而間接燒結(jié)法是混合高熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)粉末,采用激光照射混合粉體,通過低熔點(diǎn)粉末的熔化,最終實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)的陶瓷粉末的成型。間接燒結(jié)法的關(guān)鍵是混合粉體、懸浮液或漿料的制備以及鋪粉的工藝。在陶瓷材料打印成型后,還需要對坯體進(jìn)行加工,如燒結(jié)、等靜壓、熱壓等方式處理,最終得到具有一定孔隙度、強(qiáng)度的陶瓷產(chǎn)品。相比于直接法,間接法能夠獲得高密度的粉塵,陶瓷產(chǎn)品的致密度也比較高。近年來,間接燒結(jié)法發(fā)展了以漿料為基礎(chǔ)的方法,這種方法更容易制備致密度較高的陶瓷坯體。中國臺(tái)灣國立臺(tái)北科技大學(xué)的Tang等研究表明:“采用聚乙烯醇包裹的氧化鋁粉末漿料,大幅度提高了粉塵致密度,得到了致密度高達(dá)98%的氧化鋁陶瓷部件,其平均彎曲強(qiáng)度達(dá)363.5 MPa。
SLM是直接將陶瓷粉末完全熔化來成形,不需要再添加有機(jī)粘結(jié)劑。該技術(shù)于1995年由德國的Fraunhofer激光技術(shù)協(xié)會(huì)提出,并將其應(yīng)用于陶瓷材料的成型中。SLM與SLS的區(qū)別在于,SLM是在成形過程中通過控制粉末的孔隙率、孔形狀以及調(diào)節(jié)激光參數(shù)來實(shí)現(xiàn)粉末的完全熔化,所以理論上能夠制備出致密度達(dá)100%、形狀任意及內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高性能部件。2011年,德國Fraunhofer激光研究所的Hagedorn等采用散射的二氧化碳激光器, 逐層預(yù)熱粉體直到1 700 ℃,制成了含氧化鋁-氧化鋯共熔體的工件,該工件熱裂紋較少,致密度達(dá)到100%,并且抗彎強(qiáng)度達(dá)到
了500 MPa。但只能制備尺寸較小的工件,工件尺寸一旦超過3 mm時(shí),制品的致密度會(huì)下降,且會(huì)出現(xiàn)許多熱裂紋,表面質(zhì)量也比較差。
經(jīng)過近20年的發(fā)展,增材制造技術(shù)用于陶瓷工件的制作工藝有了較大的改進(jìn),產(chǎn)品性能也得到了一定的提高。目前能夠采用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)硼化鋯、氧化鋯、氧化鋁等少量陶瓷材料的成型制備。但截至目前,無論是直接法還是間接法,由于陶瓷本身具有脆性大、膨脹系數(shù)低等的特性,陶瓷材料增材制造中出現(xiàn)的熱應(yīng)力問題尚未得到解決,制品容易出現(xiàn)熱裂紋,陶瓷材料的增材制造技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用還比較遠(yuǎn)。尤其在成形體積較大的陶瓷工件時(shí)熱應(yīng)力的影響更大。即便目前有很多學(xué)者通過研究預(yù)熱的方式來減少熱裂紋和內(nèi)應(yīng)力,但是預(yù)熱溫度過高也會(huì)形成較大的熔池,導(dǎo)致表面粗糙、精度降低。因此增材制造陶瓷材料距離實(shí)質(zhì)性應(yīng)用還面臨著巨大困難與挑戰(zhàn)。
4 我國增材制造材料存在的問題與展望
近年來增材制造技術(shù)發(fā)展很快,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷增加。原材料作為增材制造技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),它的發(fā)展將是制約增材制造發(fā)展的技術(shù)瓶頸。目前我國在關(guān)于增材制造原材料的研究方面還不夠成熟,制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也還不完善,市場上應(yīng)用的增材制造用原材料大部分仍需從國外進(jìn)口,價(jià)格昂貴。進(jìn)口光敏樹脂的價(jià)格在1 500元/公斤左右,國產(chǎn)光敏樹脂的價(jià)格在800元/公斤左右,但是無論在成形精度還是成形件力學(xué)性能等方面,國產(chǎn)樹脂性能距國外同類產(chǎn)品還有一定的差距。在制備高品質(zhì)球形鈦及鈦合金粉末方面,以美國、德國、俄羅斯為代表的發(fā)達(dá)工業(yè)強(qiáng)國擁有多種成熟的鈦及鈦合金球形粉末制備技術(shù),開發(fā)的球形鈦及鈦合金粉末不僅可以滿足傳統(tǒng)工藝近凈成形的要求,也能滿足增材制造等新
型工藝近凈成形的要求,粉末粒度可達(dá)d50≤74 μm,目前已經(jīng)形成了具有高附加值的稀有金屬粉末產(chǎn)業(yè)。我國對于球形鈦及鈦合金粉末的研究在20世紀(jì)80年代起步,雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,國內(nèi)也有不少有關(guān)科研單位進(jìn)行自主開發(fā),但國內(nèi)生產(chǎn)的球形鈦及鈦合金d50≈150 μm,只能初步滿足增材制造技術(shù)的要求。對于鋪粉工藝的增材制造技術(shù)所需的細(xì)粒徑的球形鈦合金粉末,國內(nèi)還是主要依賴進(jìn)口。因此,原材料的缺陷和不足,將極大地限制我國增材制造技術(shù)的推廣及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
因此,當(dāng)下最急需的是加大對原材料的研發(fā)力度,尤其是在新材料的研發(fā)及應(yīng)用方面,根據(jù)增材制造的特點(diǎn), 再結(jié)合市場應(yīng)用的各種要求,大力開發(fā)新的原材料,比如,納米材料、直接打印制作高致密金屬零件的合金材料、功能梯度材料、生物材料等,將是增材制造材料不斷提高質(zhì)量的發(fā)展方向;此外,推進(jìn)增材制造材料的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、綠色環(huán)保化,并借助“增材制造+ ”的理念,不斷拓展增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的深入融合, 將是增材制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。
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