陶瓷材料快速成型技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)分析

劉玉濤 花擁斌 程章云 朱祚祥 徐佳杰 寧 翔/景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

陶瓷材料快速成型技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)分析

劉玉濤 花擁斌 程章云 朱祚祥 徐佳杰 寧 翔/景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

目前陶瓷材料快速成型技術(shù)主要有：熔融沉積成型技術(shù)、三維打印成型技術(shù)、噴墨打印成型技術(shù)、分層實(shí)體成型技術(shù)、立體光刻成型技術(shù)、選區(qū)激光燒結(jié)成型；其主要優(yōu)點(diǎn)為：能快速地打印出自己想要的陶瓷產(chǎn)品的形狀、節(jié)省了成本、打破了傳統(tǒng)陶藝的規(guī)則形體。闡述了現(xiàn)階段陶瓷快速成型技術(shù)面臨的問題及未來的研究方向。

陶瓷；快速成型；優(yōu)點(diǎn)；面臨問題

1.引言

快速成型技術(shù)，俗稱3D打印，是集CAD/CAM技術(shù)、激光加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件原型制造技術(shù)[1]。至1984年Charles Hull發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)以來，快速成型技術(shù)得到飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和三維CAD軟件應(yīng)用的不斷推廣，越來越多的產(chǎn)品基于三維CAD設(shè)計(jì)開發(fā)，使得快速成型技術(shù)的得到了廣泛應(yīng)用。筆者結(jié)合自身的求學(xué)經(jīng)歷和閱讀文獻(xiàn)，分別從幾種主要的陶瓷快速成型技術(shù)、陶瓷快速成型的特點(diǎn)和陶瓷快速成型的展望，總結(jié)了現(xiàn)階段陶瓷快速成型技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

2.幾種主要的陶瓷快速成型技術(shù)

2.1熔融沉積成型技術(shù)

熔融沉積成型(Fused Deposition of Ceramics，F(xiàn)DC)技術(shù)是美國(guó)Rutgers大學(xué)和Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的[3]，該技術(shù)采用與FDM(Fused Deposition Modeling)類似工藝，使用陶瓷高分子復(fù)合原料通過擠制工藝形成的細(xì)絲來成型三維立體的陶瓷坯體。在此工藝中，將陶瓷粉與高分子粘結(jié)劑混合制備細(xì)絲是關(guān)鍵，需要合適的粘度、柔韌性、彎曲模量、強(qiáng)度和結(jié)合性能等。目前已開發(fā)出制備細(xì)絲專用的熱塑性結(jié)合劑，主要由聚合物、彈性體、石蠟及增粘劑構(gòu)成。

2.2三維打印成型技術(shù)

三維打印成型(Threedimensionalprinting，3DP)技術(shù)是根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的二維像素的信息，利用噴嘴向待成型的陶瓷粉床上噴射結(jié)合劑，噴射打印完一層后，粉料床通過底部的活塞向下移動(dòng)一點(diǎn)的距離，并在粉料床頂部添加新的粉料，然后再噴射打印結(jié)合劑，重復(fù)此過程，完成后除去未噴射結(jié)合的粉料，即可得到要成型的立體工件。三維打印可用于成型陶瓷、金屬、金屬陶瓷復(fù)合材料及高分子材料。目前已商業(yè)化的三維打印技術(shù)主要是用于打印制備金屬鑄造用陶瓷模具，材質(zhì)可以是氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、鋯英砂和碳化硅，而常用的結(jié)合劑為硅溶膠[4]。

2.3噴墨打印成型技術(shù)

陶瓷噴墨打印成型技術(shù)(Ceramicink jet printing)是從三維打印成型發(fā)展而來，同時(shí)結(jié)合了用于文字輸出的噴墨打印機(jī)的原理。目前噴墨打印成型技術(shù)可以采用連續(xù)式噴墨打印機(jī)（Continuous Ink-jetPrinter）和間歇式噴墨打印機(jī)（Dropon Demand JetPrinter）。連續(xù)式噴墨打印技術(shù)具有較高的成型效率，而間歇式打印技術(shù)具有較高墨水利用率，而且可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷部件成分的逐點(diǎn)控制。對(duì)于噴墨打印成型技術(shù)來講，陶瓷墨水的配制是關(guān)鍵。要求陶瓷粉體在墨水中具有良好均勻的分散，并且陶瓷墨水需要合適的粘度、表面張力及電導(dǎo)率，較快的干燥速率和盡可能高的固相含量。

2.4分層實(shí)體成型技術(shù)

分層實(shí)體成型技術(shù)(Laminated Object Manufacturing，LOM)是美國(guó)的Helisys公司Lone Peak Engineering公司開發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的，該工藝是利用激光在x-y方向的移動(dòng)切割每一層薄片材料，每完成一層的切割，控制工作平臺(tái)在z方向的移動(dòng)以疊加新一層的薄片材料。激光的移動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制，層與層之間的結(jié)合可以通過粘結(jié)劑加熱或熱壓來實(shí)現(xiàn)。由于該方法只需要切割出輪廓線，因此成型速度較快，并且非常適合制造層狀復(fù)合材料。LOM工藝已成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)陶瓷部件的制備。

2.5立體光刻成型技術(shù)

