瑞士高校开发出复杂陶瓷混合增材制造工艺

由于设备和组成材料的技术进步，复杂陶瓷结构的增材制造在过去几年中得到了极大的发展。由于市场上出现了新的3D打印设备，在可用的非直接制造技术中取得了明显进展。这些技术能够以更好的方式处理液体或粉末床，实现高分辨率零件制造。

1. 氧化物陶瓷与非氧化物陶瓷的3D打印工艺不同

零件生产的加速首先从最常见的氧化物陶瓷开始，对于这些材料，已成功制造出用于生物医学、多相催化、太阳能、滤水器、热管理、多孔燃烧器、汽车等领域。这些组件主要由立体光刻(SLA)生产，由于其良好的光学特性，该技术对许多氧化物粉末都是成功的。非氧化物陶瓷难以以这种方式加工，因为此类陶瓷粉末通常不透明、吸收或反射紫外光，不允许光聚合物进行适当的光固化。文献中很少有通过立体光刻工艺制造非氧化物陶瓷生坯的例子，只有少数如分散碳化硅(SiC)粉末的光固化浆料立体光刻的例子。另一方面，使用与光固化聚合物混合的前陶瓷前驱体，在碳化硅部件的立体光刻3D打印方面开展了几项工作。

将聚合物的增材制造与传统的陶瓷加工路线相结合也是研究的方向之一，例如聚合物生坯3D打印，然后进行聚合物渗透和热解；通过粘结剂喷射和热解进行生坯3D打印，然后进行聚合物渗透和热解；其他还有化学气相沉积、渗透或活性硅渗透的研究；此外，还有一个有趣的应用是在干碳化硅-硅粉床上采用选择性激光烧结(SLS)。硅用作碳化硅粉末的结合相，通过向预成型件提供额外的碳，通过反应键合进一步转化为碳化硅。这些技术各有优缺点，在这些优势中，其中一些易于使用并且已经工业化，可以实现高精度零件制造。对于缺点，在生坯制造中，不可能在复杂的陶瓷结构如蜂窝结构中实现高分辨率。对于光固化聚合物和SiC粉末的直接立体光刻，主要缺点是粉末的不透明性，不允许高粉末填充。

2. 一种新颖的混合增材制造工艺

在过去20年，瑞士南部应用科学与艺术大学(SUPSI)的混合材料实验室(HMLab)一直在对陶瓷进行前沿研究。2019年，HM实验室负责人Alberto Ortona教授已经展示了多孔3D打印技术在陶瓷材料方面的潜力。当前，Ortona教授的一名博士生Marco Pelanconi在陶瓷3D打印方面取得了新进展。

该团队提出了一种新的混合方法，该方法利用激光烧结结合聚合物渗透和热解。除了使用热塑性粉末的工艺成熟度和成本之外，这种方法的显著优势在于可以通过调整几个SLS参数来控制塑料预成型件的微孔率。通过调整预成型件的微孔率，能够控制在第一个浸渍周期中渗入预成型件的陶瓷前体聚合物的量；由于热塑性聚合物和陶瓷前体聚合物的陶瓷产率不同，可以在第一个热解步骤之后控制预成型件的收缩。之后，在大约1000°C下发生热解获得陶瓷转化，通过熔融硅渗透实现最终致密化，获得高密度的陶瓷部件。

SLS工艺打印陶瓷的机理

研究团队相信，了解哪些构成材料的特性将有助于进一步设计和制造复杂陶瓷制品，通过上述混合方法已成功制备碳化硅陶瓷。这个过程允许制造复杂的SiC周期性结构，具有高分辨率和比迄今为止开发的更小的单元。

3. 具有开放参数的孔隙度控制

该研究团队使用了Sintratec开发的SLS 3D打印机，能够改变包括粉末表面温度、层厚度、激光速度、扫描间距等工艺参数，从而轻松控制3D打印部件的孔隙率。通过改变这些参数，SUPSI大学的材料工程师能够获得理想的孔隙率（对于进一步渗透至关重要），从而获得高质量的零件。

SLS工艺打印陶瓷

SLS工艺打印陶瓷

在材料选择方面，研究团史使用两种材料制造最终陶瓷部件：PA12与SiC。PA12的黑色球形粉末用于聚合物预成型件的3D打印。PA12是一种适合用SLS技术加工的热塑性和半结晶材料，密度为1.0g/cm3，通过改变SLS工艺的参数可以定制成品的微观结构和性能。SiC的前体用于渗透聚合物预成型件并在热处理后产生最终的SiC产品。

4. 制造复杂的陶瓷结构

为了说明这种方法如何用于特别复杂的形状，Pelanconi的研究集中在两种具有不同拓扑结构的圆柱形多孔结构：旋转立方体和陀螺仪。在用PA12打印并随后转化为陶瓷后，所得部件表现出出色的机械和热性能，收缩约25%，可保持原始形状，没有变形或宏观裂纹。根据Pelanconi的说法，通过进一步的工艺优化，它们仍然可以提高双轴强度。

研究人员去除生坯粉末

采用混合工艺打印的陶瓷零件

研究人员表示：“这些类别的材料具有钢无法提供的无与伦比的热机械性能，如耐高温、高抗氧化性、高抗热震性和高强度。”

陶瓷非常适合用于极端环境，如热交换器、催化剂载体、蓄热器、燃烧器或航空航天。归功于可从范围广泛的预陶瓷聚合物中获得许多不同的陶瓷材料这种新颖的混合制造工艺可以被高科技行业利用。