供稿人:池金春，李滌塵 發(fā)布日期：2018-03-16
陶瓷材料在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，但是因?yàn)楦呷埸c(diǎn)，低熱導(dǎo)性的特點(diǎn)，成為三維打印技術(shù)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。目前在研究的陶瓷打印方法有光固化法，噴墨打印陶瓷墨水法以及粉末床激光燒結(jié)法。前兩種方法可成形高分辨率高密度的陶瓷，但是受到漿料中陶瓷固相含量少的限制，在脫碳燒結(jié)過(guò)程中容易開(kāi)裂，因而成形零件的尺寸受限制；激光燒結(jié)法受陶瓷材料特性的限制，導(dǎo)致陶瓷容易開(kāi)裂變形。德國(guó)聯(lián)邦材料研究所Andrea Zocca等人提出一種漿料鋪層噴墨打印工藝，該工藝基于粉末床噴墨打印的方法并改進(jìn)，用陶瓷漿料取代干燥粉末，大幅度降低了適用陶瓷粉末的顆粒度，并同時(shí)提高粉末床的堆積密度。與陶瓷漿料相配合的是，該課題組開(kāi)發(fā)特定的墨水粘接成形，使成形工藝不受材料熔點(diǎn)和高溫開(kāi)裂的限制，實(shí)現(xiàn)了高溫陶瓷的高密度高力學(xué)性能的三維打印。
下圖所示為用該漿料鋪層噴墨打印工藝快速成形的高致密度氧化鋁陶瓷（圖1）和硅酸鹽陶瓷（圖2），該方法使用海藻酸鈉作為打印墨水，打印過(guò)程中海藻酸鈉遇到粉末床中的金屬離子后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速粘接。打印綠件中有機(jī)相含量只有0.3wt.%, 堆積密度可達(dá)到65%，氧化鋁粉末顆粒為0.5微米，在常溫下打印完成后燒結(jié)到1600℃，燒結(jié)后零件的致密度可達(dá)到98.9%以上（圖3），其力學(xué)性能等同于標(biāo)準(zhǔn)的等靜壓陶瓷燒結(jié)工藝。
該方法具備打印大尺度高性能氧化鋁等陶瓷復(fù)雜零件的可行性，有望突破該領(lǐng)域技術(shù)開(kāi)發(fā)的瓶頸并臨近為產(chǎn)業(yè)需求提供定制化陶瓷零件。此外，該漿料鋪層三維打印工藝也適用于開(kāi)發(fā)其他超高溫的陶瓷材料或特種材料。
圖1 漿料鋪層噴墨打印的氧化鋁陶瓷零件（燒結(jié)后）
圖2 漿料鋪層噴墨打印的硅酸鹽陶瓷零件（燒結(jié)后）
圖3 燒結(jié)后氧化鋁陶瓷斷面（a）和微觀組織(b)：可見(jiàn)斷面致密均勻，微觀圖顯示沒(méi)有開(kāi)裂缺陷。