汇报显示信息瓷器增材制造的运用将在2030年以后亲身经历一个提高转折点。关键缘故是,瓷器增材制造3D打印技术性将慢慢完善,销售市场上存有充足支撑点这一关键技术发展趋势的生产制造要求。

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从中远期看来,3D打印瓷器构件的额外使用价值将促进客户针对瓷器增材制造硬件配置和原材料的要求。针对工程项目瓷器、优秀结构陶瓷的运用而言,这一发展趋势反映的更加显著。

瓷器零部件生产制造针对瓷器3D打印技术性的成本费、加工工艺集成化明确提出了高些规定,但更明确提出大量挑戰的是怎样做到基本瓷器零部件生产制造的品质规定。

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法国Franhofer (HTL)研究室的科学研究工作人员,对销售市场上常见瓷器3D打印技术性及其瓷器面坯后处理工艺阶段中的质量控制难题开展了科学研究。当期,3D资源巴将共享Franhofer (HTL)对有关难题开展的简述。

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瓷器3D打印发展趋势路线地图。来源于:《3D打印与陶瓷白皮书1.0》

 繁杂构造使调质处理难度系数高些

3D打印技术性在瓷器零件生产制造中获得运用有五个关键缘故:

*完成十分轻便的构造;

*根据功能集的单一零件,取代过去必须由很多部件组成的构造,进而节约拼装成本费,提高商品特性。

*生产制造人性化部件,如:脑外科假体、假牙等;

*按需生产制造,进而在货运物流和配件供货层面开拓新线路;

*清除了价格昂贵磨具的生产制造,完成小规模纳税人瓷器零件的生产制造。

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图1 a. 3D打印瓷器质轻器皿;b. 3D打印瓷器控制器,可另外精确测量气体压力和溫度。来源于:Process engineering

整体看来,可用以瓷器增材制造-3D打印的技术性分成两类。一类是另外开展原材料成形和高密度化的技术性,包含粉末状床熔化,定项动能堆积;另一类是将成形与高密度化分离开展的技术性,包含:原材料喷涌、原材料挤压、塑胶板材压层,粘接剂喷涌跟光聚合物加工工艺(SLA、DLP等),这种3D打印技术性用以生产制造瓷器面坯,并必须对生胚开展调质处理,以得到最后商品。

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在第一类增材制造加工工艺中,因为释放了较高的温度梯度,进而在瓷器零件中造成了较高的焊接应力和毁坏,因而这类技术性并不是是瓷器增材制造的流行技术性。第二类技术性因为包括了几类不一样3D打印加工工艺,这类多元化提升了陶瓷生产行业对技术性开展运用和质量控制的难度系数。

l 瓷器增材制造的质量控制

瓷器3D打印技术性要完成零件的高韧性和可信性及其最后的净形特性,将遭遇一些挑戰。一般,抗压强度和可信性在于外部经济构造的匀称性和粗糙度。与规范商品对比,应用增材制造技术性没办法完成这个方面。煅烧全过程中的形变会危害到零件的净形特性。提议应用闭环控制的3D打印零件线上规格控制系统。

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图2 瓷器增材制造有关品质要素。来源于:Process engineering

原材料查验是增材制造全过程质量控制中的至关重要的问题(图2),流变学精确测量等技术性可用以原材料操纵。

3D打印技术性为瓷器零件设计方案产生高些可玩性,可完成随意斜面、点阵激光、镂空雕花等构造,但增材制造技术性仍存有一定的设计方案限定,比如在增材制造和煅烧全过程中必须支撑点构造的垂悬零件。Franhofer (HTL)提议应用特殊手机软件来开展瓷器零件的增材制造设计方案。但大部分技术工程师必须专业的学习培训和学习培训才可以充足利增材制造技术性。

依据其主要用途,增材制造务必考虑与基本生产工艺流程同样的规范,比如航天航空层面的EN / AS 9100,汽车制造业的IATF 16949和医疗技术的ISO 13485。瓷器增材制造行业尚处在发展趋势初期环节,现阶段都还没对于瓷器3D打印的特殊规范,但能够应用很多通用性规范,比如:DfAM的ISO 52910-17,格式文件的ISO 52915-16,平面坐标和测试标准的ISO 52921-13。除此之外,有关对于结构陶瓷的“为增材制造而设计方案”VDI 手册已经制订之中。

l 3D打印瓷器面坯质量管理

大部分普遍瓷器增材制造加工工艺都包含两关键步骤,即进行面坯3D打印后还必须煅烧。生胚可用以质量检测,从生胚中得到的重要数据信息,对提升3D打印主要参数和原材料特点十分有协助。

