陶瓷零件增量成形技術(shù)的研究進(jìn)展

張海鷗　應(yīng)煒晟　符友恒　王桂蘭

1.華中科技大學(xué)，武漢，430074　　2.清華大學(xué)，北京，100084

陶瓷零件增量成形技術(shù)的研究進(jìn)展

張海鷗1應(yīng)煒晟2符友恒1王桂蘭1

1.華中科技大學(xué)，武漢，4300742.清華大學(xué)，北京，100084

陶瓷材料因其優(yōu)越性能而一直受到廣泛關(guān)注，但傳統(tǒng)的陶瓷零件制造技術(shù)工藝復(fù)雜、難度大、周期長、成本較高，從而限制了陶瓷材料的應(yīng)用范圍，而3D打印增量成形技術(shù)為克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足提供了一種新的途徑。介紹了現(xiàn)有陶瓷零件增量成形技術(shù)，并從所能達(dá)到的密度、強度、收縮率水平幾個方面分析了各項技術(shù)的優(yōu)缺點，重點介紹分析了成形與燒結(jié)一體化的高致密陶瓷零件的高效增量成形新技術(shù)，并指出該一體化成形技術(shù)將是陶瓷零件增量制造技術(shù)未來的重點研究方向。

陶瓷零件；增量成形；密度；強度；成形與燒結(jié)一體化

0　引言

低熔點的塑料、樹脂等材料的3D打印技術(shù)已實現(xiàn)商業(yè)化，而更高熔點、應(yīng)用更為廣泛的金屬、陶瓷材料零件的3D打印增量成形技術(shù)正在向工業(yè)實用化方向發(fā)展，其中，高致密金屬零件增量成形技術(shù)已取得較大進(jìn)展[1-2]，而高熔點、高致密陶瓷零件的增量成形技術(shù)的進(jìn)展則比較緩慢。陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機非金屬材料，因具有高熔點、高硬度、高耐磨性和抗氧化等優(yōu)良性能而一直受到廣泛關(guān)注。然而，對于陶瓷零件，采用傳統(tǒng)的干式的鋼模壓制成形、等靜壓成形、超高壓成形和粉末電磁成形，以及濕式的塑性成形和膠態(tài)澆注成形等[3]方法，一方面需進(jìn)行模具設(shè)計與制造，另一方面，其成形與燒結(jié)工藝是分離的，這些因素導(dǎo)致陶瓷零件的制造周期長，工藝復(fù)雜、難度大，成本較高，從而阻礙了陶瓷零件的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。因此，長期以來，研究開發(fā)新的陶瓷零件成形技術(shù)成為制造技術(shù)領(lǐng)域重要的研究前沿和發(fā)展方向，一直受到工業(yè)界的高度關(guān)注。20世紀(jì)80年代末誕生的3D打印增量成形技術(shù)，可直接采用零件的三維CAD數(shù)據(jù)，無模快速制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)和制造周期，為解決傳統(tǒng)陶瓷制造技術(shù)存在的問題提供了新的技術(shù)途徑。迄今，陶瓷零件增量成形技術(shù)已出現(xiàn)了20多種，但多為成形與燒結(jié)分離的增量成形技術(shù)，難度大、耗時長的燒結(jié)工序仍基本采用傳統(tǒng)工藝。陶瓷零件增量成形原理與一般增量成形技術(shù)相同，需要計算機圖形處理和像素信息輸出的計算機軟件系統(tǒng)，以及用于接收計算機輸出指令、將數(shù)字命令轉(zhuǎn)換成實際陶瓷成形的工藝過程的外圍輸出設(shè)備，計算機軟件系統(tǒng)借助現(xiàn)代計算技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，外圍輸出設(shè)備則成為陶瓷增量成形技術(shù)突破的關(guān)鍵[4]。

1　成形與燒結(jié)分離的增量成形技術(shù)

1.1熔融沉積成形技術(shù)

熔融沉積成形(fused deposition of ceramics，F(xiàn)DC)技術(shù)由美國Rutgers大學(xué)和Argonne國家實驗室研發(fā)，與熔融堆積成形(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)類似。FDC技術(shù)的主要工藝過程如下：首先擠制高分子-陶瓷復(fù)合細(xì)絲，要求其擁有合適的黏度、柔韌性、彎曲模量、強度和結(jié)合性能等；然后在計算機控制下，將復(fù)合細(xì)絲送入熔化器，在稍高于高分子材料熔點的溫度下熔化，并將其從噴嘴擠出至工作臺面上；之后通過控制噴嘴在X、Y方向的移動和工作平臺在Z方向的移動實現(xiàn)三維零件的成形；經(jīng)脫脂處理去除坯體中的高分子黏結(jié)劑后，再經(jīng)過燒結(jié)最后得到致密陶瓷零件[4-8]。該技術(shù)的不足之處是微小結(jié)構(gòu)件的層積不夠精確，制成的陶瓷坯體因含有較多高分子黏結(jié)劑而需進(jìn)行長時間脫脂處理，而且因黏結(jié)劑難以除盡導(dǎo)致在后續(xù)燒結(jié)時易產(chǎn)生變形、鼓泡及開裂等缺陷。該技術(shù)所制造的坯體密度約為理論密度的45%～55%。

