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陶瓷3D打印技术与应用

陶瓷的使用可以追溯到商朝,最初是作为盛器而创造的,通常由在高达 1000℃ 的温度下烧制的粘土制成。到 19 世纪末,这些材料的特性在工业中被发现:它们为发动机提供了很好的热绝缘和电气绝缘。由于陶瓷独特的性能、悠久的使用历史,陶瓷 3D 打印在市场上备受期待。

根据 MarketDigits 于 2024 年 4 月发布的市场研究,2023 年陶瓷 3D 打印市场价值为 2.7 亿美元,预计到 2032 年将达到 26 亿美元。这是一项不断发展的制造技术,尽管与聚合物或金属工艺相比,它仍然是一个利基市场。但是陶瓷 3D 打印可以获得精确、耐用零部件的优势,决定了它在行业中不可替代的地位。
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陶瓷的不同类型

从历史上看,粘土由于是一种天然材料,在几乎任何环境中都很容易找到,它成了陶瓷制造时最常用的材料。随着材料的发展,出现了新的制造可能性,目前,有不同类型的陶瓷:最常见的是我们在日常环境中使用的陶瓷,如餐具等;我们也有结构陶瓷,用于建筑,如砖块;还有涂层中使用的耐火陶瓷;最后是技术陶瓷,它是一种有高机械、热、化学和电阻的材料。

技术陶瓷由于其高机械、耐高温等独特的优势,在增材制造领域特别受欢迎。主流的技术陶瓷有两大类:氧化物和非氧化物,它们因其化学成分而具有不同的特性 。这些技术陶瓷有多种形式:细丝、粉末、树脂,这将影响打印工艺的选择。其中最受欢迎的是:氧化铝,它因其硬度和耐高温性而备受推崇;氧化锆,具有非常好的机械性能。

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陶瓷 3D 打印工艺

粉末粘合技术上世纪 90 年代初,麻省理工学院发明了粉末粘合技术,该技术后来被 Z Corporation 收购,该公司本身于 2012 年被 3D Systems 收购。该技术使用粘合剂固化粉末——优点之一是它能够在没有打印支撑的情况下生产彩色部件。粉末可以是陶瓷,逐层形成所需的碎片。Tecnalia Research & Innovation是Destkop Metal的粘结剂喷射机的用户 ,并生产硅碳化物零件等。项目经理兼集团经理 Iñigo Agote 作证说:“烧结后,我们获得的部件密度与传统 制造的商用部件相当。此外,材料的硬度和断裂强度也相似。
光固化成型技术:这是增材制造领域的另一种流行技术,它很晚才应用于陶瓷打印,但该工艺成型零件的精度和细节表现突出,现在被广泛使用。与粉末粘合工艺相比,陶瓷光固化打印路线企业更多,例如:3DCeram、ProdwaysLithoz等。目前,桌面 3D 打印机领域目前发展良好,各厂家也在逐渐推出更经济的陶瓷打印机 
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材料挤出技术:这无疑是市场上最广泛的陶瓷3D打印技术之一。它遵循FDM技术,定制适合陶瓷材料的挤出设备,沉积陶瓷聚合物或黏土材料层以形成零件或模型。

纳米粒子喷射技术:该技术由以色列公司 XJet 开发,将数千个液滴沉积在包含陶瓷纳米颗粒的打印托盘上。NanoParticle Jetting  的关键始于其独特的液体分散方法:将含有模型和支撑材料的固体纳米颗粒的液体浆料投射到构建平台上,以逐层制造精细的部件。知名专家Gothait 说,液体悬浮液在密封的墨盒中交付和安装没有任何问题,打印头的精度以及超薄层的使用,可产生非常高的 Z 分辨率,很容易获得非常精细的零件。

陶瓷 3D 打印的应用

陶瓷 3D 打印正被应用于许多行业,并且已经证明了它的优势。正如我们之前解释的那样,一些技术陶瓷的机械性能和热分布特别有用。事实上,根据所选的陶瓷,人们将能够获得比金属更耐高温、更轻的零件,因此,它在航空航天领域应用比较成熟。此外,一些陶瓷具有很强的耐腐蚀性或具有良好的电绝缘性能,陶瓷 3D 打印可以为卫星等通信系统设计射频滤波器,用于制造涡轮机的更坚固的模具、工具和附属零件。

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陶瓷 3D 打印在医疗领域占有一席之地,为设计定制植入物或精密手术器械提供了可能性。一些陶瓷具有生物相容性和生物可吸收性,因此非常适合设计个性化植入物。例如,3DCeram 解释说:“增材制造可以控制陶瓷替代品孔的位置和几何形状,这与通过添加有机泡沫或致孔剂制成的植入物不同。三维结构孔隙率和完全互连孔的恒定直径促进了替代品的骨结合和机械强度。机械抗压强度是传统多孔结构的 3 到 5 倍。在处理和定位植入物过程中破裂的微碎屑导致术后炎症的风险显著降低。”
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此外,陶瓷 3D 打印的应用还包括:艺术家通过粘土挤出的工艺来进行雕塑等艺术创作;许多实验室和大学都投资了陶瓷3D打印机来进行材料或零件的研发和测试;生产厂家使用陶瓷 3D 打印来设计铸造模具的型芯等。

陶瓷 3D 打印的未来是什么?
陶瓷3D打印技术无疑将持续进步,但如同其他增材制造技术,其全面普及尚需时日。技术陶瓷材料的研发,特别是那些对工业至关重要的材料,将是推动陶瓷3D打印技术商业化的关键。目前,该技术正逐渐普及,但在广泛应用前,还需关注一些细节,如陶瓷工程师的专业培训,以及制造商、服务提供商和最终用户等市场主要参与者的接纳程度。一旦这些关键环节取得突破,陶瓷3D打印技术将如滚雪球般迅速发展,成为备受认可的先进技术。


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