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陶瓷3D打印后處理市場現(xiàn)狀及對策分析 

2023-02-16 15:06
隨著“中國制造2025”的快速進(jìn)展,陶瓷制造產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了深刻的變革,正在向著“智能化,數(shù)字化”的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變。經(jīng)過多年的發(fā)展,3D打印技術(shù)在陶瓷的生產(chǎn)工藝中扮演了越來越重要的角色,基于各種方案的陶瓷打印技術(shù)取行了長足的進(jìn)步。但是由于陶瓷材料的特殊性,在3D打印的過程中不能像金屬一樣直接進(jìn)行燒結(jié),一般的制造過程都是3D打印成型,后處理脫脂、燒結(jié)等形式完成。本文針對陶瓷3D打印的后處理市場現(xiàn)狀進(jìn)行了羅列及簡單的分析。

陶瓷后處理現(xiàn)狀

      隨著材料技術(shù),計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD),計算機(jī)輔助制造(CAM)等應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展,陶瓷的3D打印技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。但基于陶瓷材料的特殊性,以當(dāng)前的科技手段,無論是以DLP,SLA或其它各種方式制造的陶瓷件應(yīng)定義為“陶瓷坯體”,陶瓷3D打印技術(shù)在陶瓷工藝流程中事實(shí)上取代了傳統(tǒng)的“成型工藝”,在“成型工藝”之后,仍然需要“脫脂”,“燒結(jié)”等工藝流程。只有在“燒結(jié)工藝”完成之后,陶瓷粉末顆粒才能致密化,達(dá)到設(shè)計需求。
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      在目前陶瓷3D打印工藝中,光敏樹脂作為固化媒介添加到陶瓷漿料中,經(jīng)過特定波長及功率的激光照射而固化,從而實(shí)現(xiàn)陶瓷的3D打印(成型)工藝。以目前典型氧化鋁打印材料為例,其參數(shù)表如下:
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由此可見,作為添加劑的光敏樹脂在整個打印材料中質(zhì)量占比達(dá)到了25%以上,體積占比達(dá)到了約45~50%。經(jīng)過測試,3D打印的陶瓷件其收縮率一般約為20%或更高。而以傳統(tǒng)成型工藝如注射成型、壓制等成型后質(zhì)量比一般約為3%,其收縮率一般約為10%(以氧化鋁為例)。過高的收縮率使得對于陶瓷成本的尺寸控制、表征等提出了更高的要求。因此,在3D打印的陶瓷制品后處理工藝上,也需要做出相應(yīng)的改變。

      目前,由于陶瓷3D打印技術(shù)仍處于研發(fā)、小規(guī)模試產(chǎn)以及特殊行業(yè)應(yīng)用等方面,并沒有大規(guī)模的生產(chǎn)情況。因此,陶瓷3D打印機(jī)的終端用戶一般都會配套實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的小型電加熱爐作下陶瓷后處理熱工設(shè)備。這些設(shè)備大多以傳統(tǒng)陶瓷制備工藝而設(shè)計制造,結(jié)構(gòu)簡單,并不具備數(shù)據(jù)的收集分析參力;且大多數(shù)后工序的實(shí)施人員其專業(yè)主要集中于材料研發(fā)等方面,對于陶瓷3D打印技術(shù),陶瓷燒結(jié)技術(shù)等并不精通。以目前市場反饋的情況來看,陶瓷3D的打印的“木桶效應(yīng)”卡在了后處理工藝上,伴隨著高添加劑的使用,超大的收縮率直接導(dǎo)致了如開裂,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不均,變色等等后處理問題上,這導(dǎo)致了陶瓷3D打印技術(shù)遲遲不能進(jìn)入大批量產(chǎn)環(huán)節(jié)。

      由此可見,氣氛保護(hù)燒結(jié)在陶瓷3D打印后處理工藝中的重要性。經(jīng)過測試,可以發(fā)現(xiàn)如果使用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝對陶瓷3D打印件進(jìn)行燒結(jié)里,無論升溫速度多慢,制品均會產(chǎn)生或多或少的龜裂紋,電鏡下可觀察到貫穿全體的裂紋。

      在使用惰性氣體保護(hù)后,目前可控的升溫速度在約0.8~1度每分鐘,并且需要使用空氣/惰性氣氛。在后期,將會逐步提高整體燒結(jié)速度,并使用一體化的脫脂、燒結(jié)氣氛爐做為陶瓷3D打印件的專用生產(chǎn)設(shè)備,以最大限度縮短工藝時間,降低操作復(fù)雜度。
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針對市現(xiàn)狀的計劃

      針對目前陶瓷3D打印后處理市場的情況,建立一個集專用于高脂含量陶瓷生坯的脫脂、燒結(jié)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析、檢測為一體的實(shí)驗(yàn)室,為陶瓷3D打印的終端客戶及材料開發(fā)人員提供打印后處理服務(wù),推進(jìn)陶瓷3D打印的量產(chǎn)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)。

      在后處理工序中,有機(jī)脂的袪除顯得尤為的重要,脫脂不全將直接導(dǎo)致產(chǎn)品開裂,染色、強(qiáng)度受損等問題,對此將使用具備真空能力的脫脂設(shè)備將傳統(tǒng)脫脂工藝中有機(jī)物的氧化反應(yīng)更改為熱裂解反應(yīng),使用惰性氣體在脫脂過程中在腔室形成保護(hù)氣氛。并且,采用檢測設(shè)備對溫度、壓力、氧含量等實(shí)時監(jiān)測,最終形成分析報告,以固定同類型產(chǎn)品的脫脂工藝。

      一體化脫脂、燒結(jié)工藝,表面研磨,工藝驗(yàn)證等服務(wù)將同步展開。

來源:四川省增材制造技術(shù)協(xié)會
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