Agarwala等[9-11]使用FDC技術(shù)制造Si3N4陶瓷零件，所制得的零件坯體的密度為理論密度的53%，燒結(jié)后的密度為98%，線收縮率在X、Y方向上為16.6%±1.3%，在Z方向上為19.3%±1.6%，抗彎強度為(824±110)MPa。與傳統(tǒng)的等靜壓成形工藝相比，F(xiàn)DC技術(shù)所制得的零件坯體密度略低，線收縮率在不同的方向上有各向異性，但零件的燒結(jié)密度和強度相差不大。

1.2三維打印成形技術(shù)

三維打印成形(three dimensional printing，3DP)技術(shù)主要由美國Soligen公司和麻省理工學(xué)院開發(fā)。根據(jù)計算機輸出的二維像素信息，利用噴嘴向陶瓷粉床上噴射結(jié)合劑，噴射打印完一層后，粉料床通過底部活塞向下移動一定距離，并在粉料床頂部添加新粉料，然后再噴射打印結(jié)合劑，重復(fù)此過程，完成后去除起支撐作用的粉料，即可得到立體陶瓷成形坯件[5，12]。

3DP技術(shù)用于制造多孔陶瓷零件(如金屬陶瓷復(fù)合材料的多孔坯體或陶瓷模具等)時具有較大優(yōu)勢，但其缺點是制造致密陶瓷零件難度大，零件的制造精度和表面質(zhì)量受粉料的成分、顆粒大小、流動性和可潤濕性以及制造參數(shù)(零件的尺寸和形狀)的影響較大。采用超細(xì)粉料可以制造出具有較好表面質(zhì)量的零件，但是粉料的顆粒過小又會使粉料的流動性變差，導(dǎo)致在噴射結(jié)合劑之后，粉料難以鋪展開，使制造時每一層的層厚較厚，尺寸精度變差。研究表明粉末的流動性和可潤濕性可以通過等離子處理得到顯著改善[13]。通過減小制造時每一層的層厚可以有效地將所制造毛坯的孔隙率(指體積分?jǐn)?shù))從40%減小到19%[14-15]。在制造過程中，通過控制粉末層的濕度也可以提高所制得毛坯的尺寸和表面的精度[16]。

Butscher等[13]研究了用于成形的陶瓷粉末的成分與其成形性能的關(guān)系。由于所制造的坯體的密度較低，在燒結(jié)前必須進(jìn)行處理(如冷等靜壓和高壓浸滲等)，前處理工序能顯著提高燒結(jié)后制件的致密性，但也會降低生產(chǎn)率[17]。美國麻省理工學(xué)院的研究者[18]使用3DP技術(shù)制造ZTA陶瓷制件，燒結(jié)后得到t-ZTA陶瓷的抗彎強度為670 MPa，斷裂韌性為4 MPa·m1/2，與使用傳統(tǒng)方法制得的ZTA陶瓷制件性能類似。Li等[19]將3DP技術(shù)和無壓燒結(jié)工藝相結(jié)合，得到的制件的孔隙率為70%左右，抗彎強度13 MPa，斷裂韌性0.03 MPa·m1/2，當(dāng)燒結(jié)時間為2 h時，在X、Y方向上的線收縮率為12.7%。為了進(jìn)一步提高得到的制件的機械性能，他們使用化學(xué)氣相滲透工藝對燒結(jié)后的制件進(jìn)行后處理，最后得到的制件的孔隙率為60%左右，抗彎強度95 MPa，斷裂韌性0.24 MPa·m1/2。

1.3激光選區(qū)燒結(jié)成形

激光選區(qū)燒結(jié)成形(selective laser sintering，SLS)技術(shù)最初由美國德克薩斯大學(xué)的Deckard于1986年提出，后來美國DTM公司和德國EOS公司先后開發(fā)成功基于SLS技術(shù)的成形系統(tǒng)。SLS技術(shù)的工藝過程如下：首先將粉料鋪在工作臺上，然后用計算機控制激光束掃描特定區(qū)域的粉末, 使其受熱熔融逐層黏結(jié)固化，當(dāng)該層掃描完畢后，添加新一層粉料，繼續(xù)重復(fù)上述步驟，最終形成三維制件。用于該技術(shù)的原料可以是陶瓷粉、塑料粉、蠟粉、金屬粉等[4-5，8，12，20]。

