陶瓷增材制造技术通常采用陶瓷粉体、浆料或前驱体为原料，通过粘结剂喷射（BJ）、光固化（SLA和DLP）、浆料直写（DIW）、激光选区烧结（SLS）和激光选区熔化（SLM）等增材制造技术得到具有复杂精细结构的陶瓷坯体，再经过脱脂、烧结等工艺，得到精密陶瓷部件。在所有技术中，光固化技术是目前商业应用最多且最成功的陶瓷类3D打印技术。 乾度高科深耕陶瓷增材技术，面向航空航天、新能源、半导体等行业的迫切需求，通过持续的关键技术探索和创新，日前正式推出“1.2米”光固化陶瓷3D打印装备，在独创的动态同步推扫技术加持下，打印体积可达1200mm×900mm×500mm， 横向曝光分辨率50μm，纵向重复定位精度 ±5μm（Z向）。材料体系覆盖氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等。该产品的推出，宣告高精度DLP光固化陶瓷3D打印正式进入”米级“时代，为航空航天等行业注入新质生产力。 大尺寸光固化陶瓷3D打印技术在航空航天领域的应用潜力巨大。 1. 轻量化与强度：航空航天器对轻量化有着极高的要求，减少质量可以显著提高飞行效率并降低燃料消耗。光固化陶瓷3D打印技术可以制造出既轻又强的部件，这是因为陶瓷材料本身就具有优异的机械性能和高温稳定性。 2. 复杂结构制造：航空航天部件经常需要具有复杂的内部结构和几何形状。传统的制造方法很难加工出这些复杂的结构，而光固化陶瓷3D打印技术可以轻松实现复杂结构的制造，为设计师提供了更大的自由度。 3. 快速原型制作与迭代：在航空航天领域，快速原型制作和迭代对于产品开发至关重要。光固化陶瓷3D打印技术可以快速制造出原型，并进行测试和改进，从而加速产品开发周期。 4. 耐高温与耐腐蚀部件制造：航空航天器在极端环境下运行，需要承受高温、高压和腐蚀等恶劣条件。陶瓷材料因其耐高温、耐腐蚀等特性而非常适合这些应用。光固化陶瓷3D打印技术可以制造出具有这些特性的部件，确保航空航天器的正常运行。 5. 降低制造成本：传统的航空航天部件制造通常需要昂贵的模具和复杂的加工过程，而光固化陶瓷3D打印技术可以直接从数字模型打印出部件，无需模具，从而降低了制造成本。 6. 定制化生产：航空航天领域对部件的定制化需求很高。光固化陶瓷3D打印技术可以根据具体需求快速调整设计和生产，实现定制化生产。 7.快速维修与替换：在航空航天任务中，快速维修和替换损坏的部件至关重要。光固化陶瓷3D打印技术可以快速制造出所需的部件，实现快速维修和替换。 总的来说，大尺寸光固化陶瓷3D打印技术在航空航天领域具有广阔的应用前景和潜力，将为航空航天技术的发展和进步提供有力的支持。 乾度高科专注于特种陶瓷材料的3D打印技术开发，包括材料与工艺研究，设备与应用开发等。通过自身研发以及与中科院重点实验室、高校专业实验室等国内科研机构的合作，完成了多款材料、装备，以及应用产品的开发。研究、开发了多种陶瓷浆料，包括碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化锆、氧化铝等，材料强度高、致密度高，具有良好的工艺性，以及与装备的适配性，已经在多个领域实现了重点产品的应用。提出多项专利技术，研制并向市场投放了系列化的特种陶瓷3D打印成型装备，包括CL P60、CL S90、CS 160、CF 550、CF 1200，成型精度涵盖35μm~62.5μm，成型尺寸涵盖50mm~1200mm，分别适用于材料试验研究、小批量化生产、大批量（大尺寸）工业化生产，其中CF 1200是全球光固化陶瓷3D打印成型尺寸最大的设备。 经过数年开发与努力，乾度高科在多个领域开始应用，核心产品包括航空发动机高温叶片精密铸造用陶瓷过滤器、航空发动机高温叶片精密铸造用型芯、航天用碳化硅镜坯、飞行器用纤维增强特种陶瓷耐热部件、半导体制造用陶瓷吸盘、石油化工用耐高温催化载体等，在众多高技术应用领域和消费品生产领域显示出巨大的应用潜力。随着陶瓷3D打印技术的进步和成熟，乾度高科显示出良好的发展势头和强劲的增长势头，将为我国高技术制造业的发展贡献力量。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.大尺寸、高精度、高质量：突破碳化硅陶瓷3D打印的制造极限 2.材料挤压增材技术为高质量金属陶瓷复合材料制造提供新思路 3.李涤尘、田小永教授团队：3D打印大尺寸跨尺度结构陶瓷催化剂 4.金属/陶瓷挤出高性能3D打印，被多个重点行业客户使用

喷嘴作为3D打印机的重要零部件，在3D打印过程中有着不可替代的作用。一般来说，挤出类型的3D打印机可以分为单喷嘴、双喷嘴和三喷嘴配置等，根据不同应用，使用对应喷嘴。 本期内容要介绍的是一款配置独立双喷嘴的工业型3D打印机，其可同时打印金属/陶瓷两种材料，具有高精度、高质量、高性价比的特点，填补了国内甚至国际同类设备市场的空白，极大满足了复杂产品的打印需求，可助力用户快速开发金属/陶瓷新材料和新产品。这款机型便是来自升华三维的UPS-250，是该公司在核心技术创新上积累和沉淀的成果。 升华三维工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250  采用独立双喷嘴3D打印机设计目的和最大功能就是可以进行两种不同材料的同时打印，实现更加复杂结构和产品的成形，如两种不同的金属、两种不同的陶瓷或者是一种金属一种陶瓷的复合材料产品。这对于独立双喷嘴3D打印机机械结构设计、切片软件开发、打印材料开发、打印工艺开发提出了挑战。 升华三维独立双喷嘴结构设计 双材料打印样件 升华三维独立双喷嘴结构设计配合自主研发的切片软件功能得以实现，既可以让3D打印机在同一个模型上打印两种不同材质的材料，赋予模型不同部分不同材料的功能应用；又可以让3D打印机同时打印两个相同或镜像的模型，提高打印效率，实现产品的复制打印和镜像打印。独立双喷嘴功能充分释放了产品设计人员的创意思维，满足和实现以功能设计为导向的复杂产品设计构想。 支撑或支撑连续层打印 一些复杂模型，有大量的悬空和镂空结构，打印过程中需要以增加支撑的方式来防止模型变形。此时一个主喷嘴使用主材料A打印模型全部主体结构，一个副喷嘴使用支撑材料B打印全部支撑部分；一般情况下，主材料A和支撑材料B为两种不同材料。 由于两个喷头是可独立控制的，两个喷嘴运动是可实现交替轮流进行的。当一个喷头工作时，另一个喷头停在非工作区暂停工作，在重启时会自动擦拭喷嘴溢出熔融材料，使得模型表面质量会更好，这是其它非独立双喷头结构做不到的。    支撑连接层打印 支撑连接层打印 在另一种情况下，为了控制打印材料成本或更好控制后续脱脂烧结过程中的变形，可以设置主喷嘴使用主材料A打印模型全部主体结构以及主体支撑部分，一个副喷嘴使用支撑材料B只打印支撑连接层部分。  （双）金属+（双）陶瓷结构打印 为了让同一个产品具有不一样的性能或功能或实现特殊产品的开发，可以对不同部位指定不同的材料，实现金属+金属、金属+陶瓷、陶瓷+陶瓷多种复合材料结构打印。 双材料复合打印 复合材料打印 双材料指定区域填充打印 双材料指定区域填充打印 同形-同质-镜像-异质打印 复制模式打印是两个喷嘴各自同时打印外观一样的产品模型，让3D打印机一次可以打印两个外观一致的产品出来，加速产品的开发生产和实验验证。镜像模式打印是两个喷嘴各自同时打印外观呈镜像对称的产品模型，适用于正反工件、左右件等打印加工。 通常情况下，两个喷嘴打印的材料既可以一样，也可以不同，分别得到同形状同材质产品、同形状（或镜像）不同材质产品。两个喷嘴的运动是同时启动、完全同步进行、同时结束。 复制模式打印  双材料复制打印 镜像模式打印 双材料镜像打印 目前，支持的材料体系有：不锈钢、钨合金、高温合金、难熔金属、硬质合金等金属材料，氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅等陶瓷材料。 升华三维是中国金属·陶瓷间接3D打印技术的开拓者和领航者，专注于金属·陶瓷间接3D打印装备及材料研发生产的国家高新技术企业。致力于金属/陶瓷间接3D打印技术的推广及应用，现已建成金属/陶瓷3D打印前后处理的完整工艺流程，涵盖了材料开发、打印材料密炼造粒机、金属/陶瓷3D打印机、脱脂烧结炉等全工艺链设备，面向应用市场提供高性能间接3D打印整体解决方案及打印服务。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.深度融合：3D打印技术推动反应烧结碳化硅陶瓷应用增长 2.大尺寸、高精度、高质量：突破碳化硅陶瓷3D打印的制造极限 3.北工大陈继民教授团队：陶瓷3D打印技术的应用与最新进展 4.四千字！2023年国内(准)工业级聚合物、陶瓷、砂型3D打印技术发展成就

