近幾個月來，陶瓷材料的應(yīng)用比以往任何時候都更受關(guān)注。這是由于一系列的趨勢：一方面，一些AM技術(shù)現(xiàn)在能夠加工高級陶瓷材料，另一方面，現(xiàn)在有低成本的技術(shù)，能夠使用陶瓷材料作為終端用途的理想材料，使用，生物相容性甚至食品相容的產(chǎn)品。陶瓷技術(shù)能夠提供理想的機(jī)械性能和3D打印功能，可以在復(fù)雜的高分辨率幾何形狀中塑造陶瓷部件，這在過去是不可能的。
隨著更大的工業(yè)集團(tuán)直接參與陶瓷3D打印技術(shù)的研究，SmarTech出版公司(AM行業(yè)領(lǐng)先的市場預(yù)測公司)正在預(yù)測Ceramics AM市場，包括硬件，軟件，材料和應(yīng)用(技術(shù)和傳統(tǒng))到2027年將達(dá)到10億美元，在航空航天，醫(yī)療，工業(yè)制造甚至消費(fèi)品領(lǐng)域迅速普及。出于這些原因，3DPMN本月推出了陶瓷AM行業(yè)焦點(diǎn)，專門設(shè)立了 焦點(diǎn)組，專門針對陶瓷增材制造的所有技術(shù)，應(yīng)用和市場演變。在下面的兩部分文章，Rachel Park 將在領(lǐng)先的工藝和主要的新應(yīng)用方面探索陶瓷3D打印世界的最新發(fā)展。
——3D打印媒體網(wǎng)絡(luò)首席執(zhí)行官Davide Sher
背景介紹
早在公元前12000年，陶器作為人類歷史上的一種功能性材料被深深地植入陶器的陶器中。工業(yè)陶瓷材料可以追溯到20世紀(jì)初，陶瓷被廣泛用于室內(nèi)管道，下水道瓷磚，浴室和廚房設(shè)備。
作為一個基本的定義，陶瓷材料是無機(jī)的非固體金屬材料，通常至少30%是結(jié)晶的。自然產(chǎn)生的粘土傳統(tǒng)上是陶瓷材料的基礎(chǔ)材料，并且仍然占主導(dǎo)地位，但它不是當(dāng)今所有陶瓷材料的基本要求。
陶瓷材料一般可以分為四種方式：
結(jié)構(gòu)陶瓷 - 用于建筑磚，管和屋頂/地磚等
耐火陶瓷 - 用于制造鋼和玻璃的窯襯和坩堝。
白色 家具 - 包括餐具，裝飾瓷磚，藝術(shù)品和浴室家具(廁所/水槽等)。
技術(shù)陶瓷 - 先進(jìn)的陶瓷材料，具有高度的機(jī)械，化學(xué)，熱和電阻性，通常用于航空，汽車，軍事和醫(yī)療應(yīng)用; 一般來說，不含粘土。
在3D打印和增材制造領(lǐng)域，與聚合物和金屬材料類別相比，陶瓷材料仍在追趕上。在陶瓷3D打印方面，已經(jīng)并將繼續(xù)進(jìn)行重大的研究和增加商業(yè)用途，但是還沒有像其他材料類別那樣普及。
由Tethon3D的粘結(jié)劑噴射技術(shù)生產(chǎn)的陶瓷部件，在Zcorp系統(tǒng)上使用Tethonite粉末
另一種是由Nervous系統(tǒng)使用Porcelite材料在Formlabs系統(tǒng)上進(jìn)行立體平版打印
用于3D打印的陶瓷材料的特別之處在于后期制作，從3D打印機(jī)取出的部件需要經(jīng)歷與使用傳統(tǒng)生產(chǎn)方法生產(chǎn)的任何陶瓷部件相同的二次加工 - 即燒制(也稱為燒結(jié))和上釉(取決于應(yīng)用)。整個過程的3D打印階段是產(chǎn)生所需的部件形狀，由于陶瓷材料的性質(zhì)，它保持脆弱的狀態(tài) - 被稱為綠色部分。典型地在大于800℃的溫度下的燒結(jié)或燒制的二次過程基本上是向部件添加“強(qiáng)度”并且確定材料的最終性能的地方。