使用SLS技術(shù)制造陶瓷零件需要采用激光成形工藝，成本較高，為提高所得到的零件毛坯的致密度和表面質(zhì)量，在粉料層中通常加入一定量的黏結(jié)劑。成形所得陶瓷坯體的致密度較低,制造的坯體所能達(dá)到的密度僅為理論密度的30%～35%左右。Shahzad等[21]以球狀聚丙烯微粒作為黏結(jié)劑，采用SLS技術(shù)制造氧化鋁陶瓷制件，所得到的陶瓷制件坯體密度為理論密度的29%～34%，坯體在一定的溫度下除去黏結(jié)劑后，在1600 ℃下進(jìn)行燒結(jié)，得到的制件密度為理論密度的39%。制件坯體的致密性可以通過壓力浸滲、熱等靜壓或冷等靜壓處理來提高。在13 MPa的壓力下通過使用氧化鋁懸濁液對坯體進(jìn)行壓力浸滲，并在135 ℃、64 MPa的環(huán)境下對坯體進(jìn)行5 min的熱等靜壓處理，所得到的制件坯體的密度可提升到83%，燒結(jié)后的制件的密度為理論密度的88%，抗彎強度為(148±22)MPa，制造過程中的體積收縮率為62%。

1.4噴墨打印成形技術(shù)

噴墨打印成形(ink-jet printing，IJP)技術(shù)是從三維打印成形技術(shù)發(fā)展而來的，該技術(shù)將陶瓷粉和各種有機物混合，配制成陶瓷墨水,通過打印機將陶瓷墨水打印到成形平面上成形。陶瓷墨水的固相含量(體積分?jǐn)?shù))通常只有約5%，通過打印機將這種陶瓷墨水逐點逐層噴打到平臺上，形成所需尺寸和形狀的陶瓷坯體[4-5，22]，噴墨打印有連續(xù)式和間歇式兩種，前者成形效率較高，后者墨水利用率較高，且可方便地實現(xiàn)對陶瓷成分的逐點控制。噴墨打印技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷墨水的配制，要求陶瓷粉體在墨水中具有良好的均勻分散度，合適的黏度、表面張力及電導(dǎo)率，較高的干燥速率和盡可能高的固相含量。

IJP的技術(shù)難點是墨水中的固相含量太低，導(dǎo)致陶瓷坯體致密度低，而過度地提高固相含量又會使墨水噴射困難。英國布魯諾大學(xué)和我國天津大學(xué)都對該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。Cappi等[23]采用IJP技術(shù)制造出氮化硅陶瓷齒輪素坯，其密度為3.18 g/cm3，抗壓強度為600 MPa，斷裂韌性為4.4 MPa·m1/2,所得到的制件的性能與通過傳統(tǒng)干法成形制得的制件的性能相當(dāng)。

1.5立體光刻成形技術(shù)

立體光刻成形(stereo lithography，SL)技術(shù)由3D Systems公司研發(fā)成功，最初用于高分子材料成形，之后才用于陶瓷成形。其基本過程是：將陶瓷粉與可光固化樹脂混合制成陶瓷料漿，鋪在工作臺上，通過計算機控制紫外線選擇性照射料漿表面，料漿中的溶液通過光聚合形成高分子聚合體并將陶瓷粉結(jié)合到一起；通過控制工作平臺在Z方向的移動，可使新一層料漿流向已固化部分的表面，如此反復(fù)，直至形成陶瓷坯體，再經(jīng)過脫脂與燒結(jié)得到所需的陶瓷制件[4-5，7-8，12]。

