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陶瓷3D打印技术演进

更新时间: 2024-12-11 17:37:54  查看次数: 90    
早在 20 世纪 90 年代,美国麻省理工学院的萨克斯·E·马库斯和迈克尔·J·西玛就首次提出了用 3D 打印技术加工陶瓷材料的想法。经过 30 年的发展,随着材料科学、机械工程以及自动化技术不断进步,现在已经有了各种各样适用于陶瓷材料的 3D 打印方法,增材制造的形式也变得多种多样。
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按照打印原料的不同形式,陶瓷增材制造技术能分成三大类。第一类是基于陶瓷粉体的 3D 打印技术。这里面有好几种方法,比如选区激光烧结,是德克萨斯大学奥斯汀分校的 Deckard 和 Beaman 发明的,1986 年还申请了专利。它是用高功率激光束有选择地照射粉床表面,粉末受热烧结,颗粒之间就融合在一起,形成块状连接。然后新的一层粉末铺在上面,不断重复这个过程,直到把三维零件制造出来,支撑直接用粉末就行。还有三维印刷,是麻省理工学院的 Sachs 等人发明并在 1989 年申请专利。在这个过程中,有机粘合剂溶液以液滴形式通过喷头喷到粉末床表面选定区域,得到想要的形状。接着在已有层上再铺新粉末,一直重复,等零件成型后,从松散粉末里把样件取出来。不过这个方法在分辨率、表面光洁度、密度和机械性能这些方面质量不太好,还需要像渗透和等静压这样的后处理,有很大局限性。选区激光熔化是 1996 年德国弗劳恩霍夫激光技术研究所开发并获得专利的,它和选区激光烧结类似,但是用的激光束功率更高,粉末在激光热作用下完全熔化,冷却凝固就成型了。因为粉末完全融化进入液相,能快速致密化,不需要后处理就能做出几乎完全致密均匀的样件。
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第二类是基于块体/固态陶瓷的增材制造技术。像分层实体制造,最初是 Kunieda 在 1984 年报道的,后来 Helysis 公司进一步发展并商业化。它是由计算机控制激光切割薄片材料,然后把切割好的薄片在另一个薄片上逐层粘合,形成三维零件,通过实时加热和机械压缩让相邻层粘接和分层。这个工艺一般用来生产尺寸大、结构简单的零件,所以最近几年没什么技术进步或应用报告。熔融沉积成型是 Crump 等人开发并在 1989 年申请专利的,现在在高分子 3D 打印方面商业化应用很广。它是把丝材连续供应到移动的喷嘴中,在熔点上下温度加热,融化后从喷嘴挤出形成层,挤压后材料马上在之前打印的层上凝固。
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第三类是基于陶瓷浆料的快速成型技术。立体光刻是 1986 年由 Hull 发明并发展的,它是把液体单体转化成固体树脂,通常是按点、线、面进行,对液体表面光扫描。一层聚合完成后,支撑部件的平台会根据这层厚度升降,打印下一层前要用刮刀刮平液体表面。它精度高、表面质量好,是很突出、很流行的 3D 打印技术,在全球都广泛应用。双光子聚合是 Wu 等人在 1992 年通过制备简单形状高宽比通道验证了 3D 打印可能性的技术。它是聚合物同时吸收两个光子被激活的过程,目前只能在强激光作用下发生。这个方法精度极高,应用前景很大,最近几年成了全球高新技术领域的热门研究方向,不过打印效率低,材料也有限制。喷墨打印在二维图形打印上已经用了很多年,从 1995 年开始 Blazdell 等人才首次开发它在陶瓷元件 3D 打印中的应用。因为陶瓷颗粒在液体溶剂里分散得好,可以直接通过打印头选择性地沉积在基板上,由计算机辅助高精度定位液滴喷射来控制从点到线、到层再到实体的打印制造过程,之后经过适当干燥和烧结就形成固体陶瓷相。数字光处理其实可以看作是基于掩模的立体光刻技术,最初概念是 Nakamoto 和 Yamaguchi 在 1996 年提出的。