立體光刻成型又稱為立體印刷成型或光敏固化成型，這種方法最早由3D Systems公司開發(fā)成功。最初該技術(shù)主要應(yīng)用于高分子材料的成型，后來將其用于陶瓷成型，其基本過程是將陶瓷粉與可光固化的樹脂混合制成陶瓷料漿，鋪展在工作平臺(tái)上，通過計(jì)算機(jī)控制紫外線選擇性照射溶液表面，陶瓷料漿中的溶液通過光聚合形成高分子聚合體并與陶瓷相結(jié)合；通過控制工作平臺(tái)在z方向的移動(dòng)，可以使新的一層料漿流向已固化部分表面，如此反復(fù)工作，最終就可以形成陶瓷坯體。

2.6選區(qū)激光燒結(jié)成型

激光選區(qū)燒結(jié)成型（SLS）最初是由美國(guó)德克薩斯大學(xué)的Deckard于1986年提出的，后來美國(guó)DTM公司和德國(guó)EOS公司先后開發(fā)成功基于SLS技術(shù)的成型系統(tǒng)；其商品化的SLS 125型采用的是20W的二氧化碳激光器，可制造的最大工件直徑為30.5cm。在激光選區(qū)燒結(jié)成型中，粘結(jié)劑可以直接混合或包覆在陶瓷粉末表面，激光選區(qū)燒結(jié)成型的陶瓷只是一個(gè)坯體，因?yàn)樵赟LS過程中，激光對(duì)粉末顆粒的能量輻射時(shí)間極短，一般在0.1ms～0.1s，在極短的時(shí)間內(nèi)幾乎不能實(shí)現(xiàn)粉末間的熔化連接，只能與陶瓷粉末混合或表面包覆的粘結(jié)劑形成粘性熔體來實(shí)現(xiàn)陶瓷顆粒之間的結(jié)合；因此，一般經(jīng)SLS加工的陶瓷坯體致密化程度較低，需要后續(xù)的燒結(jié)處理。

3.陶瓷快速成型的優(yōu)點(diǎn)

3.1快速地形成自己想要的陶瓷產(chǎn)品的形狀

傳統(tǒng)制作陶瓷的方法是必須擁有精湛的技術(shù)，而快速成型技術(shù)大大縮減了繁雜制作過程，減去了對(duì)于拉坯的高手藝要求，使得普通人也可以做出自己想要的陶瓷。

3.2采用陶土作為原材料節(jié)省了成本

陶瓷材料快速成型采用的原材料為陶土，相對(duì)金屬費(fèi)用大大降低，且對(duì)于設(shè)備技術(shù)要求沒有成型金屬的高。

3.3陶瓷快速成型技術(shù)打破了傳統(tǒng)陶藝的規(guī)則形體

傳統(tǒng)陶藝因?yàn)槭艿嚼骷夹g(shù)的限制，所以只能制作出規(guī)則的形體.如果想做不規(guī)則的形體只能開模或純手工制作，不僅增加了物質(zhì)成本而且增加了時(shí)間成本?？焖俪尚图夹g(shù)采用計(jì)算機(jī)建模的形式與電腦連接進(jìn)行直接打印，不用手工拉坯，可以制作出自己想要的形體，也可以制作出各式各樣不規(guī)則的形體，使得陶瓷行業(yè)更加豐富多彩，市場(chǎng)更加多樣化。

4.陶瓷快速成型面臨問題和展望

目前為止，國(guó)外RP技術(shù)相對(duì)比較成熟，相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模市場(chǎng)化，美國(guó)已經(jīng)基本形成產(chǎn)業(yè)鏈。而國(guó)內(nèi)較國(guó)外發(fā)展相差近10年，還處向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)的時(shí)期[5][6]。我國(guó)的RP技術(shù)還存在制造精度差、強(qiáng)度低和價(jià)格高等不足之處。目前RP技術(shù)選用的陶瓷材料比較有限，但是這不能掩飾其快速制造復(fù)雜形狀的陶瓷構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，因此，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。將來，研究人員應(yīng)當(dāng)集中力量研究快速成型用新材料。這是因?yàn)榭焖俪尚筒牧系某尚托阅艽蠖嗖惶硐耄尚图奈锢硇阅懿荒軡M足功能性、半功能性零件的要求，必須借助于再處理或二次加工[7]。同時(shí)還要注意在提高新材料性能的同時(shí)，要盡可能地降低成本。

[1]朱建軍,徐新成,趙中華.快速成型工藝探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013(8):261-264.

[2]冼志勇,劉樹,曾令可.陶瓷行業(yè)應(yīng)對(duì)節(jié)能減排的措施[J].佛山陶瓷,2009,19(6):13-16.

[3]崔學(xué)民,歐陽(yáng)世翕,余志勇,等.先進(jìn)陶瓷快速無(wú)模成型方法研究的進(jìn)展[J].陶瓷,2001(4):5-10.

[4]魏軍從,黃建坤,王義龍,等.結(jié)合劑對(duì)氧化鋁-碳化硅-碳質(zhì)鐵溝澆注料力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2013(6):1057-1062.

[5]顏永年,張人佶.21世紀(jì)的重要先進(jìn)制造技術(shù)——快速原型技術(shù)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2001(2):68-71.

[6]張昌明.基于RP的快速模具制造技術(shù)研究[D].太原理工大學(xué),2006.

[7]單聯(lián)娟.基于石蠟速凝特性的陶瓷制件快速制造技術(shù)及材料性能的研究[D].陜西科技大學(xué),2006.