HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)抗斷裂陶瓷基復(fù)合材料3D打印零件的新方法
“我們在該項(xiàng)目中解決的挑戰(zhàn)是將增韌解決方案與我們的3D打印過程集成在一起。” HRL項(xiàng)目首席研究員Mark O’Masta說， “我們現(xiàn)在可以大量添加這些增強(qiáng)材料，以顯著增強(qiáng)3D打印陶瓷零件的韌性。我們基本上是將脆性的單分子材料制成耐用的復(fù)合材料。作為一項(xiàng)額外的好處，添加鋼筋可以減輕某些處理方面的約束。”
研究人員開發(fā)了可用于增強(qiáng)復(fù)雜的3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)的陶瓷前聚合物。照片由HRL實(shí)驗(yàn)室提供。
擴(kuò)展3D打印陶瓷的應(yīng)用
陶瓷組件通常具有出色的耐腐蝕和耐磨性，其獨(dú)特的性能使其在高溫區(qū)域具有潛在的應(yīng)用前景，但事實(shí)證明，將它們成型是有問題的。使用易碎的陶瓷來制造具有狹窄幾何形狀的復(fù)雜零件，還會在內(nèi)部裂縫和空隙上產(chǎn)生壓力，有時會導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。O’Masta解釋說：“所有陶瓷零件，無論是傳統(tǒng)加工的還是3D打印的，都具有微小的缺陷，例如在加工，處理和維修過程中產(chǎn)生的微小空隙。問題在于，當(dāng)對該區(qū)域施加應(yīng)力時，缺陷會變成不受控制的裂紋，從而導(dǎo)致整個零件的災(zāi)難性破壞。”
陶瓷3D打印技術(shù)可能仍處于起步階段，但是為了解決這個問題，常用的技術(shù)已經(jīng)開始出現(xiàn)。已嘗試將直接墨水書寫（DIW）和熔融沉積建模（FDM）方法混合使用，但更常見的是，將光聚合（SLA）用于固化注入聚合物的原料。
在每種現(xiàn)有工藝中，在燒結(jié)陶瓷顆粒之前，都要對印刷的“生坯”進(jìn)行兩步熱處理，以去除聚合物（脫脂）。現(xiàn)在，最近的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一種替代方法，該方法涉及通過使用硅氧烷基樹脂代替3D打印，然后通過熱解將其轉(zhuǎn)變?yōu)镾iOC。這項(xiàng)新興的陶瓷制造技術(shù)省去了冗長的脫脂和燒結(jié)步驟，有可能使其成為傳統(tǒng)陶瓷印刷工藝的更快替代品。為了使這種新的基于溫度的方法有效地起作用，需要開發(fā)一種陶瓷材料，以解決該材料的低固有韌性并防止不良的粒子融合。
通過持續(xù)的測試，HRL團(tuán)隊(duì)以他們的技術(shù)找到了“最佳點(diǎn)”，從而生產(chǎn)出具有高強(qiáng)度水平的復(fù)雜零件。照片由HRL實(shí)驗(yàn)室提供。
HRL Labs新穎的3D打印陶瓷方法
為了解決陶瓷固有的脆弱性，HRL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的工藝，需要開發(fā)陶瓷纖維增強(qiáng)的CMC。研究人員使用光引發(fā)劑和碳氧化硅（SiOC）材料的混合物配制了他們的新樹脂，該材料包含分散的惰性陶瓷顆粒。
利用Prodways ProMaker L5000工業(yè)打印機(jī)，研究人員隨后制造了一系列1.25（t）×2.5（h）×15（l）mm3的樣品，旨在評估和優(yōu)化其配方。經(jīng)過一系列的特性測試，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了高水平的顆粒分散性，但在增強(qiáng)部件的拉伸強(qiáng)度方面也表現(xiàn)出奇怪的行為。事實(shí)證明，較厚的樣品比較薄的樣品更容易開裂，通過這一發(fā)現(xiàn)，HRL團(tuán)隊(duì)確定了可以達(dá)到的增強(qiáng)水平的“最佳點(diǎn)”。添加過多的增強(qiáng)元素將超過其“堆積極限”，并削弱零件，而添加量不足，則可能使陶瓷容易破裂。
自2016年以來一直致力于這項(xiàng)技術(shù)，研究小組認(rèn)為，他們最終可能會制造出一種分散良好的增強(qiáng)陶瓷，加熱后收縮率降低。使用增強(qiáng)材料印刷的產(chǎn)品具有3倍的壁厚和3 MPa以上的韌性，這使HRL團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，現(xiàn)在可以使用新的，更復(fù)雜的陶瓷零件。HRL研究的合著者Ekaterina“ Katya” Stonkevitch總結(jié)說：“通過詳細(xì)的研究和使用光學(xué)和電子顯微鏡對缺陷的仔細(xì)檢查，我們能夠確定合適的加工條件。有了這些信息，我們發(fā)現(xiàn)可以打印比以前更厚的零件。”
3D打印中的陶瓷創(chuàng)新
盡管陶瓷增材制造仍針對高應(yīng)力最終用途進(jìn)行了充分優(yōu)化，但許多公司已經(jīng)將該技術(shù)商業(yè)化。弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所（IKTS）的科學(xué)家開發(fā)了一種多材料噴射（MMJ）系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠生產(chǎn)增強(qiáng)的陶瓷零件。新機(jī)器將金屬和陶瓷等材料融合在一起，以利用它們的綜合性能。
總部位于荷蘭的3D打印機(jī)制造商Admatec已推出一種模塊化的新型DLP 3D打印機(jī)，它也與陶瓷兼容：Admaflex300。該系統(tǒng)旨在滿足熔模鑄造行業(yè)生產(chǎn)大型氧化鋁零件和二氧化硅的需求。核或殼。
在其他地方，材料噴射專家XJet與Straumann合作，以提高其陶瓷3D打印技術(shù)在牙科領(lǐng)域的功能。通過采用XJet的增材制造系統(tǒng)，Straumann能夠使用通常易碎的材料設(shè)計(jì)和制造具有復(fù)雜幾何形狀的牙科零件。
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