陶瓷3D打印一直备受关注，如今业界已经开发出了多种基于不同3D打印工艺的商业化设备，并适用于不同领域的陶瓷应用，3D打印技术参考在往期文章中也进行过详细介绍。但需要指出的是，陶瓷3D打印技术并没有像金属和聚合物那样成熟，在应用领域也远未有后两类材料那样广泛，所能制造的材料种类也多局限于氧化物陶瓷。 非氧化物陶瓷（碳化物、氮化物和硼化物）具有非常理想的特性，包括高导热性和导电性，以及对长时间暴露于高温、化学、辐射、应力和机械磨损的适应性。非氧化物陶瓷中的超高温陶瓷具有所有二元化合物中最高的熔点（超过3000°C），并且在2000°C以上的空气中具有热和化学稳定性。由于其极端的耐火特性，受到了航空航天、火箭推进和高超音速领域的关注，该材料可用于制造这些领域的热保护系统、喷管、喉管以及天线罩，这些应用通常在高热通量、腐蚀性氧化环境和快速加热/冷却速率场景下使用。 导弹上的陶瓷天线罩 应用航空航天的陶瓷3D打印产品：高温合金涡轮叶片熔模铸造二氧化硅基陶瓷芯、氧化锆离心叶轮和由氮化硅制成的燃烧喷嘴（来自Lithoz） 使用增材制造或传统陶瓷加工技术生产具有复杂结构的超高温陶瓷既困难又昂贵。这些材料中的强共价离子键和金属键抑制了足够的原子流动性以减轻加成过程中的热诱导应力，并且在加热到产生流动性的温度时可能导致分解，因此需要高后处理温度和压力辅助技术来生产致密部件。这些方法通常将几何复杂性限制为简单的轴对称形状（如圆柱体）或没有内部特征的组件。当使用 3D打印技术成形耐火陶瓷时，颗粒材料的高温固结（烧结）需要结合相或有机添加剂（分散剂、粘结剂、增塑剂、润滑剂等）以在非反应性材料上提供所需的流变和内聚特性原料。对于超高温陶瓷材料的3D打印，需要高温（＞ 2000 °C）、缓慢加热（0.1–2°C/h）和热等静压，缓慢的原子扩散阻碍了非氧化物颗粒的固结和烧结。 3D打印技术参考注意到，约翰霍普金斯大学的一组研究人员使用商用系统成功制造了超高温碳化物陶瓷。这是一种被称为两步反应的3D打印技术，制备出了具有亚毫米分辨率的碳化钛 (TiC)立方体和晶格结构。而碳化钛是一种类似于碳化钨的坚硬耐火陶瓷，具有高熔点 (3067°C)、高硬度、极高的抗压强度、耐化学侵蚀、低摩擦系数以及高导电性和导热性。该材料通常被作为金属基复合材料的增强成分使用，作为单独材料进行3D打印则未看到过报道。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103318 本文研究打印完未清理的晶格结构 该研究主要包括两个重要步骤： 将钛粉与酚醛树脂混合，使用粉末床激光烧结（SLS）工艺打印成生坯，期间使用氩气保护； 将坯体在甲烷（CH4）气氛中进行原位等温气固转化，经两步反应得到超高温碳化物陶瓷TiCx；为反应生成TiC，需要进一步处理。 研究发现，与不发生气固反应的其他间接增材制造技术相比，钛粉在与甲烷发生反应时释放的大量热量促进了粒子间的键合；同时，Ti转化为TiC会产生体积膨胀，弥补了酚醛树脂分解产生的孔隙，从而减少了材料收缩，获得无裂纹试样。 立方体和晶格结构生坯 生坯部分和完成转化的结构对比 温度控制和加热持续时间可用于改变生坯微观结构并调整转化率和碳化物的量，在生坯致密化之前进行气固反应，直到气体扩散率受到限制，这种两步后处理程序可能被证明在创建致密、坚固的 超高温陶瓷组件方面最有效。在此反应合成过程中，必须仔细控制温度、气体成分和加工条件，确保同时发生放热反应、反应结合和致密化，从而生产出结合良好、致密性更高的TiC部件。 该技术制造的立方体块体和晶格结构细节 对晶格结构进行热冲击实验 研究人员使用该技术打印了立方体块体和金刚石立方晶格结构，其中晶格结构的分辨率达到50μm，具有足够的强度且无裂纹。经过快速、高温加热，晶格结构能够在1300°C的峰值稳态温度保持2分钟；经过热冲击测试的晶格保持了机械性能并能够支撑800g的氧化铝耐火砖。 总的来说，这项研究为实现非氧化物超高温陶瓷的增材制造开创了一种可行的方法，进一步的研究将能推进该技术在火箭推进、高超声速热防护及其他极端环境中的应用。 参考：Reactive two-step additive manufacturing of ultra-high temperature carbide ceramics 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 2.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案 3.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持 4.陶瓷3D打印面临的挑战，一种增韧解决方案与未来市场

造成陶瓷增材制造工业应用滞后的主要原因是成形缺陷过多和成形质量差。其中，裂纹缺陷严重影响陶瓷件的力学性能，是该技术向工业实用化推进的最大障碍。目前，现有的陶瓷增材制造裂纹缺陷研究主要集中在实验方法的裂纹形貌和抑制上。在往期文章中，3D打印技术参考已经介绍了间接和直接陶瓷增材制造的裂纹形态，本期内容主要介绍陶瓷间接增材制造裂纹的形成机制，探究裂纹形成机理。 1. 陶瓷间接增材制造裂纹产生的机制 根据裂纹形成阶段，间接陶瓷增材制造中的裂纹缺陷分为成型裂纹和烧结裂纹。成型裂纹主要是由于生坯成型阶段收缩应力超过聚合物结合强度造成的，形貌表现为水平和十字形裂纹，尺寸为纳米到微米量级。烧结裂纹出现在高温热处理阶段，裂缝开口大，方向性不明显，横向、纵向和斜向裂纹在烧结件表面交联分布，严重影响陶瓷件的力学性能。  对于光固化陶瓷浆料间接增材制造，陶瓷浆料被激光照射并聚合，同时浆料中的感光树脂交联形成玻璃状聚合物，这伴随着收缩应力的产生。当收缩拉应力超过树脂的结合强度时，就会产生垂直于拉应力方向的细裂纹。玻璃状聚合物进一步固化形成固化层，固化层在两端发生聚合收缩，产生指向固化层中心方向的收缩拉伸应力。当固化层上端的拉伸应力超过聚合物的结合强度时，将产生垂直于激光扫描方向的交叉裂纹。受凝固层位移的约束，当前层收缩产生与前一层相同类型的裂纹。此外，层间结合不良会在相邻层的交界处产生平行于激光扫描方向的水平裂纹。间接陶瓷增材制造翘曲和裂纹形成图：（a）没有翘曲和裂纹的打印结果；(b) 翘曲形成(c) 裂纹形成 在高温脱脂热处理过程中最容易出现裂纹，由于生坯中含有大量的有机结合剂，高温热处理过程中有机结合剂的快速热解导致局部压应力过大。在局部压应力下，陶瓷粉末之间的毛细力，液相粘合剂被有机物热解产生的气体混合物从生坯内部带到表面。在粘结剂排出过程中，生坯内部容易形成交联孔隙。