該方法的缺點是設(shè)備昂貴，對材料的要求較高，制造成本較高。另外，由于原料為液態(tài)，成形時缺少支撐，所以制造懸臂結(jié)構(gòu)件時，需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，且后期處理時也需考慮支撐結(jié)構(gòu)去除的問題，制造過程較為復(fù)雜和繁瑣。坯體的致密度與燒結(jié)之后制件的致密度密切相關(guān)。提高坯體的致密度可以提高燒結(jié)之后制件的致密度，也可以減少燒結(jié)過程中坯體的收縮。Badev等[24]研究了成形漿料中的陶瓷粉末顆粒大小和含量對制得的坯體的致密度的影響。Hinzewski等[25]使用固相含量為53%的漿料得到了密度為理論密度90.5%的氧化鋁陶瓷制件。目前立體光刻成形技術(shù)在牙科和骨科的治療領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用，在微電子領(lǐng)域，該技術(shù)也常常被用來生產(chǎn)微機電系統(tǒng)和微型的傳感器。在實際的應(yīng)用之中，除了密度外，另一個比較重要的性能指標(biāo)是得到的零件的強度。Gao等[26]以羥基磷灰石粉末為原料，使用SL技術(shù)制造了用于替換人體骨骼的人造骨，得到的人造骨的孔隙率為35%～75%，抗壓強度為30 MPa。在牙科的治療領(lǐng)域，Tasaki等[27]使用SL技術(shù)制造的氧化鋁陶瓷牙冠在進(jìn)行了燒結(jié)并使用特定的材料進(jìn)行高溫熔滲之后，其抗彎強度可以到達(dá)415 MPa。

1.6分層實體成形技術(shù)

分層實體成形(laminated object manufacturing，LOM)技術(shù)利用激光在X、Y方向的移動切割每一層薄片，每切割完一層，控制工作平臺在Z方向移動以疊加新一層薄片；激光移動由計算機控制，層與層之間的結(jié)合可通過黏結(jié)劑或采用熱壓焊合[4-5，7-8，12]。因只需切割出輪廊線，故該技術(shù)成形速度較快。Helisys和Peak engineering等公司將其用于陶瓷成形，疊加的陶瓷材料一般為流延薄材。

Rodrigues等[28]采用LOM技術(shù)制造Si3N4陶瓷制件，得到的坯體平均密度為56%，經(jīng)過燒結(jié)后制件的密度為理論密度的97%，抗彎強度為918 MPa，斷裂韌性為7.5 MPa·m1/2，制造過程中體積收縮率為40%。Zhang等[29-30]采用LOM技術(shù)制造以Al2O3和SiC為原料的陶瓷制件，在240 ℃下除去黏結(jié)劑后，在1580 ℃下進(jìn)行燒結(jié)，最后得到的制件的孔隙率為2.9%，抗彎強度為228 MPa(傳統(tǒng)干法成形得到的制件的抗彎強度為350 MPa)。使用LOM技術(shù)制造的陶瓷制件同樣可以應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，Steidle等[31]以羥基磷灰石和磷酸鈣等為原料制造人造骨，制得的人造骨撓曲強度為19 MPa(人類骨頭的撓曲強度一般為50～100 MPa)。LOM技術(shù)雖然可以制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和具有一定強度的零件，但是與其他增量制造技術(shù)一樣，所制得的零件的表面質(zhì)量較差。為了解決這一問題，可以將LOM技術(shù)與現(xiàn)在的高速磨削技術(shù)相結(jié)合[32]，以提高所制得零件的表面質(zhì)量。

1.7技術(shù)指標(biāo)對比

傳統(tǒng)陶瓷零件增量制造技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)對比見表1。

表1　傳統(tǒng)陶瓷零件增量制造技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)對比

①此處的坯體密度為坯體實際密度與成形材料密度的比值(包含黏結(jié)劑)，其余的坯體密度為坯體實際密度與所對應(yīng)陶瓷的理論密度的比值(不包含黏結(jié)劑)。

2　致密化陶瓷零件增量成形技術(shù)(成形與燒結(jié)一體化)

在上述成形與燒結(jié)分離的陶瓷零件增量成形技術(shù)中，難度大、耗時長的燒結(jié)工序仍基本采用傳統(tǒng)工藝，其共同缺點是陶瓷成形坯體密度較低，后續(xù)為去除黏結(jié)劑需進(jìn)行較長時間的脫脂處理，制造效率不高，成本較高；坯體中的高分子有機物很難完全除去，致使燒結(jié)過程中易出現(xiàn)鼓泡、開裂和收縮等缺陷；若未對坯體進(jìn)行相應(yīng)的后處理，制得的坯體密度很難超過理論密度的50%，所以在經(jīng)過燒結(jié)后，也難以得到高致密零件。針對此，近年來出現(xiàn)了成形與燒結(jié)一體化的高致密陶瓷零件的高效增量成形技術(shù)。

2.1陶瓷激光熔化成形技術(shù)

