3D科学谷曾在谷.专栏《增材制造陶瓷的历史、发展、未来》中谈到，陶瓷增材制造的许多寻衅可以追溯到加工构造陶瓷材料的内在困难。
为使陶瓷增材制造领域成熟，未来的研发应着眼于扩大材料选择，改进3D打印和后处理掌握，以及多材料和稠浊加工等独特能力。

中国科学院上海硅酸盐研究所陈健副研究员及研究团队在研究繁芜构造碳化硅（SIC）陶瓷制备方法时，运用3D打印技能成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件。
该研究团队运用了升华三维的陶瓷3D打印技能。

本期，3D科学谷将进一步透视上海硅酸盐研究所碳化硅光学元件中的陶瓷3D打印技能运用逻辑，以及升华三维在陶瓷材料选择，后处理，复合股料开拓方面所做的布局。

碳化硅光学元件

陶瓷3D打印技能运用逻辑

应对碳化硅陶瓷硬、脆加工难点

碳化硅陶瓷是一种具有高强度、高硬度、高热导率、高化学稳定性等精良性能的陶瓷材料，被广泛运用于航空航天、微电子、汽车工业、核工业等领域。
近年来，汽车工业、航空航天等领域都对大尺寸、繁芜构造的零部件有强烈的需求。

3D科学谷白皮书

目前对各种繁芜构造形状SiC陶瓷需求急剧增加，传统的制造方法繁芜、耗时、模具设计制作周期长。
由于其极高的硬度和脆性，导致其加工极其困难。
刀具不仅磨损严重，而且还可能产生裂纹等毛病，难以达到良好的表面质量和尺寸精度。

高硬度和耐磨性能使加工过程繁芜化，在实现繁芜陶瓷组件高本钱效益的需求推动下，增材制造-3D打印技能逐渐进入到碳化硅等前辈陶瓷制造领域。
结合3D打印的SiC陶瓷制备技能成为目前研究和运用的紧张发展方向之一，能良好地办理传统陶瓷材料繁芜形状难成型、难加工，制作周期长、本钱高的问题。

l 实现繁芜设计

随着光学元件孔径的增大，碳化硅光学元件与支撑构造的一体化设计将导致碳化硅光学元件的构造更加繁芜，这是采取传统的陶瓷成型烧结技能难以实现的。
急迫须要开展繁芜形状碳化硅光学元件的制造新技能、新工艺的研究，实现空间遥感光学探测用低面积密度碳化硅光学构造集成元件的制备。

l 办理碳化硅难成型寻衅

碳化硅陶瓷的特点是易氧化、难熔融、高吸光。
相对付塑料或金属有固定的熔点，通过加热融化后就可以进行粘贴，陶瓷特殊是氧化物陶瓷熔点非常高，而碳化物陶瓷没有熔点，在高温条件下会直接氧化。
比如碳化硅会氧化成二氧化硅，或者是其他的气体或在激光的浸染下直接分解，导致无法直接3D打印，只能打印出一个素坯再去烧结。

l 办理碳随意马虎吸光的寻衅

目前，大多数3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量较低、硅含量较高、力学性能较低，普遍采取化学气相沉积CVI（Chemical Vapor Infiltration）或者先驱体浸渍裂解PIP（Precursor Infiltration Pyrolysis）等后处理工艺提高材料固含量来实现陶瓷材料综合性能的提升，这样或许会降落3D打印SiC陶瓷工艺的优胜性。

中科院上海硅酸盐所的科研团队打破点紧张是在碳化硅陶瓷中加一些含碳的烧结助剂，便于后期的烧结致密化。

含碳的烧结助剂更黑更随意马虎吸光，中科院上海硅酸盐所因此选择了避开以激光为能量源的3D打印技能，采纳材料挤出工艺。
这样先通过高温混炼可以得到很高含量的陶瓷材料，再通过这种注射成型的办法来逐步的叠层打印。

中科院上海硅酸盐所的科研团队终极采取高温原位界面润色粉体，低温应力缓释制备出高塑性打印体，得到了低熔点高沸点的高塑性打印体，材料固含量超过60vol%。

© 升华三维

之后通过升华三维大尺寸、双喷头UPS-556 3D打印设备，对塑性体进行高密度叠层打印，打印的陶瓷样品脱脂后等效碳密度可精确调控至0.80 g·cm-3，同时对陶瓷打印路径进行拓扑优化设计，可在样品中形成树形多级孔道。

终极陶瓷样品无需CVI或PIP处理，直接反应渗硅烧结后实现了低残硅/碳的高效渗透和材料致密化，SiC陶瓷密度可达3.05±0.02 g·cm-3,三点抗弯强度为310.41±39.32 MPa，弹性模量为346.35±22.80 GPa。
陶瓷力学性能靠近于传统方法制备反应烧结SiC陶瓷。

数字化赋能粉末冶金行业

在以上案例中运用的升华三维大尺寸、双喷头UPS-556 3D打印设备，采取了升华三维的粉末挤出打印技能（Powder Extrusion printing，PEP）。
这是一种“3D打印+粉末冶金”相结合的陶瓷3D打印技能。

