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挺立潮头之上,引领碳化硅陶瓷3D打印智造
时间: 2022-08-25

在现有的特种陶瓷材料体系中,碳化硅陶瓷具有强度高、硬度高、化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优异性能,性价比优势明显,已成为航空航天、汽车、新能源、电子信息等领域中不可替代的关键材料。

特别是大型复杂碳化硅陶瓷构件的产业化整体制造技术,对航空航天、军工、新能源和半导体等国家安全和前沿技术发展有着重要的战略意义。然而由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性强、高温烧结变形大、烧结后难以加工等特点,因而大型复杂碳化硅陶瓷构件的整体制备及产业化成为世界性难题。


3D打印碳化硅


尽管热等静压、挤压和注射成型已广泛用于碳化硅陶瓷产品的制备,但其昂贵的成本和较长的交货时间使得这些技术难以用于原型制作和中小批量零件的生产。而3D打印技术作为高端设备制造及修复领域的重要技术手段,始终致力于解决传统制造工艺提出的挑战,在实现特种陶瓷无模成形、缩减产品设计周期、精细陶瓷微结构等方面发挥着极其重要的作用,并有望推动陶瓷3D打印成为极具吸引力的增长极。

 

△碳化硅陶瓷在飞机发动机上的应用(图片来源:网络)


目前关于碳化硅陶瓷制备的3D打印方法广受关注与研究。其相关的技术主要有SLS(选区激光烧结)、SLA(立体光刻)、DIW(直接墨水书写)和BJP(粘结剂喷射)。经过测试与认证,陶瓷材料不能通过激光加热陶瓷粉末直接打印。直接SLS制件在烧结过程中产生的热应力难以避免产生裂纹,导致最终产品力学性能较差。而SLA是一种基于光敏陶瓷浆料光聚合的有效紫外光固化技术。对于碳化硅粉末,其颜色通常为灰色或深色,碳化硅颗粒的颜色明显影响其透光性能和固化能力。而DIW通过喷嘴以特定图案逐层挤出高陶瓷含量的浆料,以生产三维零件,要求浆料均匀、稳定、剪切稀化、不结块。同时,还需要具有快速固化能力,特别是对于无支撑的斜面印刷,与上述SLA和SLS相比,分辨率一直是一个问题。BJP可以快速打印复杂形状,同时保持打印精度。然而,BJP限制了粉末填充密度,导致SiC体积分数受限。采用SLS或BJP方法制备高密度SiC陶瓷时,会加入PIP、CVI和CIP等后处理工艺步骤,提高固含量和碳密度,这势必会降低3D打印的优势。


国内最早从事粉末挤出3D打印技术研发的升华三维表示:“碳化硅陶瓷的制备一直是特种陶瓷3D打印技术进一步拓展的挑战之一,因为碳化硅陶瓷材料在成型过程中会出现缺陷,比如气孔、裂纹、不均一性等,成型陶瓷器件难以抵抗脆性断裂,极大地限制了其机械性能。我们很高兴能够成为通过粉末挤出3D打印技术将碳化硅陶瓷制备成功商业化的3D打印公司,这为生产高性能碳化硅陶瓷零件打开了大门。”


航空航天等领域的应用


在高端装备制造领域,3D打印设备正在成为重要的生产工具。由升华三维自主研发的工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250及大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556通过搭载双喷嘴设计,已实现碳化硅陶瓷基复合材料的开发和复杂结构的成形,成功进入到我国航天航空、核工业、汽车等高端制造领域,成为促进中国制造创新、转型升级的新工具,具有很高的应用价值。以下列举相关系列应用:

 

挺立潮头之上,引领碳化硅陶瓷3D打印智造

△3D打印碳化硅陶瓷样品(样品来源:升华三维)


卫星反射镜:将热加工过程转移到烧结步骤以更好地进行热应力管理,在实现同样的光学口径和精度要求时,3D打印的碳化硅轻质反射镜可实现大尺寸一体成型,同时具有更优的热稳定性、产品性能一致性强。

火箭喷嘴:碳化硅陶瓷是此项目的重要材料,能够承受极端温度和压力,同时保持轻巧。

发动机涡轮:3D打印碳化硅陶瓷涡轮可满足高推重比航空发动机对高温部件的性能要求,可使发动机工作温度提高300~500℃,结构减重50%~70%,推力提高30%~100%。

刹车盘:碳化硅陶瓷刹车盘能有效而稳定地抵抗热衰退,其耐热效果比普通刹车盘高出许多倍;同时更轻的刹车盘也令悬挂系统的反应更快,因而能够提升车辆整体的操控水平。

吸盘/托盘:3D打印碳化硅吸盘/托盘,可实现大尺寸、高精度、中空、闭孔等结构陶瓷零部件的制备,达到高度轻量化的同时保持强度和刚度。


傲立潮头的粉末挤出3D打印技术


粉末挤出3D打印技术是一种专为陶瓷/金属材料使用的增材制造系统,发布于2016年,由3D打印机、脱脂炉和烧结炉组成,提供一整套陶瓷·金属间接3D打印解决方案,让客户制造出具有出色表面光洁度和高机械性能的高性能产品。基于此技术优势,升华三维已实现碳化硅陶瓷复杂结构部件的大尺寸、轻量化、一体化制备。


Uprise 3D打印机通过挤出粘合的碳化硅陶瓷粉末(聚合物粘合剂与碳化硅陶瓷粉末材料进行配比),逐层成型生坯。由于挤压喷头系统构造原理和操作简单,缩减了对激光器件的投入和维护成本,同时启用了新功能,例如使用晶格填充设置来实现轻质强度。


生坯打印完成后,将碳化硅陶瓷零部件浸泡于恒温水中进行脱脂,粘合剂被去除,然后采用烧结炉保持空气氛围,确保均匀加热和冷却,而不会有残余应力。最后碳化硅陶瓷颗粒融合在一起,使零件致密化高达99%。

 

挺立潮头之上,引领碳化硅陶瓷3D打印智造

△升华三维碳化硅陶瓷烧结件力学性能


经测试,3D打印碳化硅陶瓷组件的表现优于行业标准。同时,在汽车和航空航天等行业先进陶瓷基复合材料的开发过程中,这一工艺也在不断巩固增材制造的前沿地位。


一年前,上海硅酸盐研究所在升华三维订购了一套大尺寸独立双喷嘴打印机UPS-556系统,藉由展开的高性能结构陶瓷和陶瓷基复合材料等应用的研究近期取得进展,并成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件,获得广泛关注。


   挺立潮头之上,引领碳化硅陶瓷3D打印智造

挺立潮头之上,引领碳化硅陶瓷3D打印智造

△上海硅酸盐研究所利用UPS-556成功制备的碳化硅陶瓷光学元件及其性能(相关资料及数据来自研究团队已公开专利)


作为陶瓷·金属间接3D打印的开拓者和引领者,升华三维一路奔跑前行,目前正在借助粉末挤出3D打印技术,不断实现碳化硅陶瓷复合材料等更多先进陶瓷材料的开发和成型,加速公司在高端领域的应用创新。升华三维研究团队表示,升华三维的技术能够实现航空航天、军工和卫星设计所需的高性能、轻量化、精细微结构的要求,而在未来更多的合作机会中,公司将为造福社会和人类做出更多贡献。

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