奧地利制造商Lithoz推動陶瓷增材制造在航空航天領域的發(fā)展！

導讀：航空航天領域正在迅速發(fā)展，亟需能夠提供創(chuàng)新和高效解決方案的新技術，增材制造技術已經成為航空航天應用的理想解決方案之一。根據(jù) Research and Markets 的一份報告可知，2021年航空航天和國防市場的3D打印價值約為19億美元，預計2022年至2027年的復合年增長率將超過24%。可以說，增材技術正在為航空航天領域帶來重大變革，使用增材制造技術能夠生產更輕、更強、更復雜的零件，提高設計自由度，并具備將多個零件組合成一個單元的整合能力，減少昂貴原材料的浪費，以及成本和資源效率。



使用3D打印技術對材料進行創(chuàng)新，最成功的當屬陶瓷材料。陶瓷材料已被證明具有滿足工業(yè)需求和航空航天應用所需的高標準。奧地利制造商Lithoz是專注于陶瓷增材制造的公司之一，開發(fā)了用于高分辨率復雜零件的基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 技術。南極熊獲悉，Lithoz在2022年在陶瓷3D打印解決方案方面的銷售額和營業(yè)額翻了一番，表明醫(yī)療以及航空航天等多個行業(yè)對3D打印的興趣在持續(xù)增長。


△3D 打印陶瓷部件

航空航天領域面臨的問題
更快、更簡單、更具成本效益是航空航天領域追求的原則，其零件面臨的最大挑戰(zhàn)不僅包括極端負載，還包括加熱和過熱。例如，渦輪葉片的移動速度使其產生的熱量高于制造它們的金屬所產生的熱量，用傳統(tǒng)制造工藝進行制造會產生一定的問題。除了承受過熱，許多零件而且還必須能夠承受嚴寒，因為太空中的外部溫度會迅速下降到 – 200 °C 左右。這時，航空航天部門需要一種傳統(tǒng)制造工藝替代方案，使得不同的極端條件對部件的性能不會產生影響。

但陶瓷 3D 打印如何消除這些障礙呢？陶瓷以其耐熱性、機械性能等特性以及用于生產最高質量的精細部件而聞名。因此，增材制造可以設計復雜的形狀，同時降低成本和縮短交貨時間，這是傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的。所以，陶瓷 3D 打印是航空航天這樣要求苛刻的行業(yè)的理想解決方案。Lithoz 通過開發(fā)具有最佳性能的氮化硅 (Si3N4) 迅速定位于該市場，例如即使在高溫下也具有巨大的強度、對意外溫度變化的出色抵抗力以及巨大的硬度。



在航空航天應用中使用陶瓷的好處

有相關市場報告強指出，陶瓷3D打印的市場價值顯著增長，預計到2023年將達到4億美元。報告稱，航空航天、國防、牙科和化學工程行業(yè)對用于生產小批量零件的陶瓷制造最感興趣。陶瓷因其卓越的性能（例如高耐熱性、抗氧化性和耐磨性以及機械和尺寸穩(wěn)定性）而受到航空航天工業(yè)的關注。這使得陶瓷非常高效并適合在極端條件下使用，尤其是承受高應力的情況下，這使其成為下一代航天器構造的理想材料。

這里，南極熊特別強調，我們所說的陶瓷指的是“先進陶瓷材料”或“技術陶瓷”，它們具有高強度、耐腐蝕、優(yōu)良的熱絕緣和電絕緣等顯著性能，例如氧化鋁 (Al2O3)、氮化硅 (Si3N4)、碳化硅 (SiC) 和氧化鋯 (ZrO2)。通過 3D 打印，可以加工超高溫陶瓷 (UHTC)，其材料特性在該行業(yè)極為搶手。

陶瓷甚至取代了航空航天工業(yè)中使用的一些更傳統(tǒng)的材料，例如金屬。雖然金屬是航空航天工業(yè)中最常用的材料，但它們在某些應用中的使用也受到限制。為了制造更高效的空間推進器、減少空間碎片或開發(fā)更精確、更復雜的型芯，人們開始尋找替代材料。陶瓷現(xiàn)在為這些問題提供了切實可行的解決方案。此外，結合增材制造，可以制造精度更高的零件。

因此，陶瓷3D打印在航空航天領域具有巨大的潛力，Lithoz的LCM技術的各種應用就可以證明。Lithoz采用氮化硅制成了3D打印氣動塞式發(fā)動機噴嘴，成功通過了所有壓力測試，能夠承受顯著的熱沖擊，即使在超過1200 °C的溫度下也是如此。


△3D打印的氣塞發(fā)動機噴嘴

使用 LCM 技術的高分辨率和復雜性
在陶瓷行業(yè)中，高精度和復雜性十分關鍵，因為一個小缺陷可能導致零件完全失效，進而影響應用。Lithoz十分注意這一問題，現(xiàn)在已經能夠改進其技術以實現(xiàn)對錯誤的零容忍。

Lithoz 的光刻陶瓷制造 (LCM) 技術基于光聚合。CeraFab 3D 打印機將裝有陶瓷的液體（漿料）分配到透明的大桶中。打印平臺從上到下移動，并有選擇地進行曝光，設備中使用數(shù)字微鏡設備 (DMD) 和最先進的投影系統(tǒng)，生成分層圖像，逐層創(chuàng)建素坯。然后進行熱后處理以去除粘合劑并燒結組件，從而產生堅固耐用的高密度陶瓷組件。此過程的優(yōu)點是整個表面區(qū)域同時曝光，也就是說無論零件打印在平臺的哪個位置，零件都可以在整個構建板上以一致和準確的方式進行復制。因此，正是這種曝光精度使得獲得極其復雜的微結構成為可能。