© 升华三维

粉末挤出打印技能利用了已发展超过30年、并大规模运用于电子3C、汽车、医疗、军工航天等领域的粉末注射成形技能。
两者工艺流程有很多相通之处，结合3D打印这一数字化的制造技能对材料的掌握和成形，实现终极金属、陶瓷零部件的制造。
在得到具有一定密度和强度的生坯后，利用MIM的干系工艺对产品进行脱脂和烧结，得到性能同等且优秀的产品。

基于粉末挤出打印技能-PEP 的陶瓷3D打印办理方案

© 升华三维

分步得到产品形状与性能

PEP技能有别于利用高强能量束直接熔化材料，同步得到产品形状和性能的直接3D打印技能。
PEP技能将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更随意马虎管理热应力，因烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完备熔化温度，并且热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的同等性。

PIM工艺流程

© 升华三维

PEP 工艺流程

© 升华三维

丰富的材料体系与复合股料制造

PEP技能打印材料体系丰富，具有类同于粉末注射成型-PIM工艺所用的材料，适用于科研教诲、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造等领域生产繁芜而轻便的金属或陶瓷零件。
有望取代小批量，高本钱的粉末注射成型，大幅降落3D打印本钱，并缩短交货韶光。

在陶瓷材料增材制造领域，升华三维目前已开拓了包括氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅在内的前辈陶瓷材料与羟基磷灰石生物陶瓷材料。
丰富的材料体系，为浩瀚运用细分市场通过PEP 3D打印技能开拓创新性的繁芜陶瓷部件创造了有利条件。

l 碳化硅

升华三维的3D打印设备已被运用于制备大尺寸、轻量化、一体化SiC陶瓷繁芜构造部件，良好地办理传统陶瓷材料繁芜形状难成型、难加工，制作周期长、本钱高的问题。

碳化硅3D打印样件

© 升华三维

除了前文谈到的碳化硅一体化构造光学元件，还可以运用于航空航天、微电子、汽车工业、核工业等领域。

l 氧化锆

氧化锆作为一种金属氧化物，具有熔沸点高、热膨胀系数大、抗堕落性强、化学稳定性好等精良的物理和化学性子。

烧结件力学性能

© 升华三维

升华三维氧化锆颗粒料UPGM-ZRO2是一种陶瓷聚合物复合股料，呈白色，粒径在8-14目的近球形颗粒，可通过PEP 陶瓷3D打印技能生产氧化锆陶瓷部件。

因氧化锆材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐堕落、低密度、化学稳定性好等精良特性，与3D打印技能的紧密结合，将在航空航天、汽车制造、生物医疗、工业制造、化工等领域显现出代价。

氧化锆构造件样件

© 升华三维

l 氮化硅

氮化硅算是目前陶瓷3D打印材料中最坚硬、最耐磨的材料之一。
此外还具有低密度、抗热震性、高温下的高机器性能和低热膨胀系数等优点，在航空航天、国防军工、机器领域得到广泛运用。

氮化硅3D打印生坯样件

© 升华三维

l 氧化铝

升华三维开拓了氧化铝颗粒UPGM-AL2O3。
这是一种陶瓷聚合物复合股料，呈白色，粒径在8-14目的近球形颗粒。
基于升华三维“3D打印+粉末冶金” 相结合的PEP 3D打印技能，在无模具的情形下得到终极致密的陶瓷部件。

航空航天氧化铝零部件

© 升华三维

氧化铝材料的运用领域广泛，包括高温坩埚 、耐火炉管及分外耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片；航空航天；医疗植入物；化工领域的催化零件，以及首饰制造等。

l 生物陶瓷

升华三维基于PEP 技能实现了具有高强度、高度有序性、孔分布及孔构造高度可控的生物陶瓷人工骨3D打印。
为骨科修复领域供应了植入物定制的创新性方案。

通过升华三维双喷头UPS-556 3D打印设备，还能够实现陶瓷复合股料的制备。
例如，在中南大学与升华三维联合开展的一项研究中，团队通过该设备制备Ti/Rb-HAp复合股料，综合钛与羟基磷灰石二者的上风，得到兼顾精良力学性能和高生物活性的复合股料。
这为骨科修复材料授予了更多性能。

从低迷中被唤醒的

陶瓷增材制造

与聚合物和金属3D打印比较，陶瓷3D打印市场仍被认为是一个相对较新的细分市场。
然而，与金属和聚合物比较，陶瓷材料由于其固有的机器硬度和脆性，很难通过机器加工等减法成型方法成型。
这是陶瓷3D打印对全体行业非常有吸引力的缘故原由。

只管陶瓷增材制造在设计自由度和零件功能方面供应了巨大的潜在改进。
但缺少考试测验新技能的动力是目前陶瓷3D打印的最大障碍。
目前可以清楚地看到，随着一些成功商业案例的公布，陶瓷3D打印真的从低迷中被唤醒。
中科院上海硅酸盐所研究团队在3D打印碳化硅陶瓷研究中取得的新进展，也为推动3D打印在高附加值陶瓷组件制造中的运用起到了积极浸染。

参考资料：

上海科技《 中科院上海硅酸盐所陈健：找到3D打印陶瓷新方法》

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