孔隙受到高温热膨胀，产生高内压应力，导致它们破裂并形成微裂纹。此外，在极端升温速率下，当陶瓷材料的结合强度超过生坯内局部区域气体聚集产生的压应力时，会导致零件开裂形成宏观裂纹。陶瓷坯体中可能存在未反应的单体和光引发剂，固化层末端未反应的光引发剂在高温下热解产生自由基，使残留单体聚合，产生较大的机械应变并且增加了样品中的残余应力，进而破坏了聚合物的键合关系，导致生坯出现更严重的宏观裂纹。 脱脂过程中气体释放过程与陶瓷件裂纹分布 SLS技术通过激光束直接熔化低熔点粘结剂粉末。由于坯体制备阶段激光能量密度低，激光烧结冷却慢的特点，坯体温度梯度低，不易产生裂纹缺陷。裂纹多形成于高温脱脂、烧结和冷却阶段。在高温脱脂阶段（400~600℃），粘结剂迅速热解，固相陶瓷颗粒原子发生迁移，陶瓷颗粒接触点通过形核和晶粒长大逐渐形成烧结颈。粘结剂热解导致陶瓷生坯严重体积收缩，导致烧结颈部内原子键的结合强度或晶界界面能被局部区域收缩应力超过，导致严重的收缩裂纹。在高温烧结阶段（1600℃以下），陶瓷颗粒充分烧结并熔合在一起，随着烧结温度的升高，晶粒尺寸变得过于粗大。晶粒粗大导致晶界结合强度低，在后续冷却收缩引起的收缩拉应力作用下，易沿晶界形成微裂纹缺陷。除了晶间裂纹，热收缩产生的拉应力也会在层间结合强度低的地方产生裂纹缺陷。此外，烧结阶段的极端加热速率导致烧结部件表面和内部之间的温度梯度过大，由此产生的热应力会导致生坯出现开裂缺陷。烧结件在冷却阶段，其内部相变可能导致相体积发生变化，使大晶粒晶壳在静止的非晶核周围收缩产生微裂纹缺陷。 (a) 相变收缩微裂纹(b) 硅基陶瓷中微裂纹的形态 综上所述，陶瓷浆料间接增材制造裂纹主要发生在成型和烧结过程中，在成形阶段，收缩拉应力的存在是产生裂纹缺陷的关键因素，有机物热解产生的局部压应力是产生烧结裂纹的主要原因。陶瓷粉末铺粉间接增材制造裂纹主要发生在高温烧结过程中，局部拉应力引起的烧结颈断裂和晶粒过度长大引起的晶粒粗化是裂纹的主要来源。直接和间接陶瓷增材制造工艺在冷却过程中都会产生相变裂纹，这主要是因为相变过程伴随着相变粒子的体积变化，使相变粒子与基体之间产生拉应力和压应力造成的。 2. 间接陶瓷增材制造裂纹产生的抑制策略 裂纹缺陷严重阻碍了陶瓷增材制造技术的工程应用，是亟待解决的问题之一。从工艺、材料成分方面采取合理的裂纹抑制方法，有助于提高陶瓷件的成形质量。 优化工艺参数 对于间接陶瓷增材制造，激光功率、扫描间距和固化深度是成型工艺的主要参数。在随后的脱脂和烧结过程中，升温速率和保温时间都是可调参数。选择合适的激光功率可以避免生坯中出现大量未反应的单体，从而降低脱脂过程中出现裂纹的可能性。固化深度与激光功率正相关，合适的固化深度可以避免分层和层间水平裂纹。研究发现SLA制备Al 2 O 3，当层厚为50 µm时，适当增加固化深度可显著减少坯体表面裂纹数量。在随后的高温脱脂过程中有机物的缓慢热解可以有效减少或避免烧结部件中的开裂缺陷。通过降低陶瓷生坯中有机物的热解速率来避免烧结部件开裂，从而获得无裂纹陶瓷部件。合适的升温速率是保证有机物适当热解速率和获得无裂纹陶瓷件的关键；与升温速率相比，合适的保温时间有利于有机热解产物的稳定排出，避免因气体剧烈膨胀而产生的裂纹缺陷。此外，适当的烧结温度有助于降低生坯的热收缩率，从而减少烧结件的裂纹数量。足够的烧结温度和保温时间有利于晶体的熔化、生长和样品的高致密化，从而抑制裂纹的产生。 升温速率对裂纹的影响：在空气中(a) 0.1℃/min；(b) 0.5℃/分钟；(c) 1℃/分钟；(d) 3℃/分钟；(e) 5℃/min，在氩气中 (f) 0.1℃/min；(g) 0.5℃/分钟；(h) 1℃/分钟；(i) 3℃/分钟；(j) 5℃/分钟 总的来说，激光功率和扫描间距是制备近乎无裂纹生坯件的关键参数。在高温烧结过程中，生坯表面和内部受热不均引起的局部拉应力是裂纹萌生和扩展的主要原因。合理的升温速率和保温时间有效降低了烧结件的温度梯度，解决了因温度梯度引起的局部拉应力过大的问题。 调整材料成分 通过合理调整和优化材料成分，也可以获得高性能、无裂纹的陶瓷件。陶瓷浆料的成分对坯件的裂纹缺陷影响很大。通过在浆料中加入非反应性组分，可以减少固化层的聚合收缩反应，从而降低生坯内部的内应力。研究发现，通过向浆料中添加非反应性成分来改变聚合物基体的热脱脂工艺，从而最大限度地减少烧结部件的裂纹。   添加非活性成分对裂纹的抑制作用：(a,b,e)只含有活性成分；(c,d,f) 添加非反应性成分 浆料中陶瓷粉末的粒径大小也是影响坯体成型质量的重要因素之一，适当增加粉末的粒径可以显着减少成型裂纹的数量。研究发现，含有小粒径粉末的浆料在成型过程中会产生过度收缩变形，从而导致广泛的交叉裂纹，并且可以通过选择合适的粉末粒径来制备无裂纹的陶瓷部件。 不同粒径陶瓷颗粒抑制裂纹的效果：(a∼c) 0.35 µm；(d∼f) 3 µm；(g∼i) 7  µm 与基于浆料的增材制造技术相比，粉末扩散SLS技术中的裂纹也受材料成分的影响。在成型过程中，如果陶瓷粉末中的粘结剂含量不足，陶瓷颗粒就不能牢固地结合在一起，导致生坯出现分层和开裂缺陷。但粘结剂含量过高会导致脱脂烧结后生坯收缩变形较大，导致烧结件出现严重的宏观裂纹缺陷。因此，混合粉末中的粘结剂含量应尽可能低，同时不影响烧结件的密度和成形质量。 END 陶瓷增材制造尤其是间接成形技术已成为制造先进陶瓷的主要途径，但裂纹缺陷已成为限制其应用的主要障碍，也成为陶瓷增材制造技术最重要的研究方向和需要解决的关键问题。本文系统阐述了间接陶瓷增材制造裂纹的形态特征、产生原因和应对策略，为解决陶瓷增材制造裂纹产生具有指导意义。 本文内容素材来源： 南华大学刘志文副教授《Advances in crack formation mechanism and inhibition strategy for ceramic additive manufacturing》发表于Journal of the European Ceramic Society注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.工艺总结：直接与间接陶瓷3D打印工艺种类及特点 2.影响陶瓷增材制造工业化推进的最大障碍及挑战 3.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 4.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线

陶瓷增材制造技术具有材料利用率高、生产周期短、成型精度高、表面质量好等优点，可实现形状复杂的单件、小批量陶瓷零件的定制化生产。然而，由于陶瓷的固有特性和增材制造工艺的特点，成型件存在气孔、裂纹等典型成型缺陷。 造成陶瓷增材制造工业应用滞后的主要原因是成形缺陷过多和成形质量差。其中，裂纹缺陷严重影响陶瓷件的力学性能，是该技术向工业实用化推进的最大障碍。目前，现有的陶瓷增材制造裂纹缺陷研究主要集中在实验方法的裂纹形貌和抑制上。根据是否需要进行后处理，陶瓷增材制造技术可分为间接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。 对于间接成形方法，裂纹缺陷主要是在后续的高温脱脂和烧结过程中产生的。在高温脱脂过程中，生坯发生剧烈的体积收缩，进而在烧结件表面或内部产生裂纹缺陷。对于直接成形方法，在陶瓷粉末与高能量密度激光束的强相互作用下，陶瓷粉末在极短时间内经历高温熔化和冷却凝固过程，由此产生的高温梯度和冷却速率导致复杂的相变和微观结构变化。此外，这个过程不可避免的会产生热应力、收缩应力和内应力。在这些应力的耦合作用下形成不均匀的应力场，容易在样品表面或内部产生不同的微观和宏观裂纹缺陷。 