3D打印先進陶瓷現(xiàn)狀概述

Additive Manufacturing Research近期發(fā)布了關于陶瓷3D打印行業(yè)的深度研究報告，該報告聚焦于該領域的迅猛增長趨勢。據(jù)其“陶瓷3D打印市場與預測：2024-2032”研究顯示，陶瓷3D打印市場預計到2024年將達到1.73億美元，并預測至2033年，這一市場規(guī)模有望接近9億美元，展現(xiàn)出強勁的增長潛力。

陶瓷3D打印的迅速擴張得益于其在工業(yè)領域的廣泛應用，特別是從傳統(tǒng)的研發(fā)和電子產(chǎn)品細分市場向航空航天、醫(yī)療、工具制造等更廣泛工業(yè)領域的轉(zhuǎn)變。這一趨勢預示著陶瓷增材制造技術正從實驗性應用向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)邁進，為市場增長注入了強大動力。

上周，我們重點圍繞公司在2024年度金屬3D打印應用進展做了分享，而其實在陶瓷材料應用方向，2024年同樣具有非凡意義。升華三維PEP技術的”3D打印+粉末冶金“相結(jié)合的獨特工藝方式，注定在先進陶瓷領域與傳統(tǒng)PIM工藝會產(chǎn)生深度融合的應用場景。在這一年，我們重點在碳化硅、氮化硅等先進陶瓷材料應用市場開拓出了獨具特色的應用場景。本文，將為大家繼續(xù)分享升華三維的另一個核心材料方向，先進陶瓷材料的3D打印應用進展。

2024年先進陶瓷3D打印應用進展

RBSC光學反射鏡大尺寸、輕量一體化制備碳化硅（SiC）陶瓷因其比剛度大、熱導率高、熱變形系數(shù)小以及穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，廣泛應用于航空航天、汽車工業(yè)等高端制造的電子設備、散熱解決方案以及光學系統(tǒng)等領域。升華三維從SiC的素坯成型工藝入手，結(jié)合適宜的燒結(jié)工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證了產(chǎn)品性能滿足使用需求。目前已在光學反射鏡的制備上已實現(xiàn)多個商業(yè)化應用項目。

▲輕量化設計的碳化硅反射鏡坯 ?升華三維

例如，上海硅酸鹽研究所利用升華三維獨立雙噴嘴系統(tǒng)打印機結(jié)合反應燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學元件等高附加值組件，并實現(xiàn)商業(yè)化。PEP工藝為該案例中的大尺寸復雜結(jié)構(gòu)、輕量一體化碳化硅元件的成功制備提供了支持，可有力地支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎設施建設，提升了我國在遙感探測技術的核心競爭力。此外，基于PEP的顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。

▲RBSC晶舟產(chǎn)品 ?上海硅酸鹽研究所

半導體制程RBSC晶舟開發(fā)碳化硅材料制舟托、舟盒、管件制品等熱穩(wěn)定性能好、高溫使用不變形、無有害析出污染物、熱膨脹系數(shù)適配性好、維護成本低、使用壽命長，具有替代存量石英材料的能力。PEP技術結(jié)合反應燒結(jié)工藝（RBSC）制造碳化硅晶舟，為晶圓載具的靈活結(jié)構(gòu)設計提供了支持。

RBSC工藝具有處理溫度低、時間短、不需要特殊及昂貴的設備、反應燒結(jié)胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結(jié)過程無需加壓，即可制備出大尺寸、形狀復雜的制品。碳化硅晶舟獨特的物理特性使得其能夠在惡劣的環(huán)境下工作，在半導體制程應用領域中擁有廣闊的發(fā)展前景。

▲RBSC晶舟樣品展示 ?升華三維

氮化硅渦輪葉片一體化制備

氮化硅作為一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在加工上有較大的難度和局限。升華三維利用PEP技術可直擊氮化硅材料傳統(tǒng)制造痛點，為氮化硅渦輪葉片的復雜結(jié)構(gòu)一體化成型提供支持。相比傳統(tǒng)粉末冶金工藝，可以大大加快產(chǎn)品的開發(fā)與商業(yè)化時間，極大地縮短了制造周期和生產(chǎn)成本。

采用PEP制備的氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件，適用于傳統(tǒng)工藝常用的氮化硅燒結(jié)方法。客戶應根據(jù)設備條件、性能要求、成本預算、時間效率等多方面因素，選擇最適宜的燒結(jié)技術。該氮化硅渦輪葉片應用案例，采用用了無壓燒結(jié)工藝，其燒結(jié)性能表現(xiàn)優(yōu)異，該產(chǎn)品經(jīng)過打磨、拋光等處理后，符合客戶應用場景需求，且已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

▲3D打印氮化硅渦輪 ?升華三維

氮化硅陶瓷輕量一體化殼體制備

氮化硅除了具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨性、高抗彎強度、高冷熱沖擊等性能外。還具有優(yōu)異的電絕緣和透波等性能，可在復雜環(huán)境中使用，并能夠保持可靠性與使用壽命。適用于多孔氮化硅陶瓷透波功能件的制備和性能研究。升華三維利用PEP技術為氮化硅陶瓷輕量一體化殼體成型提供了一種更經(jīng)濟的增材制造方案。不僅能夠提高生產(chǎn)效率，降低成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)復雜形狀的設計，以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對透波功能件的嚴苛要求。在國防、航空航天、氣象等領域都具有應用優(yōu)勢。

