中國粉體網(wǎng)訊 據(jù)最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的論文，美國東北大學(xué)開發(fā)出一種可壓鑄成復(fù)雜零件的全陶瓷材料——快速熱成型陶瓷。研究人員認(rèn)為，未來這種全陶瓷材料可用于塑形，貼合到各種電子部件上，這種陶瓷將比目前使用的金屬更薄、更輕、效率更高。
圖片來源：美國東北大學(xué)
陶瓷擁有高強(qiáng)、高硬、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其具有的硬和脆等特征，導(dǎo)致陶瓷成型速度慢、加工成本高、難度大，極大的妨礙了陶瓷材料的發(fā)展應(yīng)用。而快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，能大幅降低陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
快速成型的工作原理
快速成型技術(shù)（即RP）是集CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果。先借助三維CAD，或用實(shí)體反求工程采集得到有關(guān)原型或零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，從而獲得目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)模型；然后將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模進(jìn)行分層離散的得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)；之后將信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)。RP技術(shù)的各種成型工藝根據(jù)各自具體的工藝要求，控制激光器（或噴嘴）有選擇性地?zé)Y(jié)薄層的陶瓷粉末，形成一系列具有微小厚度的片狀實(shí)體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體。
快速成型的特點(diǎn)
制造復(fù)雜零件。RP技術(shù)采用逐層堆積制備零件，可以不受零件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制。
凈型成型。RP技術(shù)制備的部件需要的后期輔助加工量減小，避免了外協(xié)加工的數(shù)據(jù)泄露和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)。
產(chǎn)品研制周期短。RP技術(shù)能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)并行，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，特別適合小批量、復(fù)雜、異形產(chǎn)品的直接生產(chǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，RP技術(shù)也更加有利于遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程制造。
應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。RP技術(shù)制備的產(chǎn)品是自然無縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，RP技術(shù)不僅在制造的原型制造、產(chǎn)品造型與模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)和建筑工程領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。
快速成型技術(shù)
1、立體光刻成型技術(shù)（SLA）
SLA技術(shù)目前是世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成型方法。其已成功用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)致密/多孔陶瓷零件的制造，如整體型芯、微電子組件如傳感器和光子晶體、生物醫(yī)學(xué)人工支架和口腔修復(fù)等。
國外在有機(jī)前軀體光敏材料體系、光固化掃描方式和脫脂工藝等因素的影響方面取得了一些進(jìn)展；國內(nèi)從事SLA技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)也越來越多，主要研究單位是西安交通大學(xué)、深圳大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等，在成型機(jī)理、漿料組分、控制成型工藝等方開展了大量的工作。
2、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）
LOM又被稱為層疊制備技術(shù)，能夠?qū)⒁呀?jīng)成型的陶瓷薄片，通過涂覆熱熔膠等材料進(jìn)行熱壓輥輪加熱、壓片和粘結(jié)的方法，將其與已經(jīng)成型的工件粘結(jié)在一起，利用激光掃描器切割成型，反復(fù)操作后，直到所有截面粘結(jié)和切割成型，可得到實(shí)體零件。
LOM技術(shù)是最成熟的RP技術(shù)之一，具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零件制造工作當(dāng)中。用于LOM技術(shù)的陶瓷片材主要采用流延法制作，材質(zhì)主要有Al2O3、SiC、Si3N4、和BaTiO3等。Klosterman等采用SiC粉體、炭黑、石墨粉末和高分子粘結(jié)劑作為原材料，通過流延法制成陶瓷薄片，進(jìn)一步利用LOM技術(shù)，成功制備出防彈衣陶瓷素坯。
3、熔融沉積制造技術(shù)（FDM）
FDM技術(shù)具有成型系統(tǒng)尺寸小、成型材料廣泛、成型速度快和無環(huán)境污染等特點(diǎn)，但其制件表面質(zhì)量較差。
采用FDM工藝制備陶瓷件的工藝稱為FDC，即將陶瓷粉和有機(jī)粘結(jié)劑相混合，用擠出機(jī)或毛細(xì)管流變儀做成絲后用FDM設(shè)備做出陶瓷件生胚，通過粘結(jié)劑的去除和陶瓷生胚的燒結(jié)的得到較高致密性的陶瓷件。
4、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）
SLS技術(shù)所用的成型材料均為粉末狀材料，適合SLS的材料必須具有良好的熱塑（固）性、適度的導(dǎo)熱性、較窄的“軟化-固化”溫度范圍，經(jīng)激光燒結(jié)后要有足夠的粘接強(qiáng)度。
一般SLS 制備的陶瓷件胚體密度較低，通過后期浸漬及溫等靜壓工藝可以實(shí)現(xiàn)高密度陶瓷胚體的制備，進(jìn)而燒結(jié)過得致密的材料。
5、三維打印技術(shù)（3DP）
與SLS 技術(shù)不同的是，3DP技術(shù)材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘結(jié)劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。
3DP工藝采用了打印技術(shù)中的噴墨方法，噴頭不直接接觸粉末表面的情況下，將零件的片層逐層粘接起來，該技術(shù)主要可以控制對孔隙率及對孔徑分布的控制。
快速成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
RP技術(shù)最初主要應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計(jì)評價(jià)和功能試驗(yàn)上，借此縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)費(fèi)。近幾年來RP技術(shù)在修復(fù)醫(yī)學(xué)上的發(fā)展迅速，主要集中在人工假體、人工活性骨及口腔修復(fù)等方面。
國外RP技術(shù)相對要比較成熟，美國已基本形成產(chǎn)業(yè)鏈。而國內(nèi)發(fā)展較落后，還處于向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)的時(shí)期。我國的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，另外就是維護(hù)費(fèi)用也較高，這些因素也限制了RP技術(shù)的推廣應(yīng)用。但這并不能遮蓋其快速制造復(fù)雜形狀構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，因此，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。
參考來源：
張曉麗，李楠等：先進(jìn)陶瓷材料快速成型技術(shù)研究進(jìn)展
左開慧，姚冬旭等：應(yīng)用于陶瓷材料的快速成型技術(shù)的發(fā)展
楊飛等人：陶瓷曝光快速成型工藝研究
財(cái)聯(lián)社：新型陶瓷了解下？有望應(yīng)用于電子產(chǎn)品 輕薄且散熱更高效
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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