1. 间接陶瓷增材制造裂纹的形态特征 根据裂纹形成阶段，间接陶瓷增材制造中的裂纹缺陷分为成型裂纹和烧结裂纹。成型裂纹主要是由于生坯成型阶段收缩应力超过聚合物结合强度造成的，形貌表现为水平和十字形裂纹，尺寸为纳米到微米量级。烧结裂纹出现在高温热处理阶段，裂缝开口大，方向性不明显，横向、纵向和斜向裂纹在烧结件表面交联分布，严重影响陶瓷件的力学性能。 间接陶瓷增材制造中的裂纹：(a) 形成裂纹；(b) 烧结裂纹 间接陶瓷增材制造烧结前后对比 根据裂纹的形态特征，间接陶瓷增材制造裂纹缺陷可分为微裂纹和宏观裂纹。微裂纹主要分布在晶界或孔隙周围，形貌表现为晶界和孔隙裂纹，晶界裂纹以沿晶开裂为主。另外，在裂纹扩展的作用下，裂纹扩展过程中可能发生能量、一定角度的偏转、分叉或与其他微裂纹桥接。在过大的裂纹扩展能作用下，晶粒被部分微裂纹直接穿透，形成穿晶裂纹。孔隙裂纹起源于孔隙周围较大的应力集中，在孔隙周围无序分布。 2. 直接陶瓷增材制造裂纹的形态特征 根据裂纹扩展方向，宏观裂纹可分为横向裂纹和纵向裂纹。粉末床式直接陶瓷增材制造中的裂纹主要起源于沉积层与未熔化粉末的交汇处，并延伸至沉积层的中心区域，形态以横向和纵向裂纹为主，局部有少量斜向裂纹。横向裂纹垂直于激光扫描方向，纵向裂纹平行于激光扫描方向，横向和纵向裂纹交联并继续扩展形成斜向裂纹。 直接陶瓷增材制造中的裂纹：(a-c)微裂纹；(d-e) 宏观裂缝 采用激光直接制造的三元共晶陶瓷 在多通道单层沉积实验中，相邻扫描线相交处容易出现纵向长裂纹。送粉式直接陶瓷增材制造的宏观裂纹主要集中在熔覆部位的两侧和中间区域。纵向裂纹主要起源于沉积层与基体的交界处，并沿沉积方向扩展。横向裂纹起源于沉积物两侧区域的边缘，并沿激光扫描方向传播，集中在沉积物高度中部以下的区域。中间裂隙短而密，集中在沉积部位的中部区域，呈以主裂隙为主的纵向裂隙。熔覆部位两侧裂纹数量较少，裂纹扩展深度大，主要包括纵裂纹和横裂纹。 3. 陶瓷增材制造工业化应用面临的挑战 目前的陶瓷技术已经取得了一些突破和进步。然而，大尺寸无裂纹陶瓷零件的制备和工业化应用仍面临诸多挑战，主要集中在以下几个方面： (1)目前建立的开裂判据主要是基于残余应力的经验模型，可以在一定程度上反映热物理参数、激光功率密度、最大成型尺寸对裂纹萌生的影响，但仍存在一定的局限性。从能量的角度为多组分材料和不同的技术建立一个通用的开裂准则是一个巨大的挑战。需要综合考虑微观晶界界面能、晶内原子键合能和孔隙表面自由能，建立统一的开裂判据。 (2)陶瓷增材制造过程中裂纹的时空演化过程难以通过实验和理论方法获得和确定，如何利用多尺度数值模拟方法（如晶体塑性模型有限元法、相场法、边界元法等）准确模拟多物理场耦合下陶瓷增材制造工艺的裂纹萌生位置和扩展路径面临挑战。 光固化3D打印制造的陶瓷 (3)在直接陶瓷增材制造工艺中无法避免因温度梯度过大而导致的热应力。以往的研究多采用高温预热或超声振动等单场辅助方法来降低成形热应力，抑制裂纹的萌生和扩展，具有一定的局限性。多能场耦合辅助沉积技术的发展，如辅助预热场、超声振动、压力场等能量场的耦合，可为大尺寸陶瓷件制备提供更好的裂纹抑制效果。 (4)过程监控与人工智能的结合，利用X射线CT扫描、激光红外热成像等缺陷监测技术，可以原位、无损、直观地动态跟踪陶瓷增材制造沉积过程中裂纹缺陷的特征和演化过程，并进行定量统计分析。此外，利用机器学习和数字孪生等人工智能技术，对陶瓷增材制造中监测到的成形缺陷进行特征提取，建立裂纹缺陷预测的多维特征数据库。此外，利用多传感器和多信号融合技术，执行裂纹缺陷的主动反馈机制，动态优化工艺参数或材料成分，从而实现裂纹的动态抑制。 END 陶瓷增材制造技术已成为制造先进陶瓷的主要途径，但裂纹缺陷已成为限制其应用的主要障碍，也成为该技术最重要的研究方向和需要解决的关键问题。本文内容主要阐述了陶瓷增材制造裂纹的主要形态特征，但陶瓷的间接与直接增材制造裂纹的形成机制存在显著差异，探究裂纹形成机理有助于揭示裂纹的起源和扩展规律，是制备无裂纹陶瓷结构件的关键。  推荐文献：南华大学刘志文副教授《Advances in crack formation mechanism and inhibition strategy for ceramic additive manufacturing》发表于Journal of the European Ceramic Society注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请联系授权。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.工艺总结：直接与间接陶瓷3D打印工艺种类及特点 2.瑞士高校开发出复杂陶瓷混合增材制造工艺 3.江南大学重磅研究：3D打印无支撑、多尺度、大跨度复杂结构陶瓷 4.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持

陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的化学稳定性，在机械、化工、电子、航空航天、生物医学等工业领域得到广泛应用。传统的陶瓷加工技术，包括注射成型、干压成型、凝胶注射成型等，对模具的依赖性很强，无法满足集成化、复杂化、精密化陶瓷产品快速制造的要求。增材制造技术基于离散堆叠原理，根据预先设计的三维实体模型，将一系列离散材料按预定轨迹逐层堆叠，从而制造出物理零件。与传统的陶瓷加工技术相比，陶瓷增材制造技术打破了传统陶瓷加工过度依赖模具的局限，无需模具即可快速生产出完全个性化的陶瓷产品，结构设计自由度高，并被认为是构成工业4.0的众多颠覆性技术之一。 根据是否需要进行后处理，陶瓷增材制造技术可分为间接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。本文内容，3D打印技术参考重点介绍这些技术的成形特点。 一. 陶瓷间接增材制造技术 陶瓷间接增材制造也称为“多步”成型方法。第一道工序是通过光固化、激光烧结、粘结剂喷射、材料喷射和挤出制备无模具的陶瓷生坯，主要的工艺类型包括SLA、DLP、TPP、SLS、Binder Jetting、NPJ、FDM/PEP等；第二道工序是对陶瓷生坯进行高温脱脂和烧结，从而实现陶瓷部件的高致密化。该方法按原料形态大体可分为浆料、粉末、粒料以及丝材。 1. 激光烧结 激光烧结与光固化在成型机理上存在巨大差异，SLS技术需要利用低熔点的高分子粉末作为粘结剂将粉末连接在一起，导致脱脂后生坯致密化程度低。因此，在后处理过程中，压力渗透、温等静压和冷等静压通常用于实现SLS陶瓷部件的高致密化。此外，在脱脂和烧结过程中，SLS工艺制备的陶瓷坯体容易因高温热收缩而产生开裂缺陷。   激光烧结3D打印的SiC（薄壁结构的厚度为 1 mm） 2.光固化 光固化技术的优点是能够制备出均匀性高、内应力低、精度高的陶瓷生坯件。但对于光固化工艺，浆料由陶瓷颗粒、光敏树脂和光活性组分组成，光活性组分包括光引发剂、惰性染料和抑制剂，光引发剂吸收特定波长的光子后，会发生浆料中感光材料的聚合。对于该工艺，浆料中粉末的反射率会限制可加工的陶瓷种类。另外，陶瓷浆料是一种悬浮物，可能会造成打印层间的颗粒偏析，严重影响烧结件的致密度和机械性能。在SLS技术中，可以避免制备浆料的繁琐过程，提高了陶瓷坯体的成型效率。然而，SLS技术的低分辨率导致成型零件的精度差和密度低。 3. 粘结剂喷射 粘结剂喷射是一种基于喷墨技术的增材制造技术，也是基于粉末床的3D打印技术。该技术首先在打印平台床上铺设0.05～0.2mm层厚的粉末，然后选择性的在特定区域喷射粘结剂实现模型截面图案的固化。