生胚品质的规范与基本成形的规范同样:密不可分配对设置的样子,陶瓷颗粒的匀质和高密度沉积,黏合剂的匀质遍布,光洁的表层及其沒有缺点(如裂缝或层次)。

因而,正常情况下,能够应用与规范加工工艺同样的方式 来定性分析3D打印瓷器生胚。可是,因为为增材制造而设计方案的3D打印面坯具备繁杂几何图形样子,一般比规范成形加工工艺中的生胚精确测量样子要繁杂得多。计算机断层扫描(CT)做为非接触式方式 ,可用以瓷器3D打印面坯的检验,比如,检验十分细的支撑或内腔构造。

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图3 3D打印的三氧化二铝生胚的匀质性和层构造的精确测量:a)根据计算机断层扫描精确测量的粘接剂喷涌3D打印零件截面;b)根据扫描仪透射电镜量的光聚合物3D打印零件截面。来源于:Process engineering

图3a显示信息出了依据CT精确测量的,氧化铝陶瓷生胚一部分的竖直截面。该零件的3D打印技术性为粘接剂喷涌,原材料为干躁的三氧化二铝粉末状。在这里全过程中,只有应用可流动性的粉末状,进而将颗粒物规格限定为直徑超过10 μm的细粉。

直徑低于1 μm的细陶瓷颗粒可用以根据料浆3D打印的加工工艺,如SLA 3D打印。可是,大部分CT机器设备的像素不能处理外部经济构造的关键点。扫描仪透射电镜(SEM)可用以科学研究具备高像素的构造(图3b)。能够观查到,层中间的颗粒物相对密度较低。整体匀称性高过粘接剂喷涌技术性生产制造的瓷器零件,它是根据瓷器料浆跟光聚合物增材制造加工工艺的典型性特点。

l 调质处理全过程中的产品质量问题

正常情况下,在3D打印瓷器构件调质处理全过程中出現的难题与基本精益生产方式生产制造的生胚类似。殊不知,调质处理的提升一般更为艰难。依据增材制造技术性的特性,因为粘接剂浓度值高和/或虚梁粘结力低,脱油时非常容易造成脱层或裂开。与基本成形加工工艺对比,在具备较低生胚相对密度的3D打印加工工艺中,煅烧一般更繁杂,有可能造成缩水率和涨缩提高,而各种各样缩水率一般会累加,尤其是针对3D打印繁杂花丝构造,形变更为严重。

殊不知生产制造繁杂构造是3D打印技术性相对性于传统式技术性的典型性优点。那麼,怎样摆脱3D打印瓷器零件调质处理的艰难,进而使陶瓷生产行业可以运用3D打印技术性的优点呢?

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脱油全过程中的发热量和质量流量。来源于:Process engineering

在脱油全过程中,黏合剂和别的有机化学成份的分解反应和点燃随着着吸热反应和放热反应全过程,另外在汽态热裂解物质向外流动性期内,生胚的孔洞内的空气压力提升(图16)。假如相对的地应力超出生胚的抗压强度,温度梯度和过压会造成部分应力和毁坏。

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优化系统脱油周期时间期内的工作内容。来源于:Process engineering

这类状况下,能够在有限元(FE)实体模型中开展脱油模拟仿真,在其中将热裂解和燃烧反应,孔洞内和表层的气旋及其因为这种反映而造成的热气和发热量造成/耗费融合起來(图5)。依据溫度和压力分布,在全部钠化周期时间中测算机械设备地应力。在这个基础上,开展脱油循环系统以保证地应力自始至终远小于强度极限。

以便得到充足的模拟仿真精密度,必须一定总数的试验数据信息。另外应用热重分析,差示扫描仪量热法和质谱分析(TG-DSC-MS)开展规范热分析,可出示十分小的试品的键入,这种试品相匹配于事后有限元仿真模拟中的每个原素。

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脱油提升数据收集需要的非标机器设备:a)热光精确测量炉;
b)用以在六个一部分脱离的样版上开展四点弯曲强度检测的多种多样本支撑架。来源于:Process engineering

特殊的热光精确测量(TOM)炉用以精确测量很大的样版并得到别的总数(图6a)。TOM方式 也适用根据声发射精确测量来模拟仿真认证,灵巧地检验热力循环全过程中试品中的裂痕。

