快速成形技术在陶瓷领域中应用（二）

HEATS · 发表于 2010-9-12 18:09:51

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　　SLS技术常用原料是塑料、蜡、陶瓷、金属，以及它们的复合物的粉体，用蜡可做精密铸造蜡模，用热塑性塑料可做消失模，用陶瓷可做铸造型壳、型芯和陶瓷件，用金属可做金属件。此技术成本较低，可制备复杂形状零件，但成形速度较慢，由于粉体铺层密度低导致精度较低和强度较低。

　　熔融沉积成形(Fused Deposition Modeling,简称FDM)是将线材液化后通过喷嘴逐层沉积成复杂形状制件。FDM工艺用液化器代替了激光器，其技术关键是得到低粘度、易沉积、具有可控制的稳定“路”宽的熔体。

　　FDM技术所用线材包括石蜡、塑料、低熔点金属和陶瓷等，可直接制备金属件和多种模型。FDM技术成本较低，同时成形速度较慢，精度较低。

　　三维打印(Three-Dimensional Printing，简称3DP)的工作原理类似于喷墨打印机，利用喷嘴将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层特定区域，再铺粉喷粘结剂，逐层处理后得到所需形状制件。也可以直接逐层喷陶瓷粉浆，得到所需形状，其技术关键是配制合乎要求的粘结剂。

　　3DP技术的材料包括陶瓷、金属、塑料的粉料。3DP技术成本较低，成形速度较快，但粉体铺层疏松影响强度和精度。

　　2RP技术生产陶瓷件

　　RP技术由于快速逐层成形，无机械加工，无模具，因而对于难制造、难加工的复杂形状的陶瓷结构件生产具有很大的吸引力，同时也可以制造功能梯度材料，功能材料，如电容器、电路基板、薄膜热电偶、应力传感器等。下面介绍已用于制备陶瓷件的RP技术。

　　2.1LOM

　　Dayton大学的Donald A. Klosterman等［5～7］应用LOM技术制备了陶瓷件、陶瓷基复合材料以及树脂基复合材料。他们的最终目标是生产高密度的、近无余量加工的陶瓷基复合材料。

　　第一步是生产单相陶瓷，已制备的有单相SiC和AlN陶瓷件。首先采用标准的流延工艺做出宽20cm，长1m，厚度分别为0.15mm和0.3mm的陶瓷膜，膜由60vol%陶瓷粉和粘结剂组成。研究了三种粉末体系：粗SiC(30μm)粉＋石墨粉；粗SiC(30μm)＋细SiC(2μm)粉＋石墨粉；可烧结AlN(2μm)粉。由于陶瓷膜短不能形成连续卷，并且强度低而不足以承受进给运动，因而膜的安放依赖于手工操作。LOM工艺生成的坯体软而易变形，因而采用部分脱脂工艺硬化坯体，使之易于搬运。部分脱脂工艺需要严格控制加热，以使增塑剂挥发，同时保持原有粘结力。烧结之前，根据热分析数据制定完全脱脂工艺。烧结工艺采用液态或气态渗Si反应烧结，游离Si与事先加入的C反应生成SiC，由于SiC含量增多而使制件无明显收缩。AlN陶瓷件的情况没有说明，其主要问题也是烧结收缩和形变。SiC件的室温四点抗弯强度值为160MPa，随着叠层技术的改善，这个数值得到提高。

　　LOM系统的改进包括在切割区上方供给惰性气体以避免C或N的氧化，重新设计进给机构以减少造价较高的陶瓷膜的浪费且实现自动化。

　　因为层厚的限制，坯体表面是不光滑的，因而需要进行边界磨光。边界处理可以采用交叉网格线切割和表面抛光两种方法，表面抛光法的切屑少，表面更光滑。两种方法都需要对软件进行调整。

　　研究开始阶段采用热辊提供压力和热源来增加层间结合，热辊温度高达120～180℃使粘结剂熔化实现粘结。由于存在温度梯度，层间存在不连续粘结而导致裂纹。由于层间裂纹和气孔，导致强度较低。通过喷胶可以提高层间结合力，降低热辊温度，其缺点是增加了边界磨光的难度，需要更严格的脱脂工艺。另外，成形后加压处理也可改善层间结合。通过工艺改进，SiC件的四点抗弯强度达200～275MPa。

　　为达到制备陶瓷基复合材料的最终目标，采用Al2O3/SiCw，Al2O3/SiCf，SiC/SiCf作为研究体系。遇到的问题首先是晶须或纤维的均匀分布问题。解决方法是采用分层方法，即单相SiC膜与SiCf/树脂预制膜交替叠加，树脂起到提供强度和碳源的双重作用。这种方法避免了纤维与粉粒磨擦造成的损伤，同时可提高纤维在产品中的体积含量。预制膜厚为0.25mm，体积含量50%。

　　Lone Peak工程公司的E.Alair Griffin等［8］采用LOM技术制备了ZrO2和Al2O3陶瓷件，选择原则是ZrO2马氏体相变对产品有增强作用。膜厚为116μm和58μm，陶瓷膜材料体系为12mol%CeO2-ZrO2和Ce-ZrO2/Al2O3。多层复合体包括单相Ce-ZrO2件，Ce-ZrO2和Al2O3/Ce-ZrO2交错叠层件。烧结后产品中存在＜1%气孔，坯体和烧结体内无粗大裂纹缺陷，烧结层厚由原来的116μm和58μm变为85μm和44μmm。在Al2O3/Ce-ZrO2层内，Al2O3以约5μm的粒度均匀分布；由于制备Ce-ZrO2粉浆时使用Al2O3磨球，因而Ce-ZrO2层内也存在少量Al2O3。层间结合也很好，各相分布均匀，界面无裂纹。单相陶瓷件强度为400MPa，复合陶瓷件为500MPa。Ce-ZrO2层硬度为9GPa，Al2O3/Ce-ZrO2层硬度为15GPa，界面附近硬度为11.5GPa。

　　该公司的Curtis Griffin［9］等采用LOM技术制备了Al2O3试样和零件，Al2O3膜尺寸为10cm×15cm×0.015mm。同时，使用相同的材料采取干压成形法制成试样以便进行对比。通过比较表明，两种烧结法制成的零件的烧结密度相当，微观组织类似，但坯体密度、脱脂失重量及收缩量不同，这与两种方法粘结剂含量不同有关，这也导致LOM成形件开放气孔率较高。测试表明，机械性能与成形方法和测试方向无关，微观组织也很难鉴别层间界线。强度与商用产品相当，硬度则高于商用产品，断裂韧性为商用产品的下限，但这种不同可能是由于测试手段不同造成的，例如硬度采用维氏硬度，而商用产品采用努普硬度。结果表明，LOM成形件性能与干压法相当，优点是效率高和可制作复杂件。

　　Case Western Reserve大学的James D.Cawley等［10］采用CAM-LEM(Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials)技术制作陶瓷件，其成形原理与LOM技术相同，适用材料包括工程陶瓷、复合材料、金属及合金材料、塑料材料等。采用Al2O3制作了三种零件：法兰盘、制作三层结构的陶瓷片和液流增幅器，并得到实用。结果表明，CAM-LEM适用于能够用于进给机构搬运的工程材料薄片。CAM-LEM系统包括50W CO2激光器，尺寸为100mm×100mm的x-y平移系统，四节点机器人，IPC工作站，实时控制系统，气动固定平台，夹具。对于复杂结构的零件，可以采用加暂时有机膜的方法。

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