在通过层层叠加得到陶瓷坯体后，需要取出打印模型进行脱脂和烧结最终得到致密化的陶瓷零件。该工艺可以高效且批量打印具有复杂形状的陶瓷产品。国内的知名品牌有广东峰华卓立等，国外则有Exone（Desktop Metal），这些公司经过多年的探索与研究，均成功开发了基于粘结剂喷射技术的陶瓷3D打印装备、粘结剂以及脱脂烧结等后处理技术。然而，该技术但仍存在一些技术和工业应用方面的挑战，如粘结剂的种类（有机或无机）、粘度、喷射量、表面张力、干燥时间等参数会对陶瓷零件的形成质量、强度和后续烧结过程均会造成影响。   粘结剂喷射3D打印的 SiC 组件 4. 材料喷射 材料喷射技术是将包裹有纳米陶瓷粉（金属粉）或支撑粒子的液体装入打印机并喷射在建造平台上，通过高温使液体蒸发留下实体部分，最后通过低温烧结完成成型的技术。该工艺具有极高的技术难度，根据3D打印技术参考的观察，发展多年当前仍只有以色列XJET公司实现了该工艺的商业化。这种直接喷射陶瓷或金属纳米颗粒的方法，能够实现极高的细节和精度表现力，而其关键在于纳米颗粒在油墨中的分散以及喷射工艺。与其他工艺相比，它的高成本缺点也非常显著。 5. 挤出制造挤出工艺实际上也可以分的更为细致，如采用陶瓷线材的挤出、基于混合粒料的挤出以及陶瓷粉料的沉积。 陶瓷线材挤出工艺较为容易理解，它是将由陶瓷和高分子聚合物制造的线材通过FDM/FFF设备挤出制造生坯，3D打印技术参考注意到，国内Raise3D Pro2 3D打印机已经可以实现陶瓷线材的稳定打印。 基于混合粒料，国内升华三维开发了相应的解决方案。根据陶瓷粉体的物性（粒径分布、形貌、比表面积等）和产品的性能要求，选择合适的粘结剂配方体系（水基、塑基、蜡基等）进行适配，通过密炼机充分混合密炼高分子粘结剂与陶瓷粉末，最后通过造粒机制备得到粒径可控的颗粒料材料。然后借助3D打印机系统将颗粒料加热成熔融膏状，再挤压并逐层堆积成形，可得到高精度并具有一定密度和强度的生坯。 基于粉末沉积，国外一家名为Grid Logic的公司开发了一种独特的基于粉末的3D打印，其没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。打印机可配备多种粉末，其中一种充当支撑，打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。 根据该过程的特点可以理解，相比光固化和激光烧结，挤出技术在制造效率上可能存在不足。 二. 陶瓷直接增材制造技术 陶瓷直接增材制造技术通过高能量密度激光束直接熔化陶瓷粉末，可实现陶瓷零件成型与烧结一体化，按送粉形式可分为铺粉式（SLM）和送粉式（LENS/DED）。该方法可用于制造氧化物共晶陶瓷，3D打印技术参考查询到，西北工业大学苏海军教授团队在长期开展超高温氧化物共晶陶瓷定向凝固成形研究的基础上，针对共晶陶瓷领域发展面临的瓶颈并结合金属激光增材制造技术原理，率先提出将激光增材制造技术应用到超高温氧化物共晶陶瓷制备上的设想，并初步证实了该设想的可行性。 评判特定成形技术是否适用于加工某类材料的关键标准是该技术能否按照预设的方案顺利、高质量地完成对目标材料样件的制备。目前，激光增材制造技术难以制备大尺寸、复杂形状的氧化物共晶陶瓷样件，难点主要集中在两方面:  原材料粉末特性及凝固缺陷控制。 佳能使用选择性激光熔化3D打印的氧化铝陶瓷 激光增材制造技术以粉末作为原材料，粉末特性直接影响加工过程的稳定性及沉积试样的成形质量。为保证原材料供给及熔凝过程的均匀稳定，粉末颗粒要具有良好的流动性以及高的致密性。为此, 金属增材制造领域开发了气雾化等技术来制备高质量球形金属粉末，目前已实现了产业化应用。雾化技术的原理是利用高压气流等外力将连续金属熔体破碎成细小的液滴，经快速冷凝后获得球形粉末。球形形貌保证了粉末的流动性，液固相变保证了所得粉末的致密性。  与金属增材制造相比，陶瓷材料激光增材制造研究起步相对较晚，目前尚未有成熟的满足激光增材制造的高质量球形陶瓷粉末制备工艺。此外，陶瓷材料熔点高、熔体粘度大的特点为开发基于液固相变的陶瓷形貌改性工艺带来了极大的挑战。 独立控制各陶瓷组元输送的LDED成形工艺 需要指出的是，激光增材制造是一个局部急热骤冷且逐点快速循环往复扫描的过程，在基板及已沉积层内形成复杂分布的温度场，进而产生大的热应力。高的热应力是激光增材制造技术的一个显著特征，如何调控热应力是提升激光增材制造陶瓷材料成形质量和降低缺陷的关键。对于脆性陶瓷材料而言，试样中存在的应力极易诱发裂纹甚至造成试样开裂，导致成形失败。此外，原材料粉末中包含的空气极易在快速熔凝过程中诱发气孔缺陷。气孔不仅会影响逐层制备过程中熔池的稳定性，而且易导致成形试样的性能恶化。因此，控制裂纹、气孔等凝固缺陷是影响激光增材制造氧化物共晶陶瓷成形及成性的关键所在，是本领域当前研究的重点和难点。 END 陶瓷材料增材制造已成为先进陶瓷制造领域最具发展潜力的重要方向。本文，3D打印技术参考主要介绍了当前的陶瓷增材制造工艺类型及其制造特点。与其他材料增材制造应用相比，陶瓷发展相对缓慢。但研究公司IDTechEx发布的一份关于陶瓷增材制造市场的新报告，其市场规模将显著增长，这得益于越来越多的参与者寄希望于这项技术。 注：本文内容由3D打印技术参考整理，未经单独授权，谢绝转载。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 2.报名 | Formnext深圳增材制造展，超300企业+1.5万名观众+80场论坛 3.江南大学重磅研究：3D打印无支撑、多尺度、大跨度复杂结构陶瓷 4.金属+陶瓷 | 一种基于烧结，可实现多材料3D打印一体成形的方法

导读：3D打印技术参考注意到，江南大学刘仁教授团队于近日新提出了一种陶瓷打印方法，通过将直接墨水书写和近红外诱导转换粒子辅助光聚合相结合，可以实现无支撑多尺度、大跨度陶瓷的3D打印。该技术可原位固化直径从410µm到3.50mm的多尺度细丝，通过无支撑打印成功构建了扭转弹簧、三维弯曲和悬臂梁等陶瓷结构。这种方法将为复杂形状陶瓷的无支撑3D打印制造带来更多创新。   陶瓷具有结构稳定、耐磨、耐腐蚀、耐高温等优异力学性能，广泛应用于机械、电子、能源、航空航天、生物医学等领域。然而，受制于陶瓷材料固有的硬脆特性，复杂形状陶瓷部件的精密快速制造难以通过传统成型工艺实现。增材制造技术的出现为获得结构和功能一体化的复杂陶瓷提供了一种高效便捷的途径，进而能够促进实现陶瓷的更多先进应用。增材制造为先进陶瓷的制造提供了更高的设计自由度，为高性能陶瓷材料的制造提供了革命性的推动力。增材制造的快速发展离不开工艺技术的进步和适用材料体系的扩大。传统领域也正面临着重大的制造方式转变，即按需制造具有足够分辨率的定制功能结构，在不同尺度上具有可调的化学成分。尽管立体光刻、数字光处理或粘结剂喷射等工艺可以制造分辨率高的陶瓷部件，但仍存在一些挑战。  www.nature.com/articles/s41467-023-38082-8 1. 探索大跨度无支撑陶瓷3D打印的必要性一个主要问题是由于重力原因，在不使用额外支撑结构的情况下，很难通过3D打印直接制造具有大跨度或异形结构的陶瓷。由于后期需要去除支撑结构，3D打印技术所谓的“所求即所得”的优势并未得到充分体现。同时，额外的辅助支撑会造成表面质量和尺寸精度较差，并增加加工时间长和成本。除此之外，去除支撑件容易产生微裂纹，这可能导致组件在使用过程中出现应力集中，增加陶瓷部件失效的风险。对于一些特殊设计的开放性较差的结构，内部支撑去除几乎是不可能的。为满足陶瓷的功能性和轻量化要求，探索大跨度结构的无支撑陶瓷3D打印技术具有重要意义。