基于膠態(tài)法的陶瓷件快速成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

花擁斌++劉玉濤++寧翔++朱祚祥++程章云++徐佳杰

【摘 要】本文著重介紹了各種膠態(tài)法陶瓷快速成形技術(shù)的成形機理、工藝流程、發(fā)展現(xiàn)狀，采用對比分析各種膠態(tài)法快速成形技術(shù)制備陶瓷件的優(yōu)缺點，供膠態(tài)法快速成形技術(shù)制備陶瓷件提供可靠的依據(jù)，并對膠態(tài)法陶瓷件快速成形技術(shù)的未來發(fā)展做了簡單預(yù)判。

【關(guān)鍵詞】膠態(tài)法快速成形；陶瓷件；發(fā)展現(xiàn)狀；展望

前言

高性能陶瓷件具有強度高、硬度大、耐高溫好、抗氧化等眾多特點，在航空航天、大型船舶、汽車制造業(yè)等具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。由于陶瓷件在成形過程中容易產(chǎn)生瑕疵，且陶瓷件的韌性差、難加工等特點，很難制備高精度復(fù)雜件陶瓷零件。膠態(tài)法快速成形制備技術(shù)可很好地解決高精度復(fù)雜件陶瓷的制備問題[2]。

1.膠態(tài)法陶瓷件成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

膠態(tài)法陶瓷成形技術(shù)通過制備粘度高、固相體積分數(shù)高的稠狀體，從而制備密度高、強度大、均勻性好的陶瓷坯體，待燒結(jié)成瓷制品。但是，傳統(tǒng)的膠態(tài)法陶瓷成形技術(shù)需要依賴模具的限制，特別是一些復(fù)雜的陶瓷件，其模具制備周期長、成本高、成品率低等缺陷，嚴重制約了高性能復(fù)雜陶瓷件的應(yīng)用推廣。快速成形技術(shù)的誕生為高性能復(fù)雜陶瓷件的制備帶來新的發(fā)展方向，該技術(shù)最大的優(yōu)勢在于無需模具限制，且生產(chǎn)周期短、成本低，是未來高性能復(fù)雜陶瓷件制備技術(shù)的發(fā)展方向。

2.快速成形技術(shù)成形機理

快速成形技術(shù)是借助于CAD/CAM技術(shù)建立三維實體模型，通過逐點、逐面方式堆積成實體物件的過程，亦也稱快速原型制造技術(shù)。快速成形技術(shù)成形機理是依據(jù)制品三維實體模型，經(jīng)軟件數(shù)據(jù)處理后，將三維實體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為層層薄片堆積；通過快速成形系統(tǒng)堆積成一系列薄片狀實體，并最終實現(xiàn)層層薄片實體堆積成三維實體物件的過程[3-4]。

隨著快速成形技術(shù)的快速發(fā)展，可選擇的成形原料有金屬粉體、樹脂、塑料、石膏粉體、陶瓷粉體和陶瓷料漿等。特別是在高性能復(fù)雜陶瓷的制備方面，攻克了陶瓷件高硬度、難加工的特點，采用陶瓷料漿的膠態(tài)法成形技術(shù)可實現(xiàn)陶瓷坯體的快速成形，經(jīng)燒結(jié)可實現(xiàn)陶瓷制品[5-6]。

3.膠態(tài)法陶瓷快速成形技術(shù)

3.1陶瓷直寫成形技術(shù)

通過計算機控制沉積一定固含量的陶瓷漿料制備一層特定形狀的陶瓷漿料層，經(jīng)過較短時間的干燥完成液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變，獲得所需要形狀的第一層結(jié)構(gòu)，然后逐層疊加得到三維制件。經(jīng)過多年的發(fā)展，直寫技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了相對成熟的陶瓷粉體分散劑、粘結(jié)劑，并用于制備三維尺寸陶瓷零件。直寫技術(shù)是目前發(fā)展的可以利用低有機物含量的陶瓷漿料進行三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)生坯成形的膠態(tài)無模成形技術(shù)之一，特別在醫(yī)用生物工程材料中是目前研究的熱點。該技術(shù)制作的網(wǎng)格型框架骨結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部可以植入生物因子和人體相容性較好。

3.2陶瓷噴墨打印成形技術(shù)

陶瓷噴墨打印成形有兩種形式：其一是將待成形的陶瓷粉末鋪到工作臺上，通過噴嘴將粘結(jié)劑噴到選定區(qū)域，噴有粘結(jié)劑的粉末會粘結(jié)在一起形成一層，然后鋪設(shè)新一層粉末，刮平后再噴粘結(jié)劑，逐層累積得到三維零件；另外還有一種方法是將陶瓷粉體與各種有機物配制成陶瓷墨水，通過打印機將陶瓷墨水打印到成形平面上成形。噴墨打印技術(shù)通過很細的噴嘴來噴射粘結(jié)劑或陶瓷墨水，可以使用多個噴嘴噴射不同成分和顏色的材料，因此對于零部件局部結(jié)構(gòu)的控制有著獨特的優(yōu)勢。

