基于膠態法的陶瓷件快速成形技術發展現狀與展望

花擁斌 劉玉濤 寧 翔 朱祚祥 程章云 徐佳杰/景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院

基于膠態法的陶瓷件快速成形技術發展現狀與展望

花擁斌 劉玉濤 寧 翔 朱祚祥 程章云 徐佳杰/景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院

本文著重介紹了各種膠態法陶瓷快速成形技術的成形機理、工藝流程、發展現狀，采用對比分析各種膠態法快速成形技術制備陶瓷件的優缺點，供膠態法快速成形技術制備陶瓷件提供可靠的依據，并對膠態法陶瓷件快速成形技術的未來發展做了簡單預判。

膠態法快速成形；陶瓷件；發展現狀；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、汽車制造業等具有廣泛的應用前景[1]。由于陶瓷件在成形過程中容易產生瑕疵，且陶瓷件的韌性差、難加工等特點，很難制備高精度復雜件陶瓷零件。膠態法快速成形制備技術可很好地解決高精度復雜件陶瓷的制備問題[2]。

1.膠態法陶瓷件成形技術發展現狀

膠態法陶瓷成形技術通過制備粘度高、固相體積分數高的稠狀體，從而制備密度高、強度大、均勻性好的陶瓷坯體，待燒結成瓷制品。但是，傳統的膠態法陶瓷成形技術需要依賴模具的限制，特別是一些復雜的陶瓷件，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雜陶瓷件的應用推廣。快速成形技術的誕生為高性能復雜陶瓷件的制備帶來新的發展方向，該技術最大的優勢在于無需模具限制，且生產周期短、成本低，是未來高性能復雜陶瓷件制備技術的發展方向。

2.快速成形技術成形機理

快速成形技術是借助于CAD/CAM技術建立三維實體模型，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。快速成形技術成形機理是依據制品三維實體模型，經軟件數據處理后，將三維實體模型數據轉換為層層薄片堆積；通過快速成形系統堆積成一系列薄片狀實體，并最終實現層層薄片實體堆積成三維實體物件的過程[3-4]。

隨著快速成形技術的快速發展，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法成形技術可實現陶瓷坯體的快速成形，經燒結可實現陶瓷制品[5-6]。

3.膠態法陶瓷快速成形技術

3.1陶瓷直寫成形技術

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，經過較短時間的干燥完成液態向固態的轉變，獲得所需要形狀的第一層結構，然后逐層疊加得到三維制件。經過多年的發展，直寫技術已經發展了相對成熟的陶瓷粉體分散劑、粘結劑，并用于制備三維尺寸陶瓷零件。直寫技術是目前發展的可以利用低有機物含量的陶瓷漿料進行三維復雜結構生坯成形的膠態無模成形技術之一，特別在醫用生物工程材料中是目前研究的熱點。該技術制作的網格型框架骨結構由于內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

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，通過噴嘴將粘結劑噴到選定區域，噴有粘結劑的粉末會粘結在一起形成一層，然后鋪設新一層粉末，刮平后再噴粘結劑，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。噴墨打印技術通過很細的噴嘴來噴射粘結劑或陶瓷墨水，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構的控制有著獨特的優勢。

3.3陶瓷熔融沉積成形技術

陶瓷熔融沉積成形技術是由FDM(Fused Deposition Molding)技術發展而來的。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，根據所設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劑混合，用擠出機或毛細管流變儀做成細絲，然后用FDM設備做成陶瓷件生坯，通過去除粘結劑和陶瓷生坯的燒結，得到較高致密度的陶瓷件。該技術對細絲要求較為嚴格，需要合適的粘度、柔韌性、彈性模量、強度和結合性能。由于陶瓷材料制作細絲難度比金屬大很多，因此發展漿料材料是替代FDC的發展方向，該技術與直寫技術不同是在噴嘴處需要加熱。通常采用混有有機粘結劑的陶瓷顆粒，經過加熱粘結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

立體光刻成形技術最初主要應用于高分子的成形，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差值較大的陶瓷材料。

3.5陶瓷形狀沉積成形技術

陶瓷形狀沉積成形技術是20世紀90年代由Carnegie Mellon大學等和Stanford大學聯合提出的。SDM采用逐層疊材的方法，在層內應用了去除成形和澆注成形結合的方法。Stanford大學Sangyun Kang等采用SDM方法制作了Si3N4陶瓷渦輪發動機，對成形后的制品進行了機械性能分析，并與SDM技術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

該技術加工具體過程：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。重復以上步驟，逐層累積得到原型，最后將坯體排蠟燒結。

4.結束語

在陶瓷領域中使用RP技術可以制備出復雜的陶瓷零件，其中基于陶瓷漿料液固轉變的膠態成形技術是各種RP技術中具有明顯優勢一種方法，該技術成形零件致密度較高，后期可加工能力強，對于復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劑或粘結劑，后期燒結或脫膠后會出現氣孔等缺陷。另外還面臨成形精度不理想、成形設備昂貴、成形材料有限等問題。這些都無疑制約了快速成形技術在陶瓷膠態成形中的應用。

[1]周竹發,王淑梅,吳銘敏,等.陶瓷現代成型技術的研究進展[J].中國陶瓷,2007, 43(12):3-8.

[2]謝志鵬,薄鐵柱.先進陶瓷快速無模成型技術的研究與進展[J].中國陶瓷工業,2011(2):16-21.

[3]楊萬莉,王秀峰,江紅濤,等.基于快速成型技術的陶瓷零件無模制造[J].材料導報,2006,20(12):92-95.

[4]周偉召,李滌塵,陳張偉,等.陶瓷漿料光固化快速成形特性研究及其工程應用[J].航空制造技術, 2010(8):36-42.

[5]徐文杰,王秀峰,于成龍,等.陶瓷零件膠態快速成形技術研究新進展[J].陶瓷,2009(3):10-15.

[6]左開慧,姚冬旭,夏詠鋒,等.應用于陶瓷材料的快速成型技術的發展[J].中國材料進展,2015,34(12):921-927.