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HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)抗斷裂陶瓷基復(fù)合材料3D打印零件的新方法

時間:2020-10-22 08:12 來源:中國3D打印網(wǎng) 作者:中國3D打印網(wǎng) 閱讀:
       中國3D打印網(wǎng)10月22日訊,通用汽車和波音公司擁有的研究中心HRL Laboratories的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種使用抗斷裂陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的3D打印零件的新方法。HRL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的硅氧烷基陶瓷樹脂,并用惰性顆粒對其進(jìn)行了增強(qiáng),然后使用稱為熱解的極端加熱工藝將其轉(zhuǎn)化為碳氧化硅(SiOC)。所得的玻璃狀材料具有增強(qiáng)的耐久性,并且據(jù)研究團(tuán)隊(duì)稱,它可用于新能源敏感領(lǐng)域,例如推進(jìn),能源生產(chǎn)和化學(xué)加工。
       “我們在該項(xiàng)目中解決的挑戰(zhàn)是將增韌解決方案與我們的3D打印過程集成在一起。” HRL項(xiàng)目首席研究員Mark O’Masta說, “我們現(xiàn)在可以大量添加這些增強(qiáng)材料,以顯著增強(qiáng)3D打印陶瓷零件的韌性。我們基本上是將脆性的單分子材料制成耐用的復(fù)合材料。作為一項(xiàng)額外的好處,添加鋼筋可以減輕某些處理方面的約束。”
研究人員開發(fā)了可用于增強(qiáng)復(fù)雜的3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)的陶瓷前聚合物

  研究人員開發(fā)了可用于增強(qiáng)復(fù)雜的3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)的陶瓷前聚合物。照片由HRL實(shí)驗(yàn)室提供。
  擴(kuò)展3D打印陶瓷的應(yīng)用
         陶瓷組件通常具有出色的耐腐蝕和耐磨性,其獨(dú)特的性能使其在高溫區(qū)域具有潛在的應(yīng)用前景,但事實(shí)證明,將它們成型是有問題的。使用易碎的陶瓷來制造具有狹窄幾何形狀的復(fù)雜零件,還會在內(nèi)部裂縫和空隙上產(chǎn)生壓力,有時會導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。O’Masta解釋說:“所有陶瓷零件,無論是傳統(tǒng)加工的還是3D打印的,都具有微小的缺陷,例如在加工,處理和維修過程中產(chǎn)生的微小空隙。問題在于,當(dāng)對該區(qū)域施加應(yīng)力時,缺陷會變成不受控制的裂紋,從而導(dǎo)致整個零件的災(zāi)難性破壞。”
         陶瓷3D打印技術(shù)可能仍處于起步階段,但是為了解決這個問題,常用的技術(shù)已經(jīng)開始出現(xiàn)。已嘗試將直接墨水書寫(DIW)和熔融沉積建模(FDM)方法混合使用,但更常見的是,將光聚合(SLA)用于固化注入聚合物的原料。
         在每種現(xiàn)有工藝中,在燒結(jié)陶瓷顆粒之前,都要對印刷的“生坯”進(jìn)行兩步熱處理,以去除聚合物(脫脂)。現(xiàn)在,最近的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一種替代方法,該方法涉及通過使用硅氧烷基樹脂代替3D打印,然后通過熱解將其轉(zhuǎn)變?yōu)镾iOC。這項(xiàng)新興的陶瓷制造技術(shù)省去了冗長的脫脂和燒結(jié)步驟,有可能使其成為傳統(tǒng)陶瓷印刷工藝的更快替代品。為了使這種新的基于溫度的方法有效地起作用,需要開發(fā)一種陶瓷材料,以解決該材料的低固有韌性并防止不良的粒子融合。

通過持續(xù)的測試,HRL團(tuán)隊(duì)以他們的技術(shù)找到了“最佳點(diǎn)”,從而生產(chǎn)出具有高強(qiáng)度水平的復(fù)雜零件
  通過持續(xù)的測試,HRL團(tuán)隊(duì)以他們的技術(shù)找到了“最佳點(diǎn)”,從而生產(chǎn)出具有高強(qiáng)度水平的復(fù)雜零件。照片由HRL實(shí)驗(yàn)室提供。
  HRL Labs新穎的3D打印陶瓷方法
         為了解決陶瓷固有的脆弱性,HRL團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的工藝,需要開發(fā)陶瓷纖維增強(qiáng)的CMC。研究人員使用光引發(fā)劑和碳氧化硅(SiOC)材料的混合物配制了他們的新樹脂,該材料包含分散的惰性陶瓷顆粒。
        利用Prodways ProMaker L5000工業(yè)打印機(jī),研究人員隨后制造了一系列1.25(t)×2.5(h)×15(l)mm3的樣品,旨在評估和優(yōu)化其配方。經(jīng)過一系列的特性測試,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了高水平的顆粒分散性,但在增強(qiáng)部件的拉伸強(qiáng)度方面也表現(xiàn)出奇怪的行為。事實(shí)證明,較厚的樣品比較薄的樣品更容易開裂,通過這一發(fā)現(xiàn),HRL團(tuán)隊(duì)確定了可以達(dá)到的增強(qiáng)水平的“最佳點(diǎn)”。添加過多的增強(qiáng)元素將超過其“堆積極限”,并削弱零件,而添加量不足,則可能使陶瓷容易破裂。

       自2016年以來一直致力于這項(xiàng)技術(shù),研究小組認(rèn)為,他們最終可能會制造出一種分散良好的增強(qiáng)陶瓷,加熱后收縮率降低。使用增強(qiáng)材料印刷的產(chǎn)品具有3倍的壁厚和3 MPa以上的韌性,這使HRL團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論,現(xiàn)在可以使用新的,更復(fù)雜的陶瓷零件。HRL研究的合著者Ekaterina“ Katya” Stonkevitch總結(jié)說:“通過詳細(xì)的研究和使用光學(xué)和電子顯微鏡對缺陷的仔細(xì)檢查,我們能夠確定合適的加工條件。有了這些信息,我們發(fā)現(xiàn)可以打印比以前更厚的零件。”
  3D打印中的陶瓷創(chuàng)新
       盡管陶瓷增材制造仍針對高應(yīng)力最終用途進(jìn)行了充分優(yōu)化,但許多公司已經(jīng)將該技術(shù)商業(yè)化。弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所(IKTS)的科學(xué)家開發(fā)了一種多材料噴射(MMJ)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠生產(chǎn)增強(qiáng)的陶瓷零件。新機(jī)器將金屬和陶瓷等材料融合在一起,以利用它們的綜合性能。
        總部位于荷蘭的3D打印機(jī)制造商Admatec已推出一種模塊化的新型DLP 3D打印機(jī),它也與陶瓷兼容:Admaflex300。該系統(tǒng)旨在滿足熔模鑄造行業(yè)生產(chǎn)大型氧化鋁零件和二氧化硅的需求。核或殼。
        在其他地方,材料噴射專家XJet與Straumann合作,以提高其陶瓷3D打印技術(shù)在牙科領(lǐng)域的功能。通過采用XJet的增材制造系統(tǒng),Straumann能夠使用通常易碎的材料設(shè)計(jì)和制造具有復(fù)雜幾何形狀的牙科零件。

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