Lithoz 目前在市場上有八種不同的 3D 打印解決方案，CeraFab 機器的各種型號，各具有自己的獨特特殊優(yōu)勢——例如，CeraFab S65 專為精確到 25µm 的高分辨率而設計。Lithoz 的技術現(xiàn)在不僅用于小批量生產，還用于大規(guī)模生產。例如，Steinbach AG 使用 Lithoz 的 CeraFab 系統(tǒng)解決方案來批量生產手術管。管子的復雜設計需要使用增材制造從原型制作到最終生產。Steinbach 每年能夠生產 12,000 個零件，這證明了增材制造在將生產擴大到批量生產方面的有效性。


△Lithoz 的 CeraFab 3D 打印系列

使用陶瓷 3D 打印實現(xiàn)航空航天優(yōu)化結構
將陶瓷的特性與 3D 打印的靈活性相結合的可能性是在航空航天領域使用該技術的主要優(yōu)勢之一。能夠精確地定制組件的設計、修改其結構甚至添加特定功能，是業(yè)內人士在生產復雜零件時所尋求的。這方面的一個實際例子是為航空航天應用創(chuàng)建 RF 濾波器。RF 濾波器是至關重要的電子電路，可提高信號質量并最大限度地減少衛(wèi)星通信、雷達和航空電子設備等通信系統(tǒng)中的干擾。陶瓷 3D 打印允許創(chuàng)建具有各種形狀、順序和帶寬的高度工程化的諧振器，這些諧振器可以集成到單個組件中，從而優(yōu)化性能、可靠性和耐用性。


△左邊是射頻濾波器，右邊是 3D 打印的陶瓷諧振器。諧振器可以打印成不同的尺寸。

為什么要用陶瓷 3D 打印它們？在航空航天工業(yè)中，RF 濾波器在確保高頻段的可靠和準確通信方面發(fā)揮著關鍵作用。由于它們必須承受惡劣的環(huán)境條件，因此這些過濾器必須具有高性能并滿足嚴格的可靠性和性能要求。陶瓷的理想材料特性使其非常適合滿足這些要求，同時還可以輕松實現(xiàn)這些過濾器的小型化以減輕重量——這是航空航天應用中的一個關鍵因素。最重要的是，陶瓷過濾器在溫度和時間方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，確保長期可靠和一致的性能。

控制陶瓷部件的微觀結構
Lithoz 陶瓷3D打印解決方案能夠更精確地控制材料的微觀結構和孔隙率，為更復雜的應用提供顯著優(yōu)勢，這是目前可用的任何其他AM或傳統(tǒng)制造技術的局限性。借助 Lithoz 的 LCM 技術，可以實現(xiàn)多材料 3D 打印和功能分級陶瓷也可以實現(xiàn)。多材料 LCM 打印機，不僅可以將一種材料分配給任何所需的層，還可以通過將相應的材料分配給層圖像的選定像素來在每一層中使用不同的材料。例如，Lithoz 和 Fraunhofer IGD 使用高度復雜的氧化鋁制造零件，并在單個零件內定義致密和多孔梯度。


△具有致密到多孔漸變的演示部件，適用于各種領域的應用，例如催化劑、過濾器或骨骼結構

Lithoz 生產更輕的飛機渦輪機型芯
渦輪機機對飛機飛行至關重要。渦輪機內部最重要的部件之一是型芯，傳統(tǒng)上是通過熔模鑄造制造的。然而，這里出現(xiàn)了一個嚴重的問題：使用傳統(tǒng)的注塑成型芯，結合多葉片、復雜和狹窄的冷卻元件的可能性是有限的。從長遠來看，不僅代價高昂，而且還會帶來安全隱患。如何在不增加成本的情況下更高效、更創(chuàng)新地制造型芯？



通過增材制造的無工具制造方法不僅可以避免高成本和巨大的額外工作量，而且 LCM 技術還可以加快生產速度。因此，可以在短時間內制作原型和系列產品，從而顯著縮短上市時間。型芯的精度至少為 200 µm，即使對于具有后緣等特征的復雜形狀也是如此，并且尺寸可達 30 cm。使用Lithoz專有的 CeraFab 系統(tǒng)，Lithoz 甚至生產了多個尺寸為 500 mm的陶瓷型芯，從而展示了用于工業(yè)生產陶瓷型芯的能力。

Lithoz 目前在航空航天領域從事哪些科研項目？
Lithoz 積極參與航空航天領域相關的項目：Lithoz與來自Poitiers（法國）、FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH（奧地利）和University of Applied Sciences Wiener Neustadt GmbH（奧地利）的研究人員一起，共同研究了打印整體陶瓷催化劑與傳統(tǒng)生產的催化劑的不同和優(yōu)勢。研究人員提出，二者在高濃度過氧化氫的分解方面，尤其是孔隙率因素中有很大差異。一般來說，打印結構的孔隙率比傳統(tǒng)工藝制造的結構的孔隙率大得多，隨著孔隙率的提高，瞬態(tài)溫度行為也會得到改善，這一研究發(fā)現(xiàn)將有望推動陶瓷3D打印在航空航天領域的發(fā)展。