2. 使用近红外光代替传统紫外光进行3D打印基于紫外线的原位光固化辅助直接墨水书写（DIW）技术保留了光聚合的时空控制优势。适合的光固化行为可以提高DIW构建复杂结构的能力，并使聚合材料的无支撑打印成为可能。然而，在陶瓷打印时，由于紫外线或可见光在高固含量陶瓷浆料中的穿透力有限，固化效率和产量远不能令人满意。光敏浆料中大量悬浮的陶瓷颗粒引入了额外的光散射、折射，经过多次吸收、散射和折射后，光能在感光介质中梯度衰减，阻碍了光聚合过程。与紫外光相比，近红外光(NIR)由于其在各种介质中的线性吸收和瑞利散射较小，因此具有更强的穿透能力。近红外光诱导的上转换粒子辅助光聚合方法已成功应用于深度光固化、活性/可控光聚合、生物医学材料的3D打印。 直接墨水书写示意图 不同光聚合条件之间的差异 在此，江南大学刘仁教授团队开发了一种新方法，将直接墨水书写与近红外光诱导聚合相耦合，使用近红外辐射以受控的固化速率进行按需固化，能够获得具有灵活几何形状和高分辨率特征尺寸的陶瓷结构。 3. 实现高纵横比和大跨度复杂陶瓷结构无支撑打印 通过调整辐照强度和打印速度，陶瓷浆料可以在挤出过程中原位固化，无需使用支撑。挤出结构强度和自支撑能力提高了制造精度，而且3D打印的灵活性可扩展到XYZ空间，更容易打印低角度甚至水平的悬垂。NIR-DIW技术进一步增强了陶瓷增材制造的灵活性和自由度，允许打印多材料结构，并实现高纵横比和大跨度复杂陶瓷结构的无支撑打印。 该技术满足大跨度的制造需要，具有更大的设计灵活性。打印的悬臂结构长丝超过85mm，形状保持良好，没有观察到粘弹性下垂。通过将NIR光诱导的光聚合应用于DIW打印，研究人员在不使用任何支撑材料的情况下打印出了具有高一致性和高形状保持性的高强度长丝和陶瓷组件。选择这些特定结构只是为了证明概念验证，即制造具有悬臂的多尺度复杂结构，这是其他没有支撑材料的增材制造技术无法实现的。   打印部件的结构稳定性和保真度评估 打印部件的结构稳定性和保真度评估 在增材制造领域，人们对制造单一零件较感兴趣。然而，由于浆料本身的粘弹性和剪切稀化特性无法保持异形结构，因此很难通过DIW直接打印悬浮结构。为了最大限度提高打印能力并生成更复杂的3D结构，研究人员将打印方法扩展到了XYZ维度。 4. 多材料陶瓷结构3D打印 多材料3D打印可以将设计空间扩展到不同的材料，无需组装即可一次制造具有多种功能特性的产品。与高分子多材料增材制造技术相比，陶瓷多材料增材制造技术仍然是一个具有挑战性的研究领域。除了陶瓷材料的光固化特性不同外，陶瓷各向异性的尺寸收缩和烧结温度的差异也容易导致高温烧结时产生翘曲、分层和裂纹。 对不同浆料的多材料3D打印 为了确保多材料部件更好的共烧结，不同材料的烧结温度通过烧结添加剂匹配，调整热处理曲线和固含量。在这项研究中，研究人员展示了使用NIR-DIW打印多色陶瓷材料和离散梯度结构。 END 基于NIR-DIW的无支撑增材制造技术为陶瓷增材制造设计开辟了更高的自由度，这项技术不仅消除了典型打印过程中所需的支撑，而且还带来了许多其他优势，例如减少打印时间、材料使用和后处理工作量。同时成功构建了扭力弹簧、三维弯曲、悬臂梁等高保真局部悬垂和低角度陶瓷几何体。这些突破进一步优化了3D打印陶瓷零件的表面质量，同时还消除了支撑结构占用的成型空间。在近红外光诱导聚合的协助下，一旦NIR辐射强度达到一定值，光敏陶瓷浆料可瞬间凝固成稳定的结构，打印出的曲线无需支撑即可在空间自由伸展。打印过程连续流畅，无需加热等待冷却。时间和空间可控，可以快速制造异形结构件。该技术可提高材料利用率并增加设计自由度。 它在制备高纵横比组件、快速打印和多材料兼容性方面具有优势。虽然使用较小直径的喷嘴打印可以获得更高的精度，但对于单丝无搭接形成的结构（如扭力弹簧），烧结后的形状保持性要差得多。通过优化墨水成分和打印参数（喷嘴直径、挤压压力、移动速度、光照强度等），可以获得分辨率更高、外观独特的物体。相信NIR-DIW方法将得到进一步扩展，无支撑生产的陶瓷几何形状将有助于产生更多的创新组件，并促进增材制造技术的广泛应用。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，请勿侵权转载。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.干货分享：陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战 2.无需脱脂烧结，重点实验室采用高精密陶瓷FDM 3D打印研制介质天线 3.2300万！燕山大学陶瓷增材制造课题获科技部国家重点研发计划支持 4.为特殊金属和特种陶瓷开辟一种可行的3D打印解决方案

并不是所有材料都适合于3D打印，受限于多种因素，材料对工艺也非常挑剔。 如金、银、铜高反射金属，对传统SLM金属3D打印设备所使用的激光波段的吸收率极低，在成形过程中存在极大困难； 对于钼、钨、钽等难熔金属，传统激光达到其熔点也并不容易； 而对于具有熔点相差较大元素组成的合金材料，如钨合金、黄铜等，由于各元素饱和蒸气压不同，基于粉末床的激光3D打印仍然难以保证合金中各成分的可控性。 总而言之，高反射金属、难熔金属、元素熔点差异大的合金，采用主流的金属3D打印设备并没有其他材料那般易于使用，从而为其应用造成了重要障碍。陶瓷也是一样，虽然当前已经有很多工艺可以成形，但也有开拓的空间。本文内容，所介绍的就是一条可行的、针对难成形材料的另一条解决途径——基于烧结的挤出3D打印技术。 特殊金属和陶瓷的可行3D打印技术 基于挤出的金属打印技术采用金属线材、粉末以及棒材作为成型材料，这种成型材料采用金属粉末和粘结剂混合而成，虽然机器原理与高分子材料FDM系统非常相似，但关键的区别在于打印头以及后处理环节。金属机的挤出喷嘴具有施加金属材料的特定属性，首先打印出零件的生坯，然后通过烧结，制造出具有高致密度的零件。国际知名品牌Markforged、Desktop Metal均拥有代表性的产品。国内方面，升华三维专注于采用挤出技术实现业内难成形材料的3D打印，其推出有基于颗粒料挤出的3D打印设备、材料以及工艺。 其所开发的粉末挤出打印技术（Powder Extrusion printing，PEP），对原始粉末的球形度和流动性没有严格要求，通过将混合有金属粉末和聚合物粘结剂的颗粒料加热成熔融膏状流体，并将其逐层沉积来生产生坯，后经脱脂和烧结后可形成具有所需结构和高性能的合金零件。 基于该工艺，升华三维相继开发出了适配于PEP工艺的材料，如不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、高温合金、硬质合金、难熔金属等金属材料，氧化锆、氧化铝、碳化硅、生物陶瓷等陶瓷材料，为解决特殊金属和特种陶瓷材料制造加工难等问题开辟了3D打印解决方案。 钨合金挤出3D打印技术应用潜力 钨因其良好的热机械性能（如高熔点、高密度、高导热性和适度的热膨胀）而成为高温应用的首选材料，然而它的广泛优点也成为其难以加工的原因。除此之外，它的高硬度和极高的熔点，也使其成为难以攻克的3D打印材料。钨合金颗粒料升华三维基于挤出技术成功攻克其难点，自主研发了一种金属聚合物复合材料UPGM-96WNIFE钨合金颗粒料，粒径在8-14目。利用热融挤出系统有效实现了对材料的一体化成形控制。采用打印与脱脂烧结分开的工艺模式，不仅缩短了制备周期，并且很好地解决钨材料加工中极易出现的变形、裂痕、夹心等问题。挤出技术在钨等难熔金属3D打印领域的核心竞争力突出，能够满足轻量化、提升强度、耐用性和节省成本等多方面的需求。