荷蘭埃因霍芬理工大學(xué):3D打印陶瓷大型物體或成現(xiàn)實(shí)

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，陶瓷是人類最古老的材料。同時(shí)，它們是二十一世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)中最有前途的材料之一。然而，陶瓷在形狀和工藝上具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)于3D打印/增材制造(AM)將成為有趣的制造方法的應(yīng)用。

與金屬和聚合物相比，許多陶瓷的極高熔點(diǎn)增加了增材制造的挑戰(zhàn)。由于陶瓷不易鑄造或機(jī)加工，因此通常由粉末通過燒結(jié)或沉積成薄膜來固結(jié)。缺陷（例如在加工過程中引入的孔隙和不均勻性）會(huì)影響強(qiáng)度，因?yàn)樗鼈儠?huì)引發(fā)裂紋，并且與金屬相比，脆性陶瓷幾乎沒有抵抗斷裂的能力。這種加工挑戰(zhàn)限制了人們利用陶瓷特性的能力，包括高溫性能、耐環(huán)境性和高強(qiáng)度。增材制造的最新進(jìn)展導(dǎo)致了許多不同的技術(shù)，但是為陶瓷材料開發(fā)的所有增材制造技術(shù)都是基于粉末的逐層工藝，僅限于少量的成分。通過選擇地固化包含陶瓷顆粒的光敏樹脂，將液態(tài)粘結(jié)劑選擇性地沉積到陶瓷顆粒上（粘合劑噴射）或選擇性地進(jìn)行印刷，只有少數(shù)幾種可在市場(chǎng)上買到的三維（3D）打印系統(tǒng)提供陶瓷打印。用激光將粉末床熔化。所有這些技術(shù)都受制于緩慢的制造速度，并且在許多情況下還受到耗時(shí)的粘合劑去除過程的限制。從粉末開始，固結(jié)到致密的部分幾乎是無法克服的挑戰(zhàn)，并且殘留的孔隙率通常是不可避免的。此外，許多增材加工會(huì)引入較大的熱梯度，這會(huì)導(dǎo)致陶瓷破裂。氣孔、裂紋和不均勻性是造成增材制造的陶瓷零件強(qiáng)度低和可靠性差的原因。

既是優(yōu)勢(shì)也是挑戰(zhàn)，陶瓷獨(dú)特的特性是把雙刃劍
陶瓷通常是出色的電絕緣體和絕熱體，當(dāng)面對(duì)許多化學(xué)物質(zhì)和溫度時(shí)，它們是堅(jiān)硬、堅(jiān)固、生物相容和堅(jiān)固的。這些獨(dú)特的性能意味著陶瓷可以在許多不同的應(yīng)用中幫助改善生活質(zhì)量，節(jié)省能源，減少磨損并延長(zhǎng)組件的使用壽命。但是，這些特性通常由于材料內(nèi)部的應(yīng)力還可能導(dǎo)致3D打印過程中某個(gè)階段發(fā)生變形和裂縫。

小型氧化鋯支柱中形狀記憶效應(yīng)的證明。圖片來源：Science，2013年

該計(jì)算機(jī)生成的圖像顯示了陶瓷材料的原子尺度共混如何在機(jī)械拉伸過程中使共混陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)變形。

盡管AM在其他材料上已逐漸成為主流，但AM對(duì)陶瓷卻不是很了解。到目前為止，它主要用于生產(chǎn)少量的非常細(xì)小的小于幾厘米的物體。例如2016年Science報(bào)道了Eckel等人開發(fā)了一種使用3D打印或立體光刻法將特定的陶瓷前體單體圖案化為復(fù)雜、彎曲和多孔形狀的方法（如下圖）。

圖片來源：HRL實(shí)驗(yàn)室

爭(zhēng)對(duì)目前3D打印陶瓷較大的物體容易開裂的現(xiàn)狀，來自埃因霍芬理工大學(xué)（TU / e）的博士學(xué)位候選人Steyn Westbeek開發(fā)了一個(gè)模型，以幫助實(shí)現(xiàn)更大的陶瓷物體的增材制造。該研究是更大的研究項(xiàng)目的一部分，與應(yīng)用科學(xué)研究中心TNO和TU / e高科技系統(tǒng)中心其他博士候選人一起，研究陶瓷的整個(gè)打印過程，包括層沉積以及改進(jìn)3D打印機(jī)的概念和控制。

Westbeek創(chuàng)建了3D打印機(jī)內(nèi)部物理過程的模型，以幫助增進(jìn)對(duì)陶瓷3D打印的理解，并可以打印更大的物體。陶瓷增材制造過程分為兩個(gè)步驟：首先，將非常薄的一層陶瓷粉末和一種粘結(jié)劑的混合物鋪下來，然后在每一層之間用紫外線將其硬化，這將創(chuàng)建對(duì)象的最終形狀。其次，將物體在烤箱中加熱以去除粘合劑，就像烘烤粘土雕塑一樣。

預(yù)測(cè)硬化階段出了什么問題
Westbeek主要關(guān)注UV硬化階段，在該階段粘合劑/粉末混合物變成固體。硬化步驟可能是材料應(yīng)力的來源。該模型包括打印機(jī)設(shè)置，例如UV光源的特性和粘合劑的屬性，以及諸如硬化過程中光從陶瓷粉末上彈起，物體內(nèi)部溫度升高等過程。有了這些知識(shí)，就可以更改3D打印過程，以確保它最適合您要打印的形狀。這減少了許多不同的問題，例如壁過厚，物體過熱，硬化太少或不均勻，最后產(chǎn)生了會(huì)導(dǎo)致裂紋和不希望有的變形的應(yīng)力。這種新的理解是印刷復(fù)雜形狀和大面積陶瓷的重要一步。

Steyn Westbeek