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3D打印技术在传统陶瓷领域的应用进展

2017-09-11 09:31:30
作者:本网整理
来源:南极熊3D打印

近几年,“3D打印”概念不断被人们熟悉,并成为科技界最火热的技术名词。理论上,只需要一台3D打印机和一些材料,就可以把你的一切想法转化成现实产品。车、房子、骨骼、甚至食品都可以通过3D打印完成。2013年初,美国总统奥巴马在国情咨文中指出“3D打印有可能革命化我们制造几乎所有产品的方式。这在其他地方也可实现。”英国《经济学人》杂志则认为3D打印将与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命。

     近几年,“3D打印”概念不断被人们熟悉,并成为科技界最火热的技术名词。理论上,只需要一台3D打印机和一些材料,就可以把你的一切想法转化成现实产品。车、房子、骨骼、甚至食品都可以通过3D打印完成。2013年初,美国总统奥巴马在国情咨文中指出“3D打印有可能革命化我们制造几乎所有产品的方式。这在其他地方也可实现。”英国《经济学人》杂志则认为3D打印将与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命。


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    1 3D打印概述

    1.1 3D打印的概念

    3D打印(Three Dimensional Printing,3DP)实质为一种快速成型技术,是由成型设备以粉末材料累加的方式制成实物模型。与传统制造业的去除材料加工方式不同,3D打印遵循的是加法原则,即实物为层层粉末叠加而成,所以也称“增材”技术。试想如果把任何一件3D物品看成是二维平面的叠加,理论上所有物体就都能被打印出来。

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    1.2 3D打印的历史

    3D打印最早由Charles Hull于1984年开始研究。1986年3月11日,第一篇与3D打印相关的专利“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography”正式发布,其原理为立体光刻造型技术(stereolithography)。随后出现了熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)与选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)另两种3D成型技术。可以认为,立体光刻造型、熔融沉积成型、选择性激光烧结是实现3D快速成型的最主要实现方式,为3D打印技术的发展奠定了非常坚实的基础,以致很多现在的3D打印技术都还保留了其技术特点。

    1993,美国麻省理工学院(MIT)申请的专利“Three Dimensional Printing techniques”(3D打印技术)正式发布。这是一种依赖已有喷墨技术的3D成型技术。此后,3D打印设备不断更新和发展,成为很多科研院所的研究方向。 3D打印技术随后不断发展,很多难以想象的产品被不断打印完成。2005年,市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由Z corpration公司研制成功。2010年11月,世界上第一辆由3D打印而成的汽车Urbee问世。2011年7月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。2011年8月,南安普顿大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机。2013年11月,美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司利用“Solid Concepts”(固体概念)设计制造出 3D 打印金属gun。

    1.3 3D打印工作原理

    3D打印主要依靠喷墨打印头存取的液态粘合剂,不断将金属或陶瓷粉末材料粘结固化。整个过程开始于粉末供应床的最上层,喷墨打印头根据选定的目标区域来释放粘合剂,这些区域的粉末粘合在一起形成很薄的层面。等3D打印机构建一层后,可以通过活塞的作用将构建平台降低,然后通过辊道将新的一层粉末补充为“平面”,印刷重复。打印完成后,可将被打印 物体周围松散的支持粉体刷掉或清除。 但是随着科技的不断发展,有些3D打印设备已不在粉体供应床中进行打印,而是直接把粉体、粘合剂、其它添加剂混合形成“陶瓷墨水”,然后通过打印机原理将这种陶瓷墨水直接打印到载体上成型,成型体的形状及几何尺寸由计算机控制。

