陶瓷零件内应力的切片算法,可以实现完美的打印密度、质量和稳定性。


△FDM陶瓷3D打印机

FDM工艺具有很好的兼容性,打印头可以选择螺杆式挤出头,非常适合颗粒打印;也可以使用DIW直写式挤出头,可以用于低粘度材料打印;甚至可以使用CNC减材刀具,可以进行后加工处理。

未来,FDM陶瓷3D打印的研究聚焦点如下:
●MAT设备平台及各种选配打印头
●各种特种线材或颗粒料的研发
●围绕产品的定制化项目

关键词:陶瓷3D打印技术

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