3D打印氧化铝陶瓷,浆料可不能拖后腿-金属3D打印工厂

3D打印氧化铝陶瓷,浆料可不能拖后腿-金属3D打印工厂插图

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中国粉体网讯  氧化铝陶瓷凭借着自身力学性能好,耐磨性高,高温稳定性和抗腐蚀能等优异的性能在工业上得到广泛的应用。随着各种高性能陶瓷的不断发展,工程机械领域对各种陶瓷材料零件的整体结构和零件尺寸的高精度控制提出了越来越高的技术要求。

3D打印氧化铝陶瓷,浆料可不能拖后腿

3D打印陶瓷零件,图来源:因泰莱激光

复杂结构的陶瓷零件采用传统的模具成型制造,会出现成形难和精度低的问题,其制作成本较高,已然不能满足生产需求。增材制造技术(3D打印)的出现可解决上述难题,3D打印无需模具可直接制备陶瓷零件,大大节约时间和成本。因此,采用陶瓷3D打印技术生产陶瓷零件成为陶瓷材料成型的重要方向。

目前用于陶瓷成型的3D打印技术,包括光固化、立体光刻、双光子、选择性激光烧结、熔融沉积成型等,可应用于陶瓷材料的 3 种状态,分别为浆料、粉末和固体。采用陶瓷粉末和固体为原料的三维成型工艺一般精度低且打印速度较慢。采用陶瓷浆料为原料的三维成型工艺制备获得的陶瓷样品精度高、表面光洁度好且成型尺寸范围较大。采用陶瓷浆料为原料的三维成型工艺主要为基于光固化技术的成型工艺,其包括立体光固化(SL)、数字光处理(DLP)、双光子聚合(TPP)3种成型技术,既可以打印低黏度的陶瓷浆料,也可以打印高黏度的陶瓷浆料或者陶瓷膏体。

光固化陶瓷浆料的研究及要求

SL是一种最早的增材制造技术,它是使用紫外光或电子束,在指定区域使光敏树脂或其他单体在光作用下发生聚合反应,光聚合过程通常由点到线,由线到面,然后逐层扫描,每完成 1层,打印平台上升或下降一定厚度,刮刀进行 1 次液面的刮平,进行下一层的打印,重复此过程,最终形成样件。

近年来,国内外不少研究人员针对陶瓷增材制造技术做了广泛且深入的研究,比如:Zhou等通过添加不同粒度分布的陶瓷粉末制备了低粘度、高固相含量的水性氧化硅陶瓷浆料。研究表明,氧化硅陶瓷的性能与其浆料的固相含量、浆料的均一程度有密切联系,影响陶瓷浆料固相含量以及均一程度的因素是陶瓷浆料的粘度、流动性。

Li等通过对比分散剂油酸(OA),硬脂酸(SA)和聚丙烯酸铵(PAA-NH₄)对陶瓷浆料的分散效果,发现脂肪酸对疏水介质亲和力更强。添加OA浆料的稳定性优于SA,烧结密度也高于SA。使用脂肪酸OA及SA作为分散剂制备了适用于3D打印的固相含量为40vol%的氧化铝陶瓷浆料,其烧结密度达95%。

立体光固化技术可以达到微米级的打印分辨率,样件表面质量高,可以打印复杂结构零件。经过大量研究认为,适用于 SL技术的陶瓷浆料应满足以下条件:

(1)有良好的流变性能;

(2)可以长期稳定存放,不会发生陶瓷粉体的沉降;

(3)有适当的黏度;

(4)陶瓷粉体均匀稳定分散在光敏树脂中,不发生团聚。

不稳定的陶瓷浆料对于最终打印成品的影响很大,很容易在脱脂及烧结过程中发生层间开裂或收缩差距大的现象。

氧化铝陶瓷浆料粘度的影响因素

选择合适的分散剂和对粉体进行级配制备陶瓷浆料,是获得高固相含量、低粘度的光敏陶瓷浆料的有效途径。

1、球磨时间

氧化铝粉体粒径越小,其粉体表面的性能越高颗粒间越容易发生粉体团聚现象。采用球磨粉碎能达到均匀混合的目的,但是球磨时间不能过长,过度处理剧会容易团聚,生成二次研磨颗粒、因此选取适宜的球磨时间,根据查阅,采用行星式球磨机球磨4小时为准。

3D打印氧化铝陶瓷,浆料可不能拖后腿

行星球磨机,图来源:长沙米淇仪器设备有限公司

2、固相含量

随着固相含量增大,浆料粘度也会增大,粘度过大会造成成型后得到的坯体密度低,烧结程度难以致密化,一般要求浆料固体含量至少为40%,固体含量越高,烧结后收缩率越小,力学强度越大,研发低黏度高固体含量的浆料是重要发展方向之一。在满足浆料流变学性能要求的前提下提升固含量,则有助于提高打印精度,并且有利于在后期脱脂烧结过程中降低有机物比例,避免因有机物热解挥发造成生坯开裂等缺陷,保证陶瓷体的致密度和性能。

3、分散剂

氧化铝陶瓷坯体成型需要一定时间,这就要求氧化铝浆料需要具备一定的稳定性。分散剂加入浆料体系中,通过搅拌有效降低浆料的粘度,提高其稳定性,大部分性能优良的分散剂早浆料制备中都具有润湿、助磨、稀释、稳定等功能,这使得浆料能够具有更好的稳定性与流变性,以及更适合的粘度。

4、粉体粒径

加入大颗粒的粉体能够有效降低单位容积内的粉体颗粒数,减小粒子间的相互作用,从而降低陶瓷浆料粘度的效果;但过量加入较粗颗粒的粉体则会增加浆料粘度,从而不利于氧化铝陶瓷3D打印。

小结

3D打印陶瓷部件的附加价值将推动用户对于陶瓷增材制造硬件和材料的需求。对于工程陶瓷、先进陶瓷材料的应用来说,这一趋势体现的更为明显。陶瓷光固化三维打印技术对陶瓷浆料状态有一定要求,制备符合打印需求的陶瓷浆料是目前需要解决的问题。

参考来源:

顾玥等:陶瓷光固化成型技术的应用与展望

陈龙等:氧化铝陶瓷光固化浆料的制备及脱脂工艺优化研究

焦守政:3D打印氧化铝陶瓷浆料的制备及性能研究

(中国粉体网编辑整理/空青)

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