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    2 传统陶瓷3D打印研究进展

    起初,3D打印技术在陶瓷领域的应用主要是模型的制作,利用3D打印的精致模具再翻模成型,制成精美的陶瓷产品。但随后,3D打印逐渐能够完成真实陶瓷产品的制作。2009年,位于土耳其伊斯坦布尔的Unfold设计室发起了一个名为“Stratigraphic Manufactury”(地层学制造)的项目,该项目旨在实现陶瓷的3D打印。 近两年,国外很多公司或科研团体在从事传统陶瓷的3D打印技术研究,取得了众多突破性进展。2012年10月,Unfold设计室在“deseen”杂志公布了他们的最新研究成果。利用自行研发的3D打印设备成功打印了造型各异的日用陶瓷制品。有些产品经表面上釉并烧制后,效果惊人,质量优异。 奥地利的3D打印公司Lithoz开发了基于光刻的陶瓷制造技术(LCM)。

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    借助LCM技术开发的最新型3D打印机CeraFab 7500能够打印高精确度、高密度、高强度的陶瓷,材质包括氧化铝、氧化锆等,成为陶瓷材料3D打印的领导者。 波兰的Tytan 3D开发团队成员Janusz Wojcik和Pawel Rokita成功研发了可以自由选择打印材料的Delta3D打印机。打印机采用铝质框架,所有的机械元件都是专业级零件,电机和电子控制系统安装于打印机上方。打印空间约直径20 cm,高35 cm。墨盒可以存储不同的陶瓷材料,甚至可以使用能硬化的砂质材料。 荷兰埃因霍温艺术家Olivier van Herpt成功研发了一台拥有成人身高、并可打印较大体积陶瓷的3D打印机。打印成品规格可达到高80 cm,半径21 cm,细节颇为精致。Olivier van Herpt还尝试用不同类型的粘土进行试验,并研发出适合作为打印线材的陶瓷原材料。

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    总部设在以色列的Studio Under工作室成功推出了有史以来最大的陶瓷3D打印机[16]。该3D打印机可以打印陶瓷及几乎所有类型的糊状材料。除此之外,他们还推出了彩色陶瓷的3D打印。

    英国布里斯托的西英格兰大学(UWE)开发出了一种改进的3D打印陶瓷技术。该技术可用于定制陶瓷餐具,比如漂亮的茶杯和复杂的装饰物,如图10所示。这项技术被称为自己上釉3D打印陶瓷(self-glazing 3D printed ceramic)。UWE精细打印研究中心(CFPR)主任Stephen Hoskins教授把他们开发的可3D打印陶瓷材料称为“ViriClay”,在白色陶瓷餐具行业具有广阔的应用前景。 自20世纪90年代初以来,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学等国内高校在3D打印材料技术方面进行了积极探索,主要涉及航空、机械、医疗、生物、模具、汽车、军工等领域,如:清华大学长期致力于生物领域的3D打印技术,研发出国内第一台细胞3D打印机,确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料等。西北工业大学为国产大飞机C919完成了机翼关键件等研发配套工作;北京航空航天大学突破了钛合金、超高强度钢大型关键构件制造技术  。
 
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    2013年, 以硅粉为原料,糊精为粘结剂,采用3D打印快速成型技术制备出多孔硅坯体,通过反应烧结得到高孔隙率的螺钉、螺母等氮化硅陶瓷部件  。整体来看,国内在传统 陶瓷领域3D打印的成果还不太多,少量的研究也是在利用3D打印技术制作陶瓷模型后再翻模。如:龙泉青瓷艺人梅红玲借助3D打印技术制作了青瓷牛的树脂模具,然后制模烧制成了第一件镇纸大小的瓷牛,细节栩栩如生,成为青瓷文化中的特殊艺术品 。
 
