引言：2020年10月，由HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的陶瓷樹脂材料搭載天鵝座無人補(bǔ)給飛船交付國際空間站，并以高分辨率成功實(shí)現(xiàn)3D打印成型。這種由碳氧化硅增強(qiáng)的陶瓷材料將在空間站發(fā)揮重要作用。
所有陶瓷零件，無論是傳統(tǒng)加工還是3D打印的，都具有微小的缺陷。當(dāng)應(yīng)力施加到該區(qū)域時，缺陷會變成不受控制的裂紋，從而導(dǎo)致整個零件發(fā)生災(zāi)難性破壞。將增強(qiáng)材料添加到陶瓷基體中是創(chuàng)建耐缺陷零件的常用方法。
當(dāng)前主流的陶瓷3D打印工藝無論是熔融沉積、光固化還是粘結(jié)劑噴射成型，都需要首先將打印生坯中的聚合物去除（脫脂），然后燒結(jié)陶瓷顆粒。而近來，聚合物硅氧烷基樹脂的發(fā)展使陶瓷3D打印帶來了新的發(fā)展契機(jī)，基于該樹脂基體打印的陶瓷生坯，可在高溫（700至1100℃）熱解循環(huán)后直接轉(zhuǎn)化為致密零件，省去了漫長的脫脂和燒結(jié)步驟。而研究者所需要考慮的關(guān)鍵因素在于，陶瓷的低固有韌性會在其加工過程中引入缺陷（如氣孔、未熔合、層間結(jié)合和表面粗糙度），這些缺陷可能會在結(jié)構(gòu)上損害最終的陶瓷組件。
3D打印的陶瓷發(fā)動機(jī)零件進(jìn)入窯爐
HRL實(shí)驗(yàn)室3D打印的陶瓷復(fù)雜形狀同時具備極高性能
美國休斯實(shí)驗(yàn)室（HRL Labs）在2016年就用3D打印工藝開發(fā)了可承受超過1700°C高溫、強(qiáng)度是類似材料十倍的新型陶瓷，相關(guān)研究被發(fā)表于《Science》雜志。自此之后，HRL的團(tuán)隊(duì)一直致力于這項(xiàng)技術(shù)研究，當(dāng)前HRL在自由成形高韌性陶瓷方面獲得了材料和工藝上的突破，能夠解決陶瓷制造過程中缺陷的產(chǎn)生。
一種增韌解決方案，使3D打印的陶瓷厚度和韌性分別提升3倍
HRL研究的挑戰(zhàn)在于將增韌解決方案與3D打印過程結(jié)合在一起。為了解決陶瓷材料的固有脆性，HRL實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。通過將光引發(fā)劑和碳氧化硅（SiOC）材料的混合物引入硅氧烷基樹脂，配制了新的陶瓷前驅(qū)體。經(jīng)過熱解極端加熱過程，3D打印的陶瓷增強(qiáng)前驅(qū)體材料可直接轉(zhuǎn)化為碳硅氧化物（SiOC）陶瓷。
研究人員利用Prodways ProMaker L5000工業(yè)打印機(jī)制造了一系列1.25×2.5×15mm的樣品，來進(jìn)行評估和優(yōu)化配方。經(jīng)過大量的表征測試，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)陶瓷顆粒具有非常好的分散性，但打印部件的拉伸強(qiáng)度卻不同尋常。
Prodways ProMaker L5000基于DLP工藝
研究發(fā)現(xiàn)，較厚的樣品比較薄的樣品更容易開裂，聚合物在熱解過程中會伴有揮發(fā)性物質(zhì)釋放，而揮發(fā)物必須通過基體擴(kuò)散才能從自由表面逸出。因此溫度分布、樣品幾何形狀和基體擴(kuò)散系數(shù)是防止基體內(nèi)孔隙形成的重要因素。HRL團(tuán)隊(duì)隨后確定了可以達(dá)到增強(qiáng)水平的“最佳點(diǎn)”。添加過多的增強(qiáng)元素將超過其“填充極限”，零件強(qiáng)度會降低；而添加量不足，則可能使陶瓷開裂。
與此同時，研究團(tuán)隊(duì)指出增強(qiáng)體的加入有兩個主要作用：隨著顆粒濃度的增加，可成型的陶瓷最大壁厚增加了3倍，而且打印的陶瓷韌性也提高了3倍以上，彎曲強(qiáng)度在225-325MPa之間。由于具有與傳統(tǒng)加工陶瓷相當(dāng)?shù)捻g性、強(qiáng)度和強(qiáng)度變化性，因此所提出的增材制造方法可自由制造高性能陶瓷定制組件。
陶瓷3D打印工藝的挑戰(zhàn)與未來市場
與金屬和聚合物相比，許多陶瓷的極高熔點(diǎn)對增材制造提出了挑戰(zhàn)。由于陶瓷不易鑄造或機(jī)加工，因此3D打印可實(shí)現(xiàn)幾何靈活性的巨大飛躍。HRL所開發(fā)的陶瓷前樹脂體系可以使用目前商業(yè)化的立體光刻3D打印機(jī)進(jìn)行成型，且零件在熱解過程中具有均勻收縮率，最終陶瓷零件內(nèi)部幾乎沒有孔隙。這為創(chuàng)建具有復(fù)雜形狀的高性能陶瓷部件創(chuàng)造了可能。
汽車上的高性能陶瓷產(chǎn)品
3D打印的陶瓷醫(yī)療植入物
陶瓷3D打印也被視為在極限環(huán)境下使用的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，它可以滿足對高溫材料（如超高溫陶瓷）和復(fù)雜幾何形狀的需求。但是，目前缺乏可低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的3D打印工藝來進(jìn)行高強(qiáng)度和耐損傷陶瓷的生產(chǎn)。早期采用陶瓷增材制造的一個吸引人的領(lǐng)域是小型無人機(jī)的低成本發(fā)動機(jī)開發(fā)，它可以顯著提高發(fā)動機(jī)的性能。在這些應(yīng)用中，較高的組件故障風(fēng)險具有相對不重要的影響，可以視為原型設(shè)計(jì)和加速迭代的測試平臺。
盡管一些公司已經(jīng)開發(fā)出了完整的陶瓷3D打印技術(shù)，但截至目前，陶瓷相對于其他材料的3D打印仍然非常小眾，屬于新興技術(shù)領(lǐng)域。據(jù)SmarTech分析公司發(fā)布的最新《陶瓷快速成型零件生產(chǎn)：2019-2030年》顯示，隨著所有主要的陶瓷增材制造技術(shù)的全面發(fā)展，并建立起足夠的系列化生產(chǎn)，陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個拐點(diǎn)。屆時，一大批公司和行業(yè)將受益于該技術(shù)。到2030年，陶瓷增材制造市場的收入估計(jì)將達(dá)到48億美元。
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