此外有一种根据试验的持续有限元实体模型,用以煅烧发模拟仿真。煅烧的键入数据信息是缩水率,热扩散率和浓稠的原材料特点。独特的TOM炉能用来得到这种数据信息。FE实体模型融合了热应力,强烈的动力学模型和机械设备地应力,还考虑到了作用力和滑动摩擦力,这针对煅烧3D打印的零件很重要。

有时候,溶体渗入是取代煅烧得到高密度瓷器零件的取代方法,在这里方式 中,溶体根据孔状力被渗入孔隙度安全通道中。用溶体渗入开展粘接剂喷涌3D打印的SiC高溫部件后处理工艺,已在生产制造中获得运用。图1a中的3D打印瓷器器皿便是以这类方法生产制造的。溶体渗入的优势是防止了收拢和煅烧形变,特别是在适用粘接剂喷涌3D打印生产制造的煅烧特异性低的生胚零件。溶体渗入加工工艺还可以根据原点精确测量和有限元仿真模拟来提升。

l 3D打印瓷器零件的最后查验

规格查验是增材制造零件质量管理中最重要的每日任务之一。可是,与基本精确测量对比,解决含有内腔等的繁杂构造越来越更为艰难。CT能够作为规格操纵的通用性专用工具,而不会受到构造管束的危害。在应用独特优化算法时,能够定量分析精确测量具体几何图形样子与总体目标几何图形样子中间的误差。

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光聚合物3D打印三氧化二铝罩的设置几何图形样子和最后样子(高宽比54mm)中间的差别。来源于:Process engineering

图7 是一个由光聚合物3D打印加工工艺生产制造的三氧化二铝煅烧声钟,用以根据响声发送精确测量。依据前边提及的煅烧形变测算方法,能够得到质量管理和全过程提升的重要指标值,并能够检验內部缺点。所精确测量的构造(包含大缺点)被迁移到有限元实体模型,在有限元实体模型中释放荷载,查验运用特性是不是遭受重特大危害。

因为应力及其出自于艺术美学缘故,3D打印瓷器零件的粗糙度将会很重要,能够根据激光器扫描显微镜开展精确测量。Franhofer HTL应用內部手机软件获取好多个重要指标值,估计部分地应力浓度值。与CT数据信息一样,能够将表层扫描仪迁移到FE实体模型中,并依据容许的地应力对其开展评定。假如表层不足光洁或标准公差十分严苛,则没法防止生产加工。因此,能够应用五轴全自动数控加工中心,他们能够调节随意斜面的样子。

l 成本费与高效率要素

除产品品质外,成本费是在陶瓷生产中应用增材制造的重要性能参数,成本费遭受增材制造扩散系数和生产制造時间的危害。牵制生产制造扩散系数的要素包含3D打印全过程自身和接着的调质处理全过程,因为大中型火炉能够并行计算数次复印的零件,因而不容易危害生产量。但调质处理会危害生产制造時间,尤其是在必须较长的脱油流程时,時间耗费升高。

另一个危害瓷器增材制造的成本费要素是原料。现阶段,用以3D打印的原材料比规范的原料要价格昂贵得多。此外,工业生产级3D打印机器设备的价钱一般上100万,但伴随着更低市场价的实用化机器设备推向市场,瓷器增材制造的项目投资门坎进一步减少。除此之外,根据步骤自动化技术和各阶段机器设备的集成化,3D打印成本费也会进一步减少。

每个不一样的瓷器3D打印加工工艺都拥有本身的优点。在现阶段全部瓷器增材制造技术性中,光聚合物3D打印是与生产制造最有关的技术性,该技术性应用的瓷器料浆是小颗粒或颗粒物化合物,可以做成相对性较密度高的的面坯。层次料浆堆积(Layerwise Slurry Deposition,LSD)和随意流动性构造(Free Flow Structuring,FFS)也是根据料浆原材料的复印加工工艺,可用以很大的构件。LSD和FFS可根据提升打印机喷头,完成多种多样原材料的复印。多原材料复印也是喷墨打印机复印加工工艺的一个优点,该技术性的打印分辨率获得迅速提高,但事后的煅烧限定了多原材料增材制造的运用,在这类状况下必须融入收拢特性。

依据现阶段瓷器3D打印技术性的发展趋势状况看来, 3D打印将被可选择性的用以批量生产、高效益瓷器零部件生产制造,生产商能够依据特殊生产制造每日任务挑选瓷器3D打印技术性。

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