WASP的陶瓷3D打印的藝術(shù)
來自Vorm VRIJ的多材料陶瓷部件
如前所述，陶瓷3D打印已經(jīng)在過去十年中引起了越來越多的研究和新的商業(yè)實體的關(guān)注，其中包括硬件和工藝開發(fā)，材料開發(fā)，應(yīng)用開發(fā)，以及提供商業(yè)可用和專有陶瓷3D打印服務(wù)的專業(yè)化服務(wù)的出現(xiàn)。
目前有三種主要的3D打印工藝可用于陶瓷材料，即粘合劑噴射，材料擠出和槽式光聚合方法，即立體光固化(SLA)和數(shù)字光處理(DLP)。
陶瓷的粘合劑噴射可用于加工工業(yè)(技術(shù))陶瓷材料的粘合劑噴射系統(tǒng)的主要3D打印硬件供應(yīng)商包括3D Systems(通過之前收購ZCorporation以及后續(xù)開發(fā)); Voxeljet和ExOne。這個過程取決于技術(shù)陶瓷材料的粉末床和選擇性地結(jié)合粉末的液體粘合劑材料。
DG Shape(之前由Roland DG運(yùn)營)是另一家正在開發(fā)用于3D打印陶瓷材料的粘合劑噴射系統(tǒng)的硬件供應(yīng)商。原型版去年在formnext展出。
Johnson Matthey(JM)指出，另一家最近出現(xiàn)的基于粘合劑噴射工藝的商業(yè)增材制造主張。慶祝其成立200周年之際，JM的做法，是由于用戶的演變。作為原型制造應(yīng)用領(lǐng)域的3D打印技術(shù)的長期用戶，自2009年以來，公司已經(jīng)投入巨資開發(fā)了專有的粘結(jié)劑噴射工藝，用于其大批量應(yīng)用 - 催化劑的生產(chǎn)以及專有工業(yè)陶瓷材料的開發(fā)。該公司目前正在擴(kuò)大內(nèi)部3D打印生產(chǎn)應(yīng)用，并向工業(yè)合作伙伴提供服務(wù)和支持。
JM應(yīng)用程序的有趣之處在于，該公司引用了比其他增材制造工藝更容易地擴(kuò)大粘合劑噴射工藝的能力，其中部件的強(qiáng)度等于或高于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法。而且，通常被認(rèn)為是陶瓷AM-孔隙率的限制的特性實際上對于生產(chǎn)催化劑是有利的。
陶瓷材料擠壓
材料擠壓工藝是3D打印工藝中應(yīng)用最為廣泛的一種，適用于低成本臺式系統(tǒng)和大型工業(yè)機(jī)器。用于各種不同材料的不同擠出機(jī)的開發(fā)還包括粘土和陶瓷填充聚合物。
意大利WASP組織也許是最廣泛地展示了使用擠壓工藝進(jìn)行陶瓷材料3D打印的能力和潛力的公司。WASP最終的目標(biāo)是開發(fā)大型3D打印機(jī)，用于生產(chǎn)低成本的可持續(xù)住房項目，使用來自住宅區(qū)域的大量供應(yīng)材料。公司正在開發(fā)的關(guān)鍵是可調(diào)流體密度擠出機(jī)的開發(fā) - 液體沉積模型(LDM)WASP擠出機(jī) 與陶土，陶瓷，瓷器，氧化鋁，鋯和高級陶瓷相容“。
其他已經(jīng)開發(fā)了陶瓷材料桌面擠壓系統(tǒng)的公司包括VORM VRIJ，它已經(jīng)開發(fā)了LUTUM系列粘土三維打印機(jī)，帶有FFD 150H系統(tǒng)的3D Figo，以及最近的DeltaBots的3D Potterbot 7和Clay XYZ打印機(jī)。上個月在Kickstarter上成功獲得了資助。
WASP的陶瓷3D打印的藝術(shù)
來自Vorm VRIJ的多材料陶瓷部件
