Desktop Metal利用粘合劑噴射技術優化功能陶瓷部件生產，效率較LPBF提升100倍
時間：2024-08-16 09:43 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：增材制造已成為制造功能陶瓷部件最有效的方法之一。作為一種材料組，功能陶瓷具有出色的硬度和耐高溫性，以及出色的耐腐蝕和耐磨性。然而，這些相同的特性也成為傳統生產工藝加工面臨的主要挑戰，因為這些材料難以切割和成型，并且需要比鈦更高的溫度才能熔化。因此，增材制造（尤其是粘合劑噴射）技術為那些尋求利用功能陶瓷有益特性的人們提供了新的機會，從研發到航空航天、常規制造等行業，同時仍能保持高效的生產周期和成本。
2024年8月14日，桌面金屬（Desktop Metal）基于其專利的 Triple ACT粘合劑噴射解決方案，能夠實現各種材料的加工處理，從復合材料和金屬到最堅硬的功能陶瓷，如碳化硅 (SiC) 和碳化鎢鈷 (WC-Co)。該技術還以其快速的打印速度而聞名（能夠以比 LPBF 系統快 100 倍的速度生產零件），并且可以打印具有嚴格公差的復雜幾何形狀（尺寸公差低于 1%，可實現優化生產運行）。
在本文中，我們將進一步探討粘合劑噴射對功能陶瓷生產的好處，并通過與 TECNALIA 和 SENER
Aerospacial 合作開展的航空航天行業案例研究以及依賴該公司陶瓷粘合劑噴射解決方案的其他用例來說明 Desktop Metal
先進的陶瓷粘合劑噴射能力。
用于太空應用的碳化硅 (Si-SiC)
TECNALIA 是一家位于西班牙的歐洲基準研究和技術開發中心，已成為 Desktop Metal
在功能陶瓷粘合劑噴射方面的重大合作伙伴。該中心由一支對陶瓷等先進材料有深入了解的團隊運營，受邀支持工程公司 SENER Aerospacial
和歐洲航天局 (ESA) 開發優化的衛星光學支架。
△針對增材制造進行優化的設計使質量減少了 15%，而采用粘合劑噴射進行優化的生產使最終拋光時間減少了 35%。
雙方此次合作的目的是找到一種生產工藝，使制造出的部件能夠承受太空的惡劣條件，提供高尺寸精度、高熱膨脹系數
(CTE) 和整體堅固的機械性能。最重要的是，航空航天合作伙伴希望盡量減輕部件的重量，以降低有效載荷的成本。因此，碳化硅 (SiC)
是一種由硅和碳的化合物制成的堅硬而輕質的功能陶瓷，是該應用的不二之選。
盡管如此，由于碳化硅材料硬度極高，傳統的制造工藝在嘗試成型時會面臨挑戰。TECNALIA項目經理兼小組組長
Iñigo Agote
博士表示：“使用冷成型和燒結等更傳統的生產工藝時，形狀復雜程度會受到限制。如果幾何形狀復雜，零件需要最終加工，而加工碳化硅等陶瓷是一項艱難而昂貴的過程。”
因此，人們開始探索增材制造作為形成 SiC 部件的一種選擇，最終發現粘合劑噴射是最可行的工藝。這是因為在處理
SiC 時，粘合劑噴射不會面臨與其他增材制造工藝相同的問題。例如，需要固化的技術（如SLA）不適合
SiC，因為粉末的深色不會通過紫外線固化，而基于激光的工藝不可行，因為熔化材料需要高溫。
Triple ACT 粘合劑噴射技術
隨著粘合劑噴射技術被確立為明確的前進方向，TECNALIA 開始使用Desktop Metal 的
InnoventX 系統來確定最佳的 SiC 粉末和工藝控制，這是一種自 2016 年以來就已投放市場的緊湊型系統。InnoventX 是
Desktop Metal X 系列的一部分，基于該公司獲得專利的 Triple ACT 粘合劑噴射技術。
Triple ACT（先進壓實技術）是一種粘合劑噴射方法，可以加工多種優質材料，從鋁和銅到金屬陶瓷，再到SiC 等功能陶瓷。這種多功能性是通過使用多種技術來解決粉末分配、鋪展和壓實問題，從而促進薄而均勻的粉末層的沉積而實現的。
Triple ACT 技術的第一步是獨特的分配過程，該過程采用料斗設計，配有超聲波振動分配篩，可確保整個打印床上的粉末劑量可控。該篩還可以根據不同流動性水平的粉末進行調整（即較細的粉末流動性較差，而較粗的粉末流動性好但燒結難度更大）。第二步是鋪展，由具有獨特滾花設計的滾筒進行，該滾筒將粉末均勻地鋪在打印床上，而不會壓實。最后，Desktop Metal 開發了一種壓實滾筒，可將粉末顆粒壓在一起，而不會影響下面的層，也不會移動均勻鋪展的粉末。
雖然 InnoventX 非常適合材料開發和產品開發，但一旦應用程序準備好擴展，Desktop Metal 的
X 系列中還有其他系統可以滿足更高的生產需求。具體來說，X25 Pro 是一款中型粘合劑噴射系統，構建尺寸為 400 x 250 x 250
毫米，而更大的 X160 Pro 的構建體積高達 800 x 500 x 400 毫米。
節省重量和成本
在開發 SiC 衛星光學支架時，TECNALIA首先評估了一系列 SiC
