快速成形技术在陶瓷领域中应用

HEATS

　　快速成形(Rapid Prototyping and Manufacturing，简称RP或RP&M)或自由实体造型(Solid Freeform Fabrication，简称SFF)是80年代中期发展起来的一种造形新技术，它将传统的“去除”加工法改变为“增加”加工法。RP技术综合了计算机辅助设计、激光、光化学和高分子聚合物等多种技术，并且随着RP技术与其它材料加工技术的结合，其应用领域不断扩大。RP技术的基本原理是，首先根据产品设计图纸或“反求法”得到一系列横截面，数控激光束按每一层的轮廓线或内部网格线对材料逐层加工并叠加，直至完成整个制件。RP技术无需机械加工或任何模具，直接从CAD模型生成复杂形状的制件，因而产品研制周期缩短，生产率提高，生产成本降低。

　　1987年，美国3D Systems公司展出第一代商用RP系统SLA-1，之后RP技术迅速发展，在许多部门都得到应用。其用途主要包括，快速成形技术制作模型对产品进行设计验证、评价、性能测试等，制作注塑模、功能材料制件，与传统制造工艺相结合制造模具和金属零件等。

( Z, Q2 Z; a3 F( v

　　1RP技术种类［1～4］

7 u& j7 D N; i. a; t

　　目前比较成熟的快速成形方法有SLA，LOM，SLS，FDM，3DP等。

- P' X6 ~( @% U- I$ } # y) C9 H" p' p! }

　　立体光刻装置(Stereo-Lithography Apparatus,简称SLA)是最早的RP技术实用化产品，SLA工艺如图1所示。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，将模型转换为标准格式的STL文件，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制扫描器和升降台的运动；激光器产生的激光束经聚焦照射到容器的液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，升降台下降一定距离，这样SLA装置逐层地生产出制件。

/ G9 w4 T( J0 t1 ^6 p8 L

　　图1SLA工艺示意图

　　Fig.1Schematic representation of SLA process

0 e& w* G! Q8 r0 J3 Z$ N

　　SLA技术的常用原料是热固性光敏树脂，主要用于制造多种模具、模型等，还可以通过加入其它成分用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

- T' U4 G& r1 h* h0 q% S F% R 2 \% }8 T2 K1 h& D

　　分层实体造型(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状，然后叠加在一起的造形方法。LOM工艺与SLA工艺的区别在于将SLA中的光致固化的扫描运动变为LOM中的激光切割运动。

* r& l5 _ t6 x$ X

　　LOM技术常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。LOM技术成形速度快，制造成本低，但由于材料薄膜厚度有限制，未经处理的表面不光洁，需要进行再处理。

7 @0 I/ G+ K, {; \ 6 U/ G0 k- _4 c1 C: _* R0 \

　　选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是将粉末材料用辊轮铺开成一定厚度薄层，激光扫描使一定区域的粉体烧结，再铺粉于烧结层上，如此逐层烧结得到实体零件。其技术关键是调整激光束进行粉末烧结。

4 V9 U9 W% V6 `6 f! \0 E

　　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。

: B0 y) j6 v9 a' S8 F7 d+ ~ , X7 f. [, S' F: a2 E P ?8 z

　　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。

) T) r! u6 A4 u" S % ?7 u8 J4 S) z$ T0 v/ i% h t+ Y

　　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。

! N! }: k7 O) Y6 a

　　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。

& I9 E( y& \7 P- I ! r, X- J4 P% l, h1 X# ?

　　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。

4 z9 d7 m3 G8 r- e$ b7 |6 t$ T

　　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。

$ h0 _& P( c9 B