升華三維已具備氮化硅陶瓷構(gòu)件開發(fā)與生產(chǎn)能力。采用PEP工藝制備的氮化硅殼體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的透波、承載、防熱和抗沖擊等性能，該殼體燒結(jié)件已通過客戶的性能測試，目前我們正結(jié)合客戶應用場景優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以減少后處理步驟及制備周期。

▲氮化硅殼體結(jié)構(gòu)燒結(jié)樣品 ?升華三維

多孔氮化硅植入體制備另外，氮化硅具有優(yōu)秀的抗菌和抗病毒能力，以及優(yōu)異的生物相容性，可適用于牙科、骨科和顱頜面植入物領域。PEP技術的顆粒材料融熔擠出成型方式，在打印件的表面光潔度有限，但是在結(jié)合多孔晶格填充結(jié)構(gòu)打印后，會具有對生物陶瓷植入物獨特需求的高接觸面積和低表面質(zhì)量的結(jié)構(gòu)特性，而這可以更好地適應生物血肉滲入和生長。升華三維在這方面做了非常多的材料和工藝設備優(yōu)化工作，以適配醫(yī)療行業(yè)的高標準�，F(xiàn)階段已經(jīng)開發(fā)有氮化硅、氧化鋯、羥基磷灰石等生物陶瓷材料，且已與多個醫(yī)療器械研究機構(gòu)建立合作，共同探索PEP工藝在陶瓷植入體方向的應用。

▲3D打印氮化硅人工椎體 ?升華三維

陶瓷燒結(jié)治具制備

與傳統(tǒng)的工具制造方式相比，3D打印技術更適用于制作燒結(jié)治具。它可根據(jù)具體工件需求進行定制化設計，且快速制作出適用于不同工藝的燒結(jié)治具；3D打印可實現(xiàn)燒結(jié)治具無模制造，且可快速迭代，大大節(jié)省了時間和資源。此外，在燒結(jié)治具的輕量化方向獨具優(yōu)勢，不僅可以降低材料成本，還可以減少能源消耗�；�于PEP技術的獨立雙噴嘴3D打印設備，在制作燒結(jié)治具方面能充分發(fā)揮3D打印的靈活設計與制備優(yōu)勢，并完美融合到粉末冶金工藝中，以極簡的工藝步驟解決復雜工件與治具的成型及燒結(jié)問題，在燒結(jié)治具應用中擁有巨大潛力。PEP工藝可同時滿足工件和燒結(jié)治具的高自由度設計和快速制備，目前已為粉末冶金行業(yè)客戶在3D打印工件及燒結(jié)治具方面提供解決方案，以適應其更復雜的工件形狀和更高的生產(chǎn)效率要求。

▲PEP制備的陶瓷治具和金屬零件 @升華三維

陶瓷陣列結(jié)構(gòu)一體化制備陣列結(jié)構(gòu)是一種具有規(guī)則重復模式的三維結(jié)構(gòu)，其中的單元格按照特定的周期性在空間中重復排列。這種結(jié)構(gòu)在自然界和工程領域都有廣泛的應用。3D打印陣列結(jié)構(gòu)是增材制造技術中的一種重要應用，它能夠在三維空間中精確地排列和構(gòu)建出復雜的陣列結(jié)構(gòu)，PEP工藝為復雜陣列結(jié)構(gòu)-功能一體化的開發(fā)制造提供解決方案，可支持粉末注射成型工藝中金屬/陶瓷材料的陣列結(jié)構(gòu)打印。PEP工藝具有低成本、?高效、一體化、性能一致性好。該案例中，客戶采用該工藝制備陶瓷陣列骨架，完成后的陣列結(jié)構(gòu)件再結(jié)合特定的材料進行融合，可實現(xiàn)如輻射增強、空間濾波、疏水、生物細胞培養(yǎng)等特殊功能。

▲陣列結(jié)構(gòu)樣品模型展示 @升華三維

3D打印技術目前已成為工業(yè)制造領域的重要手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)先進陶瓷無模成形、縮減產(chǎn)品設計周期、精細陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用。

PEP技術在成本效益、材料適應性、及與傳統(tǒng)工藝契合方面均表現(xiàn)出色，且在大尺寸的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷、中空輕量化結(jié)構(gòu)和梯度功能陶瓷制備方面能提供完備的工藝支撐，同時也特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的增材制造。升華三維目前已在如空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過濾催化器、人工骨等先進陶瓷應用方面有著較成熟案例。

▲PEP工藝制備蠟基陶瓷材料應用優(yōu)勢及前景 ?升華三維

PEP技術因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染，符合當前制造業(yè)的環(huán)保趨勢，市場潛力巨大。下一步，升華三維將緊跟先進陶瓷增材發(fā)展趨勢，助力科研方向探索先進陶瓷新材料新工藝；同時，借助傳統(tǒng)工業(yè)陶瓷轉(zhuǎn)型升級契機，深度挖掘應用場景，以加快產(chǎn)業(yè)化應用步伐。