如有中空或多孔结构，并且不能直接切割的零部件采用传统方法很难制造出来，而利用挤出技术不仅可以解决钨在传统制造技术难以解决的复杂结构零件加工问题，还为解决我国在航空航天、汽车、船舶、能源、化工、医疗等制造业领域的复杂结构、减重设计及加工制造等问题提供一种新途径。 纯铜挤出3D打印技术应用潜力 纯铜具有广泛的用途，也是备受关注的3D打印材料，其在导电器件、散热器、随形冷却模具制造领域具有重要应用价值。但同时也由于铜导热性和反射性高的属性，纯铜和铜金属在金属3D打印技术中往往会反射激光束，导致成形效率低，冶金质量难以控制，使得打印的铜零件质量不佳。因此，铜也极难使用基于激光的3D打印系统来加工。 铜打印样品（来源:升华三维）为了获得高致密度或高导电导热纯铜制件，升华三维基于挤出工艺开发出的纯铜颗粒料UPGM-CU是一种金属聚合物复合材料，呈紫红色，粒径在8-14目的近球形颗粒。挤出技术不需要高能激光束，巧妙地避开了铜打印过程中的高导热、高反射问题，以间接3D打印的方式完美驾驭纯铜材料，克服了纯铜材料3D打印制造的挑战。升华三维利用挤出3D打印，创建了高度集成、复杂、贴合零部件表面的随形冷却通道，打印出结构紧凑、流体通道复杂、重量轻，尺寸小、效率高的产品零部件，实现了高性能纯铜组件制造的新突破。采用该技术可以用于热交换器、散热器和电感应器的产品开发。 SiC陶瓷挤出3D打印技术应用潜力 碳化硅陶瓷一直是特种陶瓷3D打印技术进一步拓展的挑战之一，因为其在成型过程中会出现缺陷，如气孔、裂纹、不均一性等，成型陶瓷器件难以抵抗脆性断裂，极大地限制了其机械性能。而复杂几何形状的碳化硅陶瓷构件往往难以用传统的加工技术制造，这在很大程度上制约了复杂结构碳化硅陶瓷的应用。 基于挤出技术的优势，升华三维开发出了碳化硅颗粒料，是一种陶瓷聚合物复合材料，呈灰色，粒径在8-14目的近球形颗粒。并已实现了碳化硅陶瓷复杂结构部件的大尺寸、轻量化、一体化制备，且成功将碳化硅陶瓷制备商业化，为生产高性能碳化硅陶瓷零件打开了大门。 碳化硅样品（来源:升华三维）2021年，上海硅酸盐研究所在升华三维订购了一套大尺寸独立双喷嘴打印机UPS-556系统，由此展开的高性能结构陶瓷和陶瓷基复合材料等应用的研究并取得进展。利用挤出技术特有的低温成形，高温成性这一特性，将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性，成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件，获得广泛关注。 上海硅酸盐研究所利用UPS-556成功制备的碳化硅陶瓷光学元件及其性能 （*相关资料及数据来自研究团队已公开专利）END升华三维作为目前国内具备金属/陶瓷材料开发制备、金属/陶瓷3D打印机研发生产、切片软件开发到3D打印工艺、脱脂及烧结工艺一整套金属/陶瓷间接3D打印工艺链及解决方案的供应商。一直致力于面向解决金属·陶瓷传统制造工艺无法制造的难题，积极贯通金属/陶瓷制造全链条、全流程、全配套的高附加值服务。基于升华三维搭载的系统性软件与控制方法，可根据客户产品开发需求进行多晶格结构的设计与填充制造，快速落地应用。 该工艺为科研教育、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造、新能源等领域智能制造提供了新的可行3D打印解决方案。 注：本文内容为升华三维授权发布。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.主流3D打印工艺制备SiC陶瓷的优缺点及国产方案带来的新突破 2.钨金属的不同3D打印工艺，优势互补、潜力无限 3.「理光」欲将粘结剂喷射金属3D打印用于铝合金散热器制造 4.2022年 | 国内外20余款重量级金属3D打印新设备看点

近日，3D打印技术参考注意到，美国Grid Logic公司开发了一种独特的、采用传统粉末冶金技术进行多材料3D打印的工艺，可以在同一工作中3D打印金属和陶瓷。上一次介绍在同一部件中同时打印金属和陶瓷，还是在说XJET，因为两种材料的烧结温度曲线不同，后者基于材料喷射的工艺在生坯材料烧结方面遇到了挑战。因此，其对该技术的开发后续并未关注到进展。 Grid Logic采用完全不同的方法进行基于粉末的3D打印，没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。从装置图可以看出，该打印机配备了三种粉末，其中两种粉末是打印的主体材料，第三种粉末毫无疑问充当支撑。在打印的过程中，不同的打印头会在所需要的位置施加不同的材料。 多材料3D打印机的粉末储存罐 打印过程完全不需要高能激光烧结或喷射粘结剂，打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑金属和陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。 包含两种粉末的零件 Grid Logic制造的全烧结3D打印部件 除了多材料能力之外，这种方法还有许多其他优势： 在打印过程中，粉末完全支撑物体，不需要其他支撑 最大限度地减少高成本金属和陶瓷粉末的浪费 部件中没有残余应力，无粘结剂污染 利用传统的粉末冶金方法制造复杂零件 Grid Logic采用其多材料3D打印技术制造了陶瓷与铜线圈，这种能力意味着他可以为电动机或其他电气应用打印复杂组件。 左侧为铜线圈，右侧的三相定子线圈将铜与用于绝缘的氧化铝融合为一个整体 Grid Logic表示，他们能够在一次作业中打印“三种或更多粉末”。 虽然目前可以使用能量沉积工艺实现多材料3D打印，但该工艺无法实现粉末床技术那样的零件复杂性，然而后者在处理不同材料时会造成粉末的混合污染。Grid Logic之前曾与橡树岭国家实验室 (ORNL) 以及美国国防部合作，为雷神导弹系统制造铍替代部件。目前，该公司正在寻找下一步，提供3D打印服务、材料开发和定制系统的开发。 带有 多材料3D打印组件的演示电动机 这种无热量输入的打印方式使加工高熵合金和磁性粉末更为容易，同时，也为高反射金属的3D打印带来了机遇。包括铜以及钨和钼这些难熔金属，往往会反射激光束，但在烧结时不会造成这样的困难。即使是需要非常高温度才能熔化的陶瓷，也可直接使用该工艺，而无需浆料或其他中间材料形式。铝、钢、青铜也可以与其他金属一起打印，并在烧结过程中发生熔渗。 3D打印与传统粉末冶金相结合，为制造带来了更多可能性。但对于该技术来说，最大的问题是如何解决材料不同的温度曲线所带来的挑战，每种材料都具有不同的烧结温度，加热升温和冷却过程也可能不同，而整个烧结过程中构建体积内必当具有相同的热分布，材料会经历相同的热过程。Grid Logic也许设计了具有非常相似的烧结热分布的材料，从而使该过程能够成功完成。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.基于粉末床激光熔融技术实现多金属混合3D打印 2.一种集模料与金属喷射为一体的高质量零件3D打印工艺 3.工艺综述：金属增材制造技术的重要创新发展及代表性企业 4.最新市场格局：粘结剂喷射金属3D打印，将塑造一个蓬勃发展的市场

