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科普丨打印陶瓷?陶瓷3D打印机你听说过吗?
2017-08-09 07:06:09 来源: 新华网
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    现如今大家对3D打印技术不算陌生了,大家都知道通过3D打印技术可以制造模型,但是你知道3D打印机可以打印体量较大的陶瓷作品,并且具有手工质感了吗?7月31日,中国首家3D打印文化博物馆在上海宝山智慧湾科创园区内正式落成,馆内各种精美的3D打印作品让人目不暇接,叹为观止。中国3D打印文化博物馆还将研发和推广丰富的三维及二维衍生品,包括三维陶瓷系列等。

中国首家3D打印博物馆在上海开馆。

陶瓷3D打印技术打印出的陶瓷作品。 

    【用途广泛的陶瓷3D打印技术】

    陶瓷是一种传统的无机材料,精美实用,已经有了上千年的历史。硬而脆的特点使陶瓷材料加工成形尤其困难,传统陶瓷制备工艺只能制造简单三维形状的产品,而且成本高、周期长。陶瓷3D打印技术的发展使复杂陶瓷产品制备成为可能,3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给陶瓷注入了新的活力。

    陶瓷3D打印可以制备结构复杂、高精度的多功能陶瓷,在建筑、工业、医学、航天航空等领域将会得到广泛的应用,在陶瓷形芯、骨科替代物、催化器等方向具有很好的应用前景,将给我们的生活带来巨大改变。

    【陶瓷3D打印成形技术】

3D打印的陶器

    目前陶瓷3D打印成形技术主要可以分为喷嘴挤压成型立体光刻成型粘合剂喷射成型选择性激光烧结或熔融成型浆料层铸成型等。这些工艺与传统的3D打印工艺并无大的不同,主要的区别在于用于陶瓷打印时,这些工艺采用的原材料为陶瓷粉末或陶瓷浆料,其中陶瓷浆料因为其优良的成型特性而应用更为广泛。

    使用这些技术打印得到的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷零件。根据成形方法和使用原料的不同,每种打印技术都有自己的优缺点,发展程度也有差距。

    •喷嘴挤压成型

    该技术采用混有陶瓷粉末的喷丝作为原材料,使用100摄氏度以上的温度将喷丝中的高分子材料融化后挤出喷嘴,挤出后的陶瓷高分子复合材料因为温差而凝固。

热熔沉积式陶瓷打印机(美国罗格斯大学开发)

    除此之外,也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料,直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。这种陶瓷浆料的主要成分是陶瓷粉末和粘合剂,其中粘合剂在成型过程中起到粘合陶瓷粉末的作用。

冷凝挤压式陶瓷打印机(美国密苏里科技大学开发)

    •立体光刻成型

    立体光刻成型是目前市场上陶瓷打印的主要技术,也是商业化相对成功的技术。该技术采用一种由陶瓷粉末、光引发剂、分散剂等混合而成的光固化胶,使用该工艺制造出的陶瓷制品密度可高达99%以上。

Lithoz陶瓷打印机

    与此同时,最近一两年,研究人员在光固化陶瓷前驱体材料上取得的技术突破,让立体光刻成型技术在陶瓷打印中的地位更加稳固。

    •粘合剂喷射成型

    这项技术将粘结剂通过打印喷头喷射到陶瓷粉末上,用来将粉末颗粒粘结在一起。然而,根据有限的文献报道,这种技术产生的陶瓷致密度并不高。

Exone粘合剂喷射成形

    •选择性激光烧结或熔融

    SLS/SLM主要被用于金属材料的3D打印上,在陶瓷的制造中使用并不多。这是因为使用激光直接对陶瓷粉末进行烧结或者融化处理时,加工过程中的温度差极易在陶瓷产品中产生应力,这些应力最后会在陶瓷产品内部产生大量裂纹;使用粉末层预热可以降低裂纹成形的可能性,但同时精度也有所降低。

激光选区熔化成形

    •浆料层铸成型

    所有基于陶瓷浆料的3D打印技术统称为浆料层铸成型。它将陶瓷粉末与不同的有机粘结剂混合制备成浆料,再使用传统的3D打印工艺加工成型,这样一套工艺流程不但简单而且效果好,基于浆料的工艺要比其他工艺生成的陶瓷致密性更高。

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【纠错】 责任编辑: 钱芳
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