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HRL实验室开发抗断裂陶瓷基复合材料3D打印零件的新方法

时间:2020-10-22 08:12 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
       中国3D打印网10月22日讯,通用汽车和波音公司拥有的研究中心HRL Laboratories的研究人员已经开发出一种使用抗断裂陶瓷基复合材料(CMC)的3D打印零件的新方法。HRL团队开发了一种新型的硅氧烷基陶瓷树脂,并用惰性颗粒对其进行了增强,然后使用称为热解的极端加热工艺将其转化为碳氧化硅(SiOC)。所得的玻璃状材料具有增强的耐久性,并且据研究团队称,它可用于新能源敏感领域,例如推进,能源生产和化学加工。
       “我们在该项目中解决的挑战是将增韧解决方案与我们的3D打印过程集成在一起。” HRL项目首席研究员Mark O’Masta说, “我们现在可以大量添加这些增强材料,以显着增强3D打印陶瓷零件的韧性。我们基本上是将脆性的单分子材料制成耐用的复合材料。作为一项额外的好处,添加钢筋可以减轻某些处理方面的约束。”
研究人员开发了可用于增强复杂的3D打印陶瓷结构的陶瓷前聚合物

  研究人员开发了可用于增强复杂的3D打印陶瓷结构的陶瓷前聚合物。照片由HRL实验室提供。
  扩展3D打印陶瓷的应用
         陶瓷组件通常具有出色的耐腐蚀和耐磨性,其独特的性能使其在高温区域具有潜在的应用前景,但事实证明,将它们成型是有问题的。使用易碎的陶瓷来制造具有狭窄几何形状的复杂零件,还会在内部裂缝和空隙上产生压力,有时会导致灾难性的故障。O’Masta解释说:“所有陶瓷零件,无论是传统加工的还是3D打印的,都具有微小的缺陷,例如在加工,处理和维修过程中产生的微小空隙。问题在于,当对该区域施加应力时,缺陷会变成不受控制的裂纹,从而导致整个零件的灾难性破坏。”
         陶瓷3D打印技术可能仍处于起步阶段,但是为了解决这个问题,常用的技术已经开始出现。已尝试将直接墨水书写(DIW)和熔融沉积建模(FDM)方法混合使用,但更常见的是,将光聚合(SLA)用于固化注入聚合物的原料。
         在每种现有工艺中,在烧结陶瓷颗粒之前,都要对印刷的“生坯”进行两步热处理,以去除聚合物(脱脂)。现在,最近的研究已经产生了一种替代方法,该方法涉及通过使用硅氧烷基树脂代替3D打印,然后通过热解将其转变为SiOC。这项新兴的陶瓷制造技术省去了冗长的脱脂和烧结步骤,有可能使其成为传统陶瓷印刷工艺的更快替代品。为了使这种新的基于温度的方法有效地起作用,需要开发一种陶瓷材料,以解决该材料的低固有韧性并防止不良的粒子融合。

通过持续的测试,HRL团队以他们的技术找到了“最佳点”,从而生产出具有高强度水平的复杂零件
  通过持续的测试,HRL团队以他们的技术找到了“最佳点”,从而生产出具有高强度水平的复杂零件。照片由HRL实验室提供。
  HRL Labs新颖的3D打印陶瓷方法
         为了解决陶瓷固有的脆弱性,HRL团队开发了一种新颖的工艺,需要开发陶瓷纤维增强的CMC。研究人员使用光引发剂和碳氧化硅(SiOC)材料的混合物配制了他们的新树脂,该材料包含分散的惰性陶瓷颗粒。
        利用Prodways ProMaker L5000工业打印机,研究人员随后制造了一系列1.25(t)×2.5(h)×15(l)mm3的样品,旨在评估和优化其配方。经过一系列的特性测试,该团队发现了高水平的颗粒分散性,但在增强部件的拉伸强度方面也表现出奇怪的行为。事实证明,较厚的样品比较薄的样品更容易开裂,通过这一发现,HRL团队确定了可以达到的增强水平的“最佳点”。添加过多的增强元素将超过其“堆积极限”,并削弱零件,而添加量不足,则可能使陶瓷容易破裂。

       自2016年以来一直致力于这项技术,研究小组认为,他们最终可能会制造出一种分散良好的增强陶瓷,加热后收缩率降低。使用增强材料印刷的产品具有3倍的壁厚和3 MPa以上的韧性,这使HRL团队得出结论,现在可以使用新的,更复杂的陶瓷零件。HRL研究的合著者Ekaterina“ Katya” Stonkevitch总结说:“通过详细的研究和使用光学和电子显微镜对缺陷的仔细检查,我们能够确定合适的加工条件。有了这些信息,我们发现可以打印比以前更厚的零件。”
  3D打印中的陶瓷创新
       尽管陶瓷增材制造仍针对高应力最终用途进行了充分优化,但许多公司已经将该技术商业化。弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(IKTS)的科学家开发了一种多材料喷射(MMJ)系统,该系统能够生产增强的陶瓷零件。新机器将金属和陶瓷等材料融合在一起,以利用它们的综合性能。
        总部位于荷兰的3D打印机制造商Admatec已推出一种模块化的新型DLP 3D打印机,它也与陶瓷兼容:Admaflex300。该系统旨在满足熔模铸造行业生产大型氧化铝零件和二氧化硅的需求。核或壳。
        在其他地方,材料喷射专家XJet与Straumann合作,以提高其陶瓷3D打印技术在牙科领域的功能。通过采用XJet的增材制造系统,Straumann能够使用通常易碎的材料设计和制造具有复杂几何形状的牙科零件。

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(责任编辑:中国3D打印网)

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