陶瓷3D打印方法、应用及案例

发布日期:2023-10-30

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陶瓷是一种具有高强度、电绝缘性等优异性能的材料,有望在广泛的产品中得到应用。另一方面,陶瓷也被认为难以加工,近年来对3D打印的需求迅速增加。

 

陶瓷的特性

广义上的陶瓷是指固体材料中除金属和有机材料之外的“无机材料”。典型的陶瓷包括非金属元素硅和金刚石,以及由金属和非金属元素组合而成的无机化合物。

陶瓷有多种材料组合,因此具有多种特性。正如您对陶瓷、玻璃、水泥等的想象,它是一种具有耐热、耐腐蚀、电绝缘等特性的材料。

 

陶瓷中,性能特别优异的材料被称为“高性能陶瓷(精细陶瓷)”,是汽车、半导体、工业机械、医药等领域必不可少的材料。

 

陶瓷3D打印需求

陶瓷加工可采用多种加工方法,包括切割、放电加工、激光加工和注射成型。然而,陶瓷具有多种多样的特性,因此无论使用哪种加工方法,都很难设定与材料特性相匹配的条件。

陶瓷也是一种硬、脆、易碎的材料,已知其难以切割,导致切割时产生碎屑和裂纹。注射成型的缺点是难以妥善管理用作材料的陶瓷粉末,且材料的储存成本较高。

 

3D打印作为可以解决这些问题的陶瓷加工方法正在引起人们的关注。使用 3D 打印机进行 3D 打印可以创建通过切割或注塑成型难以创建的形状。3D打印的另一个主要优点是它不需要注塑成型所需的模具,从而减少了制造时间和成本。

 

陶瓷3D打印机打印的方法

与陶瓷材料兼容的3D打印机主要采用以下三类打印方式。

 

1、立体光刻(陶瓷3D建模)

立体光刻技术是典型的3D建模方法之一,主要采用光固化树脂作为材料。

 

通过用紫外线激光照射堆积在建模台上的材料并逐层固化它们,可以创建高精度和光滑的表面。

近年来,有时也采用树脂和陶瓷的混合物“陶瓷树脂”作为立体光刻材料,造型后在高温窑中烧制完成产品。

 

与激光烧结粉末陶瓷相比,它具有高强度和耐热性的一大特点,有望用作航空航天工业和电子器件的材料。

 

2、激光熔化法(陶瓷3D建模)

激光熔化是一种通过激光照射粉末材料进行建模的方法。虽然它一般与金属材料一起使用,但它也适用于加工需要烧结的陶瓷。

通过照射窄激光束,可以在短时间内制造出具有精确形状的零件。例如,我们可以创建使用其他加工方法无法实现的形状,例如嵌入多孔结构或晶格结构的中空形状。

 

由于烧结过程中会产生微小间隙,因此存在强度问题,但我们开发了一种在烧结后填充间隙的加工方法,即使形状复杂,也能达到与高性能陶瓷相当的强度。

 

3、挤压法(陶瓷3D造型)

挤压是一种通过将加热熔融的材料挤压到造型台上来获得所需形状的加工方法。当使用挤压法加工陶瓷材料时,首先将陶瓷粉末与充当粘合剂的树脂捏合,然后加热并熔化。通过反复从喷嘴将各层注射成所需形状并冷却固化即可获得所需形状。

将固化后的材料进行脱脂和烧结,制成烧结陶瓷部件,但与激光熔化一样,会产生小间隙,因此需要采取措施确保强度。

 

关于陶瓷3D打印机在工业领域的使用

陶瓷3D打印机可以小批量生产复杂形状的陶瓷制品,越来越多地应用于各种工业领域。

 

1、汽车行业

精细陶瓷具有高强度和耐热性,因此有望用于耐热性很重要的发动机部件。此外,由于它比金属轻,因此还可用于减轻汽车的重量。

 

尤其是现在,环保法规日趋严格,对废气法规、燃油效率、耗电量优异的车辆的需求不断增加。

 

2、航空航天工业

飞机和火箭由于飞机表面与大气的摩擦而暴露在高温下,因此需要耐热性和耐磨性,而精细陶瓷可以用于此目的。

 

不仅是机身,火箭的喷气发动机和喷嘴部件也需要耐热性,因此陶瓷的特性将会发挥作用。

此外,小行星探测器“隼鸟号”和“隼鸟2号”的锂离子电池端子采用了陶瓷部件,要求强度高、耐腐蚀、耐热、绝缘。陶瓷零件已被用于多种零件。

 

3、电子元器件

随着汽车电气化和物联网的普及,电子元件需要更小、更快,而精细陶瓷对于实现这一目标至关重要。

 

为了制造高性能的电子元件,需要将其加工成复杂的形状,而通过3D打印,可以制造出使用其他加工方法无法制造的复杂形状,例如中空结构。

陶瓷3D打印有望引领高性能、高功能新产品的开发,是未来高性能电子元件领域不可或缺的技术。

 

4、医疗领域

与树脂和金属相比,陶瓷具有高度的生物相容性,因此有望用于人造骨和牙科植入物以及再生医学的医疗器械和零件等。

 

特别是,人造骨骼和牙种植体需要根据每位患者的形状进行设计,并且很可能是独一无二的,因此 3D 打印可以降低成本和时间。

 

陶瓷3D打印机的使用案例

由于BMF对建模精度要求较高,我们开发了一种独特的立体光刻技术,称为PμSL(投影微立体光刻)。除了树脂之外,我们还提供原型氧化铝陶瓷。

我们将介绍使用 PµSL 技术使用陶瓷进行 3D 打印的示例。

 

1、陶瓷医疗零件

由于其优异的生物相容性,陶瓷被用于各种医疗部件,包括植入物和人工关节、内窥镜外壳、心血管支架和注射器针头。

 

2、陶瓷机械零件

这是精密螺丝(外螺纹/内螺纹)零件的示例。陶瓷具有优异的电绝缘性、耐磨性和耐热性,因此有望应用于半导体制造和电子元件产品开发等多种领域。

PμSL技术可以打印螺纹直径为2.4毫米、光学分辨率为2微米的精密螺钉。

 

3、陶瓷结构件

这是陀螺仪(具有复杂周期性图案的结构)等结构组件的示例。采用具有优异耐化学性、耐酸性、耐碱性的陶瓷进行成型,有望在研究机构和化学领域得到应用。

 

PμSL 技术允许以 10 微米的光学分辨率打印壁厚仅为 0.22 毫米的结构。

 

陶瓷3D打印需求总结

陶瓷具有高强度、电绝缘等特性,也被称为难加工材料。3D打印机不受陶瓷易碎性的影响,不需要模具,可以创造复杂的形状。

 

未来,为了充分利用陶瓷的特性,3D打印将变得至关重要,陶瓷在汽车、航空航天、医疗等各个领域的需求将会增加。

 

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