陶瓷激光熔化成形(ceramic laser fusion，CLF)技術(shù)[33-35]和下文將提及的陶瓷激光燒結(jié)成形(ceramic laser sintering，CLS)技術(shù)[36-37]都是由臺北科技大學(xué)湯華興提出的。CLF的工藝流程如下：①制作漿料；②將工作平臺下降一層層厚；③移動刮板鋪筑一薄層漿料；④加熱器干燥漿料層，形成固化毛坯層；⑤CO2激光選擇性掃描毛坯層，被激光掃描的毛坯層發(fā)生了熔融固化現(xiàn)象，形成了陶瓷零件的一個二維截面，未掃描到的部分則形成了支撐；⑥重復(fù)②到⑤的過程直到所有切片成形都完成，最后形成三維成形件；⑦將成形件浸入水中并輔以超聲振動去除未掃描區(qū)域的材料；⑧將成形件從超聲波清洗器中取出即得到無需燒結(jié)的陶瓷零件。

與成形與燒結(jié)分離的陶瓷增量成形技術(shù)相比，CLF技術(shù)制得的陶瓷成形件無需燒結(jié)，致密度高，工藝流程較為簡單。步驟④中因漿料層中水分蒸發(fā)而形成的固化層可為后續(xù)制造提供支撐。然而，為使掃描區(qū)中的所有成分熔化，區(qū)域溫度須達(dá)到1900 ℃以上，致使零件在冷卻時會因熱應(yīng)力作用出現(xiàn)較多微裂紋，機械強度因而受到影響；為達(dá)到1900 ℃以上高溫，需使用較大功率激光器并采用較慢的掃描速度，導(dǎo)致設(shè)備成本增加，制造效率下降，制得的零件表面質(zhì)量較差。

通過CLF技術(shù)制得的零件的密度可達(dá)到理論密度的95%。

2.2陶瓷激光燒結(jié)成形技術(shù)

CLS技術(shù)的工藝流程與CLF的類似，但使用的CO2激光器功率較低，掃描速度更高。這是因為該技術(shù)中，被掃描區(qū)域的溫度只需達(dá)到約1200 ℃，比無機黏結(jié)劑的熔點略高即可。因此，在掃描區(qū)，結(jié)構(gòu)材料仍為固體顆粒狀態(tài)，而熔化為液態(tài)的無機黏結(jié)劑會因為毛細(xì)作用馬上填充到固體顆粒之間的孔隙中，使固體顆粒黏結(jié)到一起，這種現(xiàn)象稱為“部分熔化”或者“液相燒結(jié)(LPS)”。若不要求陶瓷零件達(dá)到高密度，則CLS技術(shù)制得的成形件不需要后期進(jìn)一步燒結(jié)。因采用無機黏結(jié)劑，且掃描區(qū)域溫度較低，故即使進(jìn)行了后續(xù)的致密化燒結(jié)，零件的收縮也不會很大，但因使用黏土作為漿料黏結(jié)劑，會導(dǎo)致初燒結(jié)制件的成分不一致，制件可能會含有大孔隙。盡管經(jīng)過后續(xù)的致密化燒結(jié)后仍難以達(dá)到高致密化，但與前述的非致密陶瓷增量成形技術(shù)相比，燒結(jié)制件的密度已大為提高。

通過CLS技術(shù)制得的初燒結(jié)制件密度可達(dá)理論密度的92%，低于CLF技術(shù)；若要求高密度，則需進(jìn)一步燒結(jié)，燒結(jié)密度可達(dá)到理論密度的95%以上。

2.3改進(jìn)型CLS技術(shù)

改進(jìn)型CLS技術(shù)由臺北科技大學(xué)嚴(yán)孝全提出[38-39]，其步驟包括：①混合陶瓷粉末，硅溶膠，PVA(聚乙烯醇)和去離子水。②用刮板鋪筑一層漿料薄層。③熱鼓風(fēng)機加熱得到凝膠效應(yīng)，形成一層均勻凝膠層。④激光掃描使被掃描區(qū)域的PVA汽化、硅凝膠發(fā)生熔化結(jié)晶，從而形成一層堿性環(huán)境下無法溶解的2D圖案。⑤一層成形完成后，將平臺下降一層高度。⑥重復(fù)上述各步驟直到完成一個包含毛坯件的陶瓷坯體為止。⑦將陶瓷坯體放到一個坩堝中加熱，使未掃描區(qū)域的PVA汽化(在步驟④中，掃描區(qū)溫度達(dá)到1200 ℃，掃描區(qū)域中的PVA汽化，硅凝膠發(fā)生熔化結(jié)晶)。因發(fā)生熔化結(jié)晶后的硅凝膠無法在NaOH溶液中溶解，而這些熔化結(jié)晶后的硅凝膠會將陶瓷粉末黏結(jié)在一起，所以被掃描部分不會在NaOH溶液中潰散。在步驟⑦中，熱處理溫度為600 ℃，只有PVA會汽化、硅凝膠不會發(fā)生熔化結(jié)晶。未熔化結(jié)晶的硅凝膠在NaOH溶液中可以溶解，若無步驟⑦，在未掃描區(qū)域中，PVA和硅凝膠同時都起到黏結(jié)劑的作用，而PVA在NaOH溶液中無法溶解，由于PVA的黏結(jié)作用，未掃描部分就不會在NaOH溶液中發(fā)生潰散，未掃描區(qū)域與掃描區(qū)域?qū)㈦y以分離。⑧用NaOH溶液移除未掃描區(qū)域的材料。⑨得到初燒結(jié)制件。