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    3 传统陶瓷3D打印特征

    传统陶瓷的制作是一项繁杂的过程,一件陶瓷制品从最初的原料加工到最后烧成需要几十道工序,环环相扣,缺一不可。而陶瓷的3D打印技术可以大大节省时间,使工艺简单化,且节省了大量的劳动力成本和原料、能源消耗。其中最明显的就是原料加工环节,差别最大。 传统陶瓷原料按照工艺特性一般可分为可塑性原料、瘠性原料、溶剂性原料和功能性原料四大类。其中可塑性原料在生产中主要起塑化和结合的作用,是陶瓷成型的关键,它赋予坯料可塑性和注浆成型性能,保证干坯强度及烧成后的机械强度、热稳定性、化学稳定性等,包括高岭土、膨润土、瓷土、木节土、苏州土等,是黏土质陶瓷的成瓷基础。但是由于粘土矿物成因复杂,组成不均,表现为可塑性、触变性、结合型、收缩性、耐火度等性质差异较大。因此各个陶瓷产区其陶瓷坯料配方及工艺存在差别,但唯一不变则是粘土本身就是一种永久性粘合剂,即在传统陶瓷坯料配方中,很少再添加其它粘合剂来改善其坯料性能。 但是如果传统陶瓷3D打印成型,泥料的性能和其加工过程将大大改变。传统可塑泥料需要经过破碎、球磨、压滤、练泥、陈腐等工艺制备而成。

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    但如果将可塑泥料用于3D打印成型,则在细度、流动性、可塑性等方面都会存在问题,因为3D打印原料更接近于胶凝材料,或是高固相体积分数的悬浮浆料。为达到泥浆良好的流变性能,靠粘土本身的粘附作用力还远远不够,必须使用粘结剂及其他塑化剂,通过添加剂的改性作用使粉料具备优异性能,在颗粒间产生胶结作用,从而降低黏度,增加流动性,保证3D印正常进行。常用的粘结剂如:淀粉、糊精、CMC、阿拉伯树胶、树脂、凝胶类等高分子物质。而且这些添加剂在烧成过程中,其主要化学成分被分解挥发,对坯料没有明显影响。 其实粘结剂在传统陶瓷釉料中也经常使用,目的主要是改善浆料的流动性。传统陶瓷3D打印制造过程中,通过改变传统陶瓷泥料的制备模式,其原料的选择性更广,低可塑性原料、瘠性原料也可以通过粘合剂的凝胶塑化替代高可塑性原料,使资源问题得到缓解。

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    4 传统陶瓷3D打印的挑战

    陶瓷3D打印虽然具有其他技术无可比拟的优势,能制造出创造性的陶瓷产品,让每件产品都如艺术品般值得欣赏与回味。但是同样面临着巨大的挑战。对传统陶瓷的制造而言,最大的问题可能来源于粘土类型、3D打印陶瓷的颜色、釉面效果、CAD数据建模、陶瓷烧成时的稳定性等。首先是粘土的类型和质量。从目前研究进展来看,并不是所有粘土都适用于3D打印成型,国外虽有成功经验,但都还处于保密状态。粘土本身是一种片状结构的颗粒,加水和粘结剂即可能产生触变性,这对于堆积后的强度会产生非常大的影响,大件产品易产生坍塌。而对于陶瓷的颜色,目前陶瓷墨水的颜色种类还比较有限,要想获得更为丰富逼真的色彩,可能在陶瓷墨水领域需要进一步研究。其次,3D打印设备还无法达到普及状态,也很难找到能运用这项技术的专业人才。

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    如果要进行3D打印,必须有数字化的3D模型才行。目前,计算机辅助设计软件的缺失也是很大的瓶颈。第三,即使有效地堆积出尺寸精确、结构复杂的陶瓷物件,烧结时复杂烧结体中残余应力如何消除这一技术难题也需要解决。3D陶瓷产品的质量稳定性、产品的尺寸、吸水率等都需要进一步思考。 陶瓷是千年窑火淬出的传统工业,3D打印则是一项改变人类思维的全新技术,当两者碰撞在一起,究竟会产生什么样的火花我们还不得而知。但是我们有理由相信,3D打印技术一定会在不久的将来带来一场制造业的深刻变革。同时,我们也必须清醒地看到,陶瓷3D打印对陶瓷粉体本身材质、釉面装饰等提出了更高的要求。虽然3D打印在造型上取得了突破,但要想完全颠覆传统陶瓷文化与工艺特色,可能走的路还很长。
 

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责任编辑:殷鹏飞


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