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100969 具有优异性能的人工设计结构陶瓷零部件在各类高端工程领域中拥有巨大需求。增材制造（即3D打印技术）已经发展成为复杂结构陶瓷制造的一种有效手段，具有广泛应用前景。而直接从原粉或配制浆料形式打印陶瓷存在材料种类有限、浆料透光性差且易沉淀等问题。聚合物陶瓷前驱体（PCP）则为难成形陶瓷结构的3D打印提供了另一条新兴途径。这些材料可以用于增材制造，并通过热解等工艺获得各类特种多元陶瓷结构，从而成为聚合物前驱体转化陶瓷（PDC）。将增材制造与聚合物前驱体转化陶瓷技术相结合的优势在于：可以从微观角度对陶瓷的性能进行设计，通过调节官能团的数量和种类实现对陶瓷功能的调控；制备温度较低，PCP在1000 ℃以内通过热解即可转化为陶瓷产物；裂解后的陶瓷组分均匀，耐高温、抗氧化性能较好；与传统陶瓷粉末配制的光敏浆料相比，PCP粘度较低且不存在固相沉淀和粉体对光的散射效应，方便打印成形；结构的设计和成形灵活性高，PCP可以增材制造成任意结构用于热解转化为PDC。针对该领域的蓬勃发展，近日，深圳大学增材制造研究所陈张伟教授团队在顶级期刊Progress in Materials Science（IF=48.2）发表题为：Additive Manufacturing of Polymer-derived Ceramics: Materials, Technologies, Properties and Potential Applications的长篇综述论文，全文共3.9万字，包含7大章、49小节和400篇参考文献。文章详细总结了合成各种PCP材料的方法与组分调配机理；适用的增材制造工艺类型与原理；并针对不同应用的PDC结构与性能的研究进展进行讨论。讨论了各类增材制造技术相关的优缺点；并对复杂组分和结构的PDC零部件特性和潜在应用进行分析。同时该综述为高精高速增材制造高性能先进PDC陶瓷复杂结构提供了理论参考与技术指导。深圳大学增材制造研究所陈张伟教授指导的博士后Chaudhary为本文第一作者，陈张伟教授为唯一通讯作者，深圳大学为唯一通讯单位。图1 适用于聚合物前驱体转化陶瓷的3D打印技术及零部件此外，陈张伟教授团队近期在陶瓷3D打印研究方向也取得多项重要研究进展和成果，并在增材制造顶级期刊Additive Manufacturing（IF=11.9）发表研究论文多篇。部分相关成果亦申请国家发明专利多项并获得授权。（1）聚合物前驱体转化陶瓷的光固化3D打印研究进展：由于聚合物陶瓷前驱体光固化3D打印件在陶瓷化过程中会脱去有机官能团，这些有机官能团热解形成的小分子气体会从结构中溢出，并且这种溢出通常是连续和无序的，易导致样品开裂、变形和坍塌等缺陷，难以获得比较好的尺寸精度和表面形貌，以及较大的样件尺寸。这也是目前前驱体转化陶瓷增材制造面临的一个重要挑战。针对此类问题，陈张伟教授团队从聚合物热解的特点出发，通过在光敏树脂配方中引入低熔点或其他有机添加剂，利用添加剂在热解过程中持续产生的小分子气体形成的物理微通道，为其他大分子热解形成的气体的溢出提供流畅的途径，进而减少甚至避免了开裂、变形和坍塌的发生，从而能够获得了具有较高精度、良好表面形貌、较小变形缺陷、和较大致密厚度与尺寸的前驱体转化陶瓷热解件。团队还首次提出了厚度/产瓷率(T/Y)指标，从而可以比较客观的量化最终热解样件的骨架或实体厚度并与已有文献结果进行横向对比。利用该方法，引入添加剂的样品可获得高精度表面相貌，且具有较大蜂窝骨架厚度和实体厚度的陶瓷件。该方法与其他控制开裂、变形的制备方法，如热压、热等静压和等离子烧结相比，具有工艺简单、操作方便、周期短和低成本的优势。上述研究以3D printing of crack-free dense polymer-derived ceramic monoliths and lattice skeletons with improved thickness and mechanical performance为题发表论文于增材制造顶级期刊Additive Manufacturing。陈张伟教授指导的学生熊书锋为论文第一作者，陈张伟教授为唯一通讯作者，深圳大学为唯一通讯单位。图2 聚合物陶瓷前驱体3D打印件陶瓷化过程的机理与效果（2）非氧化物陶瓷粉体浆料光固化3D打印研究进展：由于非氧化物陶瓷对紫外光吸收率较高，其所对应的陶瓷浆料在光固化3D打印成形时固化困难、成形效率低。因此该问题一直限制了非氧化陶瓷在光固化3D打印技术上的应用和发展。针对该问题，陈张伟教授团队通过预氧化方法将SiC陶瓷颗粒制备成SiC@SiO2核壳结构颗粒，使得SiC陶瓷浆料的紫外线穿透深度提高了3倍以上。为降低SiC陶瓷的烧结温度和收缩率，制备了固含量（SiC@SiO2陶瓷）为40 %、聚硅氧烷（SiOC陶瓷前驱体）含量为0~70 wt.%的光固化陶瓷-树脂浆料。通过DLP 3D打印技术和一步热解工艺成功制备了轻质高比强度SiC基点阵陶瓷。研究了从SiC@SiO2/PSO陶瓷-树脂坯体向SiC@SiO2/SiOC陶瓷转变的显微组织和物相演变规律。最终热解得到的SiC@SiO2/SiOC点阵陶瓷比强度为4.6×104N.m/kg，线收缩率小于8%，优于其他点阵结构和孔隙率相近的多孔陶瓷。所提出方法的复杂结构成形能力较高、制备周期较短。这种轻质SiC基陶瓷的成分、宏观形状和微观结构可根据要求设计和制造，具有极高的柔性和精确制造特性。该研究所提出的制造方法在高温结构吸能组件、多孔催化和液态金属过滤器方面具有广阔的应用潜力。同时本研究使用的前驱体也可以开发成其他陶瓷前驱体，如聚碳硅烷（SiC前驱体）、聚硅氮烷（Si3N4前驱体）等多元陶瓷前驱体，以满足不同领域的应用需求。上述研究分别以Complex SiC-based structures with high specific strength fabricated by vat photopolymerization and one-step pyrolysis和3D printing and in situ transformation of SiCnw/SiC structures为题发表2篇论文于增材制造顶级期刊Additive Manufacturing。陈张伟教授指导的博士后曹继伟为上述2篇论文第一作者，陈张伟教授为唯一通讯作者，深圳大学为唯一通讯单位。同时，基于以上成果申请并获授权发明专利1项（陈张伟 等：一种光固化陶瓷浆料和碳化硅陶瓷的制备方法，授权号：ZL202110176975.X）。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102430https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103053图3 基于光固化3D打印的SiC陶瓷制造方法（3）燃料电池氧化物陶瓷电极和电解质层的喷墨打印研究进展：固态氧化物燃料电池（SOFC）是一类新兴的绿色能源转换器件，有望用于各类商业和家庭供电。然而这种三明治结构单元的设计和制造严重依赖传统的流延成形等方法，存在厚度、形貌和性能等控制性难题。针对当前固态氧化物燃料电池电极和电解质薄层单元组件的控形控性难题，陈张伟教授团队提出采用喷墨打印增材制造工艺进行可调控的SOFC薄层组件设计和制造，通过研发具有优异喷墨打印性能的新型镧锶钴铁氧体（LSCF）阴极墨水，基于水基陶瓷墨水有机物质量分数控制，打印制造得到具有较低层厚、无裂纹的阴极层。并使用低厚度多次打印一次烧结成形的方法，成功制得高厚度、成形质量良好的LSCF阴极层。此外，成功研制了适用于喷墨打印的氧化钆掺杂氧化铈（GDC）阻隔层墨水。进一步通过制备半电池和全电池测试其电话线性能。结果表明，使用喷墨打印技术制备的SOFC展现出良好的电化学性能。该研究以提为Inkjet printing additively manufactured multilayer SOFCs using high quality ceramic inks for performance enhancement发表于增材制造顶级期刊Additive…