與CLF技術(shù)相比，改進(jìn)型CLF技術(shù)具有以下優(yōu)點：因成形溫度較低、層薄，得到的陶瓷成形體中的微裂紋和閉口孔隙較少，表面粗糙度較低；在步驟③中形成的凝膠層可形成自支撐，這樣不需要設(shè)計支撐就可制造出復(fù)雜的零件；因使用了一定量的有機黏結(jié)劑，得到的零件致密度更高，經(jīng)過后續(xù)的致密化燒結(jié)后可制得高密度零件，燒結(jié)密度可達(dá)到理論密度的98%。

2.4技術(shù)指標(biāo)對比

致密陶瓷零件增量成形技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)對比如表2所示。

3　結(jié)語

(1)分析現(xiàn)有的成形與燒結(jié)分離、非致密化的增量成形技術(shù)所能達(dá)到的密度、強度、收縮率水平可知：半固態(tài)(如FDC)/固態(tài)(如LOM)增量成形的坯體密度和燒結(jié)密度顯著高于黏結(jié)劑量大的液態(tài)/粉態(tài)增量成形的坯體密度和燒結(jié)密度，強度也呈相同的變化趨勢；固態(tài)增量成形體的收縮率小，但表面精度較差。

(2)非一體化增量成形陶瓷坯體中的高分子有機物尚難以完全去除，導(dǎo)致燒結(jié)過程中易出現(xiàn)鼓泡、開裂和收縮等缺陷，燒結(jié)后也難以得到高致密零件。因此，成形與燒結(jié)分離的陶瓷增量成形技術(shù)目前在無模成形復(fù)雜形狀坯體方面有優(yōu)勢，而燒結(jié)工序仍與傳統(tǒng)工藝類似，難度大、耗時長。

表2　致密陶瓷零件增量成形技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)對比

注：初燒結(jié)制件密度與燒結(jié)密度分別為初燒結(jié)制件的實際密度和經(jīng)過后續(xù)致密化燒結(jié)后制件的實際密度與所采用的陶瓷材料的理論密度的比值。

(3)陶瓷增量成形與燒結(jié)一體化的高性能陶瓷零件增量成形新方法為克服非一體化增量成形技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)所共有的燒結(jié)難、耗時長、成本高的瓶頸問題提供了新的可能途徑,成為陶瓷增量成形技術(shù)的重要研究方向。

(4)一體化成形中使用有機黏結(jié)劑，可得到高致密成形燒結(jié)件。激光掃描區(qū)域溫度過高導(dǎo)致微小裂紋多、機械性能和表面精度差；降低成形溫度和層厚，可使微裂紋和閉口孔隙減少，表面粗糙度減小，對成形區(qū)域溫度梯度、熱力環(huán)境等因素采取均勻漸變控制方法是解決此類問題的技術(shù)關(guān)鍵。

[1]顏永年, 張人佶, 林峰,等.快速制造技術(shù)的發(fā)展道路與發(fā)展趨勢[J]. 電加工與模具, 2007(增刊2):25-29.

Yan Yongnian, Zhang Renji, Lin Feng, et al. The Development and Trends of Rapid Manufacturing Technologies[J]. Electromachining & Mould, 2007(S2): 25-29.

[2]張海鷗, 王超, 胡幫友,等.金屬零件直接快速制造技術(shù)及發(fā)展趨勢[J]. 航空制造技術(shù),2010(8):43-46.

Zhang Haiou, Wang Chao, Hu Bangyou, et al. Direct Rapid Manufacturing Technology for Metal Parts and Its Development Trends[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(8): 43-46.

[3]姬文晉,黃慧民, 溫立哲,等.特種陶瓷成形方法[J]. 材料導(dǎo)報, 2007, 21(9):9-12.

Ji Wenjin, Huang Huimin, Wen Lizhe, et al. Forming Methods of Special Ceramics[J]. Materials Review, 2007, 21(9): 9-12.

[4]高端平, 吳厚政. 計算機輔助陶瓷無模制造方法進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報, 1998, 12(4): 13-17.