3.3陶瓷熔融沉積成形技術(shù)

陶瓷熔融沉積成形技術(shù)是由FDM（Fused Deposition Molding）技術(shù)發(fā)展而來的。在FDM中，以熱塑性絲狀材料為原料，細絲通過可在X-Y方向上移動的液化器熔化后由噴嘴噴出，根據(jù)所設(shè)計部件的每一層形狀，逐條線、逐層的堆積出部件。FDC通常將陶瓷粉體與特制的粘結(jié)劑混合，用擠出機或毛細管流變儀做成細絲，然后用FDM設(shè)備做成陶瓷件生坯，通過去除粘結(jié)劑和陶瓷生坯的燒結(jié)，得到較高致密度的陶瓷件。該技術(shù)對細絲要求較為嚴格，需要合適的粘度、柔韌性、彈性模量、強度和結(jié)合性能。由于陶瓷材料制作細絲難度比金屬大很多，因此發(fā)展?jié){料材料是替代FDC的發(fā)展方向，該技術(shù)與直寫技術(shù)不同是在噴嘴處需要加熱。通常采用混有有機粘結(jié)劑的陶瓷顆粒，經(jīng)過加熱粘結(jié)劑融化粘連陶瓷顆粒，并帶動陶瓷顆粒流動成形。

3.4 陶瓷立體光刻成形技術(shù)

立體光刻成形技術(shù)最初主要應(yīng)用于高分子的成形，通過紫外光逐層固化液體樹脂來制造三維零件，而將其用于陶瓷部件成形的研究則是在20世紀90年代后期展開的。目前，主要有以下兩種方式：直接法在制備陶瓷部件時首先將陶瓷粉與可光固化的樹脂混合制成陶瓷料漿鋪展在工作平臺上，通過計算機控制紫外線選擇性照射溶液表面。間接法在使用該法先制作出樹脂模型，然后將陶瓷漿料注入到模型型腔中，待漿料凝固后得到陶瓷件坯體。該方法適合于與樹脂難熔指數(shù)差值較大的陶瓷材料。

3.5陶瓷形狀沉積成形技術(shù)

陶瓷形狀沉積成形技術(shù)是20世紀90年代由Carnegie Mellon大學等和Stanford大學聯(lián)合提出的。SDM采用逐層疊材的方法，在層內(nèi)應(yīng)用了去除成形和澆注成形結(jié)合的方法。Stanford大學Sangyun Kang等采用SDM方法制作了Si3N4陶瓷渦輪發(fā)動機，對成形后的制品進行了機械性能分析，并與SDM技術(shù)成形零件進行了比較。Jurgen Stampfl等利用形狀沉積制模法來快速制造犧牲模，然后配制低粘度高固相含量的陶瓷漿料并將其注入犧牲模，利用其膠凝特性快速原位固化成形。

3.6陶瓷層合實體成形技術(shù)

該技術(shù)加工具體過程：先將陶瓷粉體含量70%～90%的石蠟加熱到70～110℃熔化，使其流入一定形狀的模具中，再用蠟輥將石蠟壓成厚度為0.1～2.0㎜的薄片。在計算機控制下用精度較高的熱敏刀具將蠟層需要挖空的部分刻蝕，雕刻下來的石蠟用鼓風機吹走。將已熔好的含有陶瓷粉的蠟料傾倒在先前制備好的蠟板上，待蠟料填平蠟板的凹處后，用熱的刮刀將蠟板薄層上多余的蠟料刮掉。重復(fù)以上步驟，逐層累積得到原型，最后將坯體排蠟燒結(jié)。

4.結(jié)束語

在陶瓷領(lǐng)域中使用RP技術(shù)可以制備出復(fù)雜的陶瓷零件，其中基于陶瓷漿料液固轉(zhuǎn)變的膠態(tài)成形技術(shù)是各種RP技術(shù)中具有明顯優(yōu)勢一種方法，該技術(shù)成形零件致密度較高，后期可加工能力強，對于復(fù)雜高精度零件的制備有重要意義，但由于引進有機單體作引發(fā)劑或粘結(jié)劑，后期燒結(jié)或脫膠后會出現(xiàn)氣孔等缺陷。另外還面臨成形精度不理想、成形設(shè)備昂貴、成形材料有限等問題。這些都無疑制約了快速成形技術(shù)在陶瓷膠態(tài)成形中的應(yīng)用。

參考文獻

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