如何解决3D打印陶瓷部件致密性不足及内部缺陷

发布时间：2020-10-10 17:03作者：Tony

3D打印（3D－printing）是基于计算机三维模型技术的一种制造成形方法，通过材料逐层堆积的方式实现生产，融合了材料科学、机电控制技术以及计算机信息技术等多领域的先进科技，改变了传统制造方式和工艺，是“第三次科技革命”的标志性成果。

常见的3D打印方法包括薄材叠加制造(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、光固化(SLA)、激光选区熔化(SLM)、三维打印法(3DP)、激光选区烧结（SLS）等方法。与传统成型相比，上述几种3D打印技术在直接成型复杂形状金属和高分子零件方面已展现出较大优越性。然而，上述3D技术在陶瓷零件成型时仍存在许多困难。许多学者尝试通过3D打印技术成型陶瓷零件坯体，结合高温烧结致密化处理，有的甚至直接通过激光3D打印出致密的陶瓷零件。

3D打印成型技术

1、激光选区熔化(SLM)

SLM方法利用直径30μm~50μm的聚焦激光束，对粉末逐层选择性熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，可用于直接3D打印陶瓷件，无需后续致密化处理。SLM成型陶瓷零件过程中温度变化范围大、速度快，产生的内应力较大，使陶瓷零件极易产生缺陷。

2、薄材叠加制造技术(LOM)

LOM技术利用激光切割陶瓷薄片，通过热压或其他形式层层粘接、叠加获得三维实体零件。LOM方法制造的陶瓷坯体表面层与层之间的台阶效应明显，边界需要进行打磨，水平和高度方向密度差异大，对后续脱脂及烧结过程不利，导致最终的陶瓷零件密度不均匀。

3、光固化(SLA)

SLA工艺利用紫外光固化一种液态光敏树脂材料，通过高速搅拌使陶瓷粉末在光固化溶液中分散均匀，获得高固相含量、低粘度的陶瓷浆料，然后使浆料在成型机上逐层固化、堆积成陶瓷零件坯体，最后采用干燥、脱脂及烧结等致密化工艺得到陶瓷零件。但是，光固化方法制造陶瓷零件需设置支撑，对环境也会造成危害，这些都不利于该工艺的应用和发展。

4、熔融沉积造型(FDM)

FDM技术采用加热融化喷头使材料转变为熔融态，并按每层数据指示的路径挤压和沉积在预定的方位，逐层累积成型出整个零件。该方法在陶瓷粉中加入有机粘结剂，通过毛细管流变仪或挤出机加工成丝材后用FDM设备成型出陶瓷坯体，最后通过脱脂和高温烧结获得较高密度的陶瓷件。

但是，熔融沉积陶瓷强度较差，收缩存在各向异性。同时，由于喷头口径较大，成型精度低，另外适合FDM成型的塑料种类少，限制了陶瓷零件FDM成型的发展。

5、三维打印法(3DP)

3DP技术是一种利用微滴喷射技术的3D打印方法，过程类似于打印机，在预先铺平的粉末上，于需要成型的位置喷射粘结剂形成薄层，逐层堆积成型，最终获得三维陶瓷零件。然而，3DP方法成型陶瓷时喷印粘结剂零件致密度不高，打印喷头易堵塞，零件精度也较低。

6、激光选区烧结(SLS)

SLS技术的工作原理是，首先，在工作台上铺一薄层粉末，然后，CO2激光按照各层截面的信息对需要粘接的粉末进行激光扫描，被扫描区域的粉末材料由于烧结或熔化粘接在一起，而未被扫描的区域粉末仍呈松散状，可重复利用，工作台在加工一层后下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和扫描，层与层之间粘结至一起，逐层堆积直到成型出整个零件，最终将零件取出。

陶瓷的SLS/CIP复合成型

通过上述3D打印技术制造的陶瓷零件普遍存在致密度低、力学性能差的缺点，不能直接应用于实际工业生产中，需进一步对3D打印陶瓷坯体进行后续致密化后处理。刘凯团队将CIP技术与基于粉末床的SLS打印有机结合，然后对SLS/CIP素坯进行排胶及高温烧结处理，提出了陶瓷零件的SLS/CIP复合成型制造技术。工艺流程如下：

1、粉体制备

用三维混粉机混粉，首先将陶瓷粉末通过喷雾造粒方法覆上一层润滑剂PVA聚合物，然后将造粒粉末和粘接剂环氧树脂混合2h左右，即得到均匀的造粒混合复合粉末，该粉末具备良好的SLS粘接性能和CIP压制性能。

由于SLS坯体需要进行排胶，在保证坯体具有一定强度的前提下，粘接剂含量越少越好。确定粘结剂加入量的基本原则是在不影响SLS成型质量的前提下，粘结剂加入量越小越好。采用造粒混合方法制备的复合粉末SLS成型性好，且制备方法简便，成本低。

2、激光选区烧结成型

SLS成型过程中激光作用在粉末材料上，粉末受到移动快的点热源加热，是一个极其复杂的动态系统。合理的SLS工艺参数可使陶瓷的精度、密度、强度达到较优的组合；反之，若工艺参数不合理，坯体会产生翘曲、变形、强度差等问题，也会影响经后续CIP等其它环节处理后的陶瓷质量。

3、冷等静压致密化

在压力作用下，陶瓷坯体的密度迅速增加。由于SLS试样内部包含大量孔隙，该过程主要是陶瓷颗粒的重新组合，坯体密度增加速率最大。随着CIP过程保压压力进一步增加，粘接颈破碎并充填孔隙，陶瓷粉末之间相互作用面积变大，陶瓷表面的有机物也增强了粉末间的滑动挤压，坯体的孔隙更加减少。

4、排胶处理

对排胶试样进行预烧结，温度升至800℃时，试样相对密度增加，这是由于尽管试样的质量仍然减少了，但试样在预烧结阶段内部氧化铝颗粒发生固相原子扩散，烧结颈逐步形成，试样各方向产生明显收缩，因此其体积也产生了收缩，相对密度增加。增加预热烧结温度和延长保温时间，有利于排胶试样的致密化。

5、高温烧结

延长保温时间和降低升温速率均有利于氧化铝试样致密化。当烧结温度、升温速率和保温时间分别为1650℃、2℃/min和2h时，氧化铝相对密度可达92%以上。

刘凯团队利用SLS成型、CIP和高温烧结致密化，已成功制备出Al2O3、ZrO2、SiC高白土等高性能复杂结构致密陶瓷零件，相关零部件的相对密度达到92%。