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3d打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给陶瓷注入了新的活力。国外已有很多研究,其中包括硬件和工艺开发、材料开发、应用开发,以及提供商业可用和专有陶瓷3d打印服务的专业化服务。出现了3dceram、lithoz等专注陶瓷3d打印的公司。而国内的陶瓷3d打印技术也发展迅速,形成以高校为中心,科技探索型公司涌现的良好格局(如十维科技、迅实科技、长朗三维科技、博力迈等)。

陶瓷与3d打印工艺

用于3d打印的陶瓷材料形态包括:

①浆料,陶瓷成分与其他溶剂及的混合物,通过物理、化学的方式成形;

②陶瓷丝材,用于熔融堆积工艺;

③陶瓷粉末,陶瓷粉末、矿化物、粘结剂等的混合物,用于激光烧结、粘接等;

④陶瓷薄片,片压成形、粘接。

目前陶瓷3d打印成形技术主要可以分为:

①立体光固化技术、

②粘合剂喷射技术、

③悬浮液热熔沉积技术、

④纳米陶瓷射流技术……

值得一提的是,近日,哈工大团队在陶瓷涂层方面首创一种全新陶瓷3d印技术及材料(纳米结构和纳米改性球形粉体材料,该研发填补了3d打印陶瓷材料的国际空白),据悉,这项技术可使3d打印出任何一种陶瓷产品,甚至已经消失毁损的珍贵陶瓷艺术品。

粘合剂喷射技术

使用这些技术打印得到的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷零件。根据成形方法和使用原料的不同,每种打印技术都有自己的优缺点,发展程度也有差距。

陶瓷3d打印的热门应用

陶瓷3d打印技术及材料适用于航空航天、军舰船舶、汽车火车、冶金、电力、石油、等领域,对提升国家高端装备水平意义重大。

陶瓷3d打印渐成医疗应用“宠儿”,在医疗中应用陶瓷根据材料属性的不同可以分为两类:

一类是高性能陶瓷,如氧化锆、氧化铝、氮化硅,这类陶瓷材料不会降解,由于其出色的机械性能,耐磨性,低导热性和导电性以及优良的生物相容性等优点,被广泛用于生产永久性植入物及义齿等。

另一类是可降解的陶瓷材料,如:羟基磷灰石、碳酸三钙等,由于这类陶瓷材料与骨骼的无机成分相似,而被于制造可降解的植入物,典型的应用是制造骨修复支架。通过在愈合过程中材料的降解,可以向细胞提供必要的离子,并为细胞向内生长创造空间。

心脏起搏器泵(维也纳科技大学和维也纳医科大学的研究人员使用lithoz基于光固化工艺的lcm3d打印技术作为心脏起搏器泵的制造方法。装置与主动脉内气囊泵结合,可为冠状动脉血管优化供血,在关键的愈合阶段缓解心脏压力。)

由高纯度氧化铝制成的心脏起搏器泵的部件

图片来源:lithoz(注:图中部件比实际放大了10倍以上)个性化骨修复器械(林茨开普勒大学医院采用lithoz的陶瓷3d打印技术开发了个性化的骨修复器械。能够根据患者医学影像出所需的修复器械,减少在手术现场进行手工弯曲调整的需要。)

氧化锆义齿(博力迈科技porimy研发了陶瓷3d打印机,并推出3d打印氧化锆陶瓷义齿生产线,由患者牙模数字化扫描与建模、义齿三维设计、3d打印义齿生坯、脱脂与高温烧结、上釉等工序组成。porimy的3d打印氧化锆陶瓷义齿生产线已通过广泛的机械、属性和生物检查。2017年10月,公司取得了医疗器械注册证书,正式向国内市场推出第一款3d打印陶瓷义齿。)

可降解的骨修复植入物/支架(①中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队在3d打印生物陶瓷支架用于骨-软骨再生及骨肿瘤治疗方面取得了系列研究进展;②2018年2月,西京医院骨科开展了3d打印支架长段骨缺损修复的临床试验。3d打印支架由西安点云生物科技有限公司采用无丝3d打印技术为患者量身定制,材料为生物相容性的陶瓷复合材料,能够在诱导患者自身新骨生成的同时逐渐降解,最终被患者的新生骨组织完全替代,无需二次手术取出,降低植入物在体内长期存在的潜在风险;③美西北大学3d打印可降解陶瓷植入物植入人体)

中国陶瓷3d打印在航空领用优势突显

陶瓷零件因强度高、密度低,耐高温,耐腐蚀等优点在航空航天制造领域具有广阔的应用前景。世界某发动机公司曾对航空发动机材料的发展做出评估:发动机中金属材料,如铝合金、镍合金及钛合金等材料的用量将逐渐减少,取而代之的是新型高性能陶瓷材料及其他复合材料。

目前,在航空航天领域应用的陶瓷零件可分为结构零件(如涡轮整体叶盘、机头罩、机翼前缘和襟翼、导弹的喷管和鼻锥等)和功能零件(如导弹、卫星的天线罩和天线窗等)。

世界首次微重力陶瓷3d打印(6月,中国科学院空间应用工程与技术中心科研人员在瑞士杜本多夫利用欧洲失重飞机成功完成了国际首次微重力环境下陶瓷材料立体光刻成形技术试验。同时还利用3d打印的陶瓷模具完成了首次微重力环境下金属材料铸造技术试验。)

微重力环境下立体光刻制造技术打印的陶瓷样品。

(中科院空间应用工程与技术中心供图)

陶瓷4d打印系统出炉(8月,港城市大学的研究团队成功开发出全球首个陶瓷4d打印系统。4d打印是传统3d打印加上第四维度——时间,在第四维度中,打印物体可在外部环境,如机械力、温度的刺激下,随着时间的推移重新成形或自我组装。打印出来的陶瓷坚固且拥有复杂的形状,有望在和航空航天领域大展拳脚。)

陶瓷基铝合金材料受关注(中国商飞公司与上海交通大学曾研制出陶瓷基铝合金材料。在提高材料综合性能的同时,既保持了铝合金易成形、易加工的特性,又具备了复合材料高刚度、高强度、高抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特性。但该材料要真正实现在民机产品上的应用,还要经过大量的试验验证并完成相应的适航审定程序。)

结束语

未来,3d打印技术的发展将体现出更为精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势,更多可开发的多样性材料将为跨行业应用带来更为光明的前景。

从据知名市场研究公司m&m发布的一份调查报告也印证了陶瓷3d打印技术的未来,截至目前,3d打印陶瓷市场份额最大的地区仍是北美,并有望继续领跑;欧洲其次,而亚太地区则有望后来居上,在未来5年里坐拥全球最高的增长率。主要包含3d打印陶瓷粉末材料市场、3d打印陶瓷产品市场和相关设备、技术市场等的陶瓷3d打印市场,发展潜力巨大。

来源:瓷博士

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