Gao Duanping, Wu Houzheng. Development of Computer Aided Ceramic Freeform Fabrication[J]. Materials Review, 1998, 12(4): 13-17.

[5]謝志鵬, 薄鐵柱. 先進(jìn)陶瓷快速無模成形技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]. 中國陶瓷工業(yè), 2011, 18(2):16-21.

Xie Zhipeng, Bo Tiezhu. Progress in Investigation on Rapid Freeform Fabrication of Advanced Ceramics[J]. China Ceramic Industry, 2011, 18(2): 16-21.

[6]Agarwala M K, Jamalabad V R, Langrana N A, et al. Structural Quality of Parts Processed by Fused Deposition[J]. Rapid Prototyping Journal, 1996, 2(4): 4-19.

[7]崔學(xué)民,歐陽世翕, 余志勇,等. 先進(jìn)陶瓷快速無模成形方法研究的進(jìn)展[J]. 陶瓷, 2001(4): 5-10.

Cui Xuemin, Ouyang Shixi, Yu Zhiyong, et al. Development of Advanced Ceramics Freeform Fabrication[J]. Ceramics, 2001(4): 5-10.

[8]高東強.基于層合速凝原理的陶瓷件快速制造設(shè)備及材料成形研究[D].西安：陜西科技大學(xué),2012.

[9]Agarwala M K, van Weeren R, Vaidyanathan R, et al. Structural Ceramics by Fused Deposition of Ceramics[C]//Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium.Austin, 1995: 1-8.

[10]Agarwala M K, Bandyopadhyay A, van Weeren R, et al. Fused Deposition of Ceramics (FDC) for Structural Silicon Nitride Components[C]//Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin,1996：335-344.

[11]Agarwala M K, van Weeren R, Bandyopadhyay A, et al. Fused Deposition of Ceramics and Metals: an overview[C]//Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin,1996.

[12]Travitzky N, Bonet A, Dermeik B, et al. Additive Manufacturing of Ceramic-Based Materials[J]. Advanced Engineering Materials, 2014, 16(6):729-754.

[13]Butscher A, Bohner M, Roth C, et al. Printability of Calcium Phosphate Powders for Three-dimensional Printing of Tissue Engineering Scaffolds[J]. Acta Biomaterialia, 2012, 8(1): 373-385.

[14]Karapatis N P, van Griethuysen J P S, Glardon R. Direct Rapid Tooling: a Review of Current Research[J]. Rapid Prototyping Journal, 1998, 4(2): 77-89.

[15]Zhang Wei, Melcher R, Travitzky N, et al. Three-Dimensional Printing of Complex-shaped Alumina/Glass Composites[J]. Advanced Engineering Materials, 2009, 11(12): 1039-1043.

[16]Butscher A, Bohner M, Doebelin N, et al. Moisture Based Three-dimensional Printing of Calcium Phosphate Structures for Scaffold Engineering[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9(2): 5369-5378.

[17]Sun W, Dcosta D J, Lin F, et al. Freeform Fabrication of Ti3SiC2Powder-based Structures: Part I—Integrated Fabrication Process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 127(3): 343-351.

[18]Teng W D, Edirisinghe M J. Development of Ceramic Inks for Direct Continuous Jet Printing[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1998, 81(4): 1033-1036.

[19]Li Xiangming, Zhang Litong, Yin Xiaowei. Effect of Chemical Vapor Infiltration of Si3N4on the Mechanical and Dielectric Properties of Porous Si3N4Ceramic Fabricated by a Technique Combining 3-D printing and Pressureless Sintering[J]. Scripta Materialia, 2012, 67(4): 380-383.

[20]Kruth J P, Wang X, Laoui T, et al. Lasers and Materials in Selective Laser Sintering[J]. Assembly Automation, 2003, 23(4): 357-371.

[21]Shahzad K, Deckers J, Kruth J P, et al. Additive Manufacturing of Alumina Parts by Indirect Selective Laser Sintering and Post Processing[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(9): 1484-1494.

[22]王卓, 李永祥, 楊群保. 無機材料噴墨制備新方法的進(jìn)展[J]. 無機材料學(xué)報, 2009, 24(6):1090-1096.

Wang Zhuo, Li Yongxiang, Yang Qunbao. Progress of Novel Inkjet Technique for Inorganic Materials Preparation[J]. Journal of Inorganic Materials, 2009, 24(6):1090-1096.

[23]Cappi B, ?zkol E, Ebert J, et al. Direct Inkjet Printing of Si3N4:Characterization of Ink, Green Bodies and Microstructure[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(13):2625-2628．

[24]Badev A, Aboulatim Y, Chartier T, et al. Photopolymerization Kinetics of a Polyether Acrylate in the Presence of Ceramic Fillers Used in Stereolithography[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2011, 222(1):117-122.