粉末等級，比較了它們的流變性能以及豪斯納比和粘結指數。這些不同測試的結果使 TECNALIA
能夠確定功能陶瓷的最佳粉末等級，該等級既可打印，又具有燒結后最小的收縮性。此次探索的關鍵是 InnoventX 的可定制打印參數，這使
TECNALIA 團隊能夠找到適合相關應用的正確打印設置。最終，僅用三個小時就可以打印出近凈形狀的衛星光學支架。
TECNALIA 還利用了粘合劑噴射陶瓷部件的多種后處理選項，采用聚合物浸漬和熱解 (PIP)
循環和毛細管液態硅滲透 (CLSI) 來提高最終部件的致密化程度。對于其他類型的應用，Desktop Metal SiC
部件還可以通過許多其他方式進行處理，包括反應結合SiC (RBSiC)；SiC 氣相沉積 (PVD 或 CVI)；SiC
液態金屬滲透(SiSiC 或 AlSiC)；SiC 結合（使用氮化物或莫來石等材料，通常用于增強性能）；和 SiC 完全燒結。在 PIP
和CLSI 之后，TECNALIA 采用了拋光等最后步驟，由于打印的表面質量良好，拋光所用時間比傳統 SiC 部件節省 35%。
最終，TECNALIA 能夠交付符合CTE 規格的 Si-SiC
部件，同時還具有各向同性特性，并且沒有殘余應力。在輕量化方面，3D 打印設計可節省 15%
的質量，這將對太空任務的有效載荷成本產生影響。Agote
博士總結了該案例研究：“粘合劑噴射工藝使我們能夠獲得接近最終組件幾何形狀和表面質量規格的部件，這大大降低了與最終操作相關的成本。”
目前，TECNALIA 正在繼續致力于利用 InnoventX 平臺開發用于粘合劑噴射的 SiC 材料以及其他功能陶瓷，如碳化鎢-鈷 (WC-Co) 和氧化鋁。
新應用、新材料等
而 Desktop
Metal則正在與其他客戶和合作伙伴合作開發功能陶瓷粘合劑噴射應用。例如，該公司最近公布了一個由法國 Norimat
牽頭的項目，該項目支持創新的 FAST/SPS 工藝（場輔助燒結技術/放電等離子燒結）。Norimat 一直在使用 Desktop Metal 的
InnoventX 系統和碳化硅粉末來生產許多高要求組件，包括渦輪葉片、格構齒輪和切削刀具。然后，Norimat 正在使用其 SPS
技術以高效的方式使打印組件致密化，而無需任何后處理滲透。
△高性能的SiC組件，包括渦輪葉片、格子齒輪、切削工具等，由客戶Norimat在InnoventX上生產，采用火花等離子體燒結（SPS）技術來致密化部件。
3D 打印碳化硅的另一個值得注意的應用正在由 Ultra Safe Nuclear (USNC) 開發，涉及設計由核級 SiC 粉末制成的定制部件來包圍核燃料顆粒。
碳化鎢-鈷 (WC-Co) 是一種由硬質陶瓷（碳化鎢）和鈷金屬組合而成的金屬陶瓷，也可以使用 Desktop
Metal 的粘合劑噴射技術進行加工。由于其堅硬的特性，這種材料可用于機械加工和制造，尤其適用于生產切削或鉆孔工具。除了 SiC
業務外，TECNALIA 還致力于 WC-Co 并開發具有內置冷卻通道和定制幾何形狀的鉆孔工具。FraunhoferIKTS
也在研究粘合劑噴射和 WC-Co，特別關注“WC-Co起始粉末的不同形態、使用 [粘合劑噴射]
的可加工性以及燒結部件的最終機械性能之間的相關性”。具體而言，研究人員發現增材制造專用 WC-Co 粉末和商用 WC-Co
起始材料均適用于粘合劑噴射。
△無法通過常規方式制造的隨形冷卻通道可以輕松集成到粘合劑噴射 3D 打印 WC-Co 工具中，例如使用 TECNALIA 的 InnoventX 生產的這種鉆頭。
Desktop Metal 本身也在位于德國格斯托芬的歐洲總部推進陶瓷增材制造應用。在那里，各種粘合劑噴射打印系統使擴大陶瓷應用成為可能。
其他基于陶瓷的材料，包括氧化鋁 (Al₂O₃)、氮化鋁 (AlN)、鋁滲透碳化硼(B4C)、濃縮碳化硼 (10B4C)、氮化硼 (BN)、碳 (C)、玻璃 (SiO2) 和石英砂（天然和合成），也可以使用桌面金屬粘合劑噴射進行 3D 打印，并且研發客戶可以獲得進一步的陶瓷粉末。
最終，使用 Desktop Metal 的粘合劑噴射技術打印功能陶瓷（甚至是傳統上具有挑戰性的功能陶瓷）的能力正在為陶瓷 AM 開辟一個新的領域，可以為先進制造業開辟許多令人興奮的新應用。
本文最初發表于 VoxelMatters 的 VM Focus Ceramics 電子書。點擊此鏈接可免費閱讀或下載完整電子書：https://www.voxelmatters.com/wp-content/uploads/2024/07/VoxelMatters-VMFocus2024-eBook-Ceramic-AM.pdf
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