VIVJ VIRJ是荷蘭的一個夫妻團(tuán)隊，其職責(zé)與WASP相似，主要受可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動，但也明顯側(cè)重于藝術(shù)和設(shè)計。LUTUM系列有三臺3D打印機(jī)LUTUM mini，帶有一個單一的擠出機(jī)和45 x 44 x 45厘米的構(gòu)建體積; LUTUM MXL，建造體積為45 x 44 x 75厘米，標(biāo)配單臺擠出機(jī)，但可配置雙重擠出機(jī); 和用于雙色打印的雙擠出機(jī)的LUTUM雙(實驗)系統(tǒng)。
根據(jù)該公司的說法，DeltaBots 的3D Potterbot 7可以在Z軸上打印高達(dá)36英寸的“厚粘土”陶瓷產(chǎn)品。這種功能再一次由專有的擠出機(jī)實現(xiàn)，該擠出機(jī)的特點(diǎn)是噴嘴尺寸在1mm到16mm之間。
Figo-3D開發(fā)了FFD 150H 3D打印系統(tǒng)，其中FFD是熔融原料沉積的首字母縮略詞。該系統(tǒng)的前提是，它可以處理基于CIM和MIM的立場的陶瓷和金屬材料，根據(jù)該公司。FFD 150 H的構(gòu)建體積為15 x 15 x 12厘米。
光聚合方式
作為SLA工藝的創(chuàng)始者，3D Systems可以提供了一系列陶瓷填充的SLA樹脂。
法國3D Ceram公司已經(jīng)開發(fā)了專門用于3D打印光固化陶瓷漿料(氧化鋁，氧化鋯或羥基磷灰石(HA))的硬件系統(tǒng)。Ceramaker 900系統(tǒng)既提供銷售和服務(wù)，并建立30×30×11厘米的體積，分辨率下降到25微米。
像3D Ceram一樣，荷蘭的ADMATEC開發(fā)了基于其ADMAFLEX技術(shù)的專有硬件，用DLP工藝和填充樹脂(氧化鋁/氧化鋯/熔融石英)生產(chǎn)高密度陶瓷元件。聲稱密度> 99%以上，這個過程最初(并繼續(xù))作為一種服務(wù)提供，但自2016年以來已經(jīng)可以以ADMAFLEX 130系統(tǒng)的形式購買。
Lithoz LCM系統(tǒng)
3D Ceram最大的Ceramaker
位于奧地利的Lithoz也有類似的背景，他們在尋求3D打印陶瓷公司的發(fā)展歷史模式的情況下，Lithoz專注于陶瓷制造的整個價值鏈，包括硬件，軟件，專門開發(fā)的陶瓷材料和服務(wù)。高性能陶瓷專有的Lithoz AM工藝被稱為基于平版打印的陶瓷制造(LCM)，并使用技術(shù)性的高性能陶瓷材料生產(chǎn)與傳統(tǒng)成型零件相同材料特性的零件。這一進(jìn)程的商業(yè)化是在2006年在維也納圖恩舉行的一個項目的結(jié)果。
Lithoz LCM系統(tǒng)
3D Ceram最大的Ceramaker
在工藝創(chuàng)新方面，基于以色列的XJet正在基于其專有的NanoParticle噴射技術(shù)，將直接的陶瓷噴墨打印系統(tǒng)商業(yè)化。實質(zhì)上，這個過程噴射含有陶瓷納米顆粒的超薄液滴層，沉積在系統(tǒng)構(gòu)建托盤上，當(dāng)分散液體由于過程的極高溫度而蒸發(fā)時，直接生成陶瓷部件。有趣的是，我們了解到XJet進(jìn)入陶瓷行業(yè)的主要驅(qū)動力來自牙科行業(yè)，這可能是一個主導(dǎo)應(yīng)用。
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