[25]Hinzewski C, Corbel S, Chartier T. Ceramic Suspensions Suitable for Stereolithography[J]. Journal of the European Ceramic Society, 1998, 18(6):583-590.

[26]Gao Feng, Yang Shoufeng, Hao Pengwei, et al. Suspension Stability and Fractal Patterns: a Comparison Using Hydroxyapatite[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2011, 94(3):704-712.

[27]Tasaki S, Kirihara S, Sohmura T. Visualization of Mechanical Properties in Alumina Dental Crowns Fabricated by Using Laser Scanning Stereolithography[J]. Transactions of JWRI, 2010, 39(2):248-249.

[28]Rodrigues S J, Chartoff R P, Klosterman D A, et al. Solid Freeform Fabrication of Functional Silicon Nitride Ceramics by Laminated Object Manufacturing[C]//Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin,2000.

[29]Zhang Yumin, He Xiaodong, Han Jiecai, et al. Ceramic Green Tape Extrusion for Laminated Object Manufacturing[J]. Materials Letters, 1999, 40(6):275-279.

[30]Zhang Yumin, He Xiaodong, Du Shanyi, et al. Al2O3Ceramics Preparation by LOM(Laminated Object Manufacturing)[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2001, 17(7):531-534.

[31]Steidle C, Klosterman D, Chartoff R, et al. Automated Fabrication of Custom Bone Implants Using Rapid Prototyping[C]//44th International SAMPE Symposium and Exhibition. Long Beach,1999.

[32]Karin S, Andreas R. Manufacture of 3D Structures by Cold Low Pressure Lamination of Ceramic Green Tapes[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2009, 29(5):899-904.

[33]Tang Hwa-Hsing, Liu Fwu-Hsing, Lin Wen-Hsing. Rapid Prototyping Machine Based on Ceramic Laser Fusion[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 30(7/8):687-692.

[34]Tang Hwa-Hsing. Direct Laser Fusing to Form Ceramic Parts[J]. Rapid Prototyping, 2002, 8(5):284-289.

[35]Tang Hwa-Hsing, Yen Hsiao-Chuan. Ceramic Parts Fabricated by Ceramic Laser Fusion[J]. Materials Transactions, 2004, 45(8):2744-2751.

[36]Yen Hsiao-Chuan, Tang Hwa-Hsing. Study on Direct Fabrication of Ceramic Shell Mold with Slurry-based Ceramic Laser Fusion and Ceramic Laser Sintering[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 60(9/12):1009-1015.

[37]Tang Hwa-Hsing. Building Ultra-thin Layers by Ceramic Laser Sintering[J]. Materials Transactions, 2006, 47(3):889-897.

[38]Yen Hsiao-Chuan. A New Slurry-based Shaping Process for Fabricating Ceramic Green Part by Selective Laser Scanning the Gelled Layer[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32(12):3123-3128.

[39]Tang Hwa-Hsing, Chiu Ming-Lu, Yen Hsiao-Chuan. Slurry-based Selective Laser Sintering of Polymer-coated Ceramic Powders to Fabricate High Strength Alumina Parts[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31(8):1383-1388.

(編輯盧湘帆)

Advances in Additive Shaping of Ceramic Parts

Zhang Haiou1Ying Weisheng2Fu Youheng1Wang Guilan1

1.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074 2.Tsinghua University,Beijing,100084

Ceramic material has all the time attracted widespread attention because of its high performance. But ceramic parts manufacturing was very complicated，hard and needed a lot of time and money by using the traditional forming process. Ceramic parts’ scope of application was limited by these shortcomings. Additive shaping technology provided a new way to overcome the shortcomings of the traditional forming process. An introduction to the advantages and disadvantages of typical additive shaping technologies was given herein at the achieved levels of density, strength, shrinkage and the introduction to several new efficient additive shaping technologies which integrated shaping with sintering was the emphasis of this paper. In the future, this integrated shaping technology will be a key research direction of additive manufacturing ceramic parts.

ceramic parts；additive shaping(AS)；density；strength;integration of shaping with sintering

2014-06-30

TH16DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.025

張海鷗，男，1955年生。華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為金屬零件增量制造、新材料加工與模具制造、數(shù)字制造技術(shù)與裝備、高能束和機器人制造、CAD/CAE/CAM等。應(yīng)煒晟，男，1992年生。清華大學(xué)機械工程系博士研究生。符友恒，男，1991年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。王桂蘭，女，1962年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。