SUPSI 大學(xué)開(kāi)發(fā)打印復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的混合增材制造工藝

2023年5月27日，南極熊獲悉，來(lái)自帕多瓦大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種可打印復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的新型混合增材制造工藝，該工藝由Ortona 教授的博士生 Marco Pelanconi開(kāi)發(fā)，并用于完成了他的博士課題，所使用的3D打印機(jī)是由 Sintratec 套件組裝完成。

在過(guò)去的 20 年里，瑞士南部應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué) (SUPSI) 的混合材料實(shí)驗(yàn)室 (HM Lab) 一直在從事陶瓷制造的前沿技術(shù)研究。在2019 年，HM 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Alberto Ortona 教授就已經(jīng)展示了多孔 3D 打印技術(shù)在陶瓷材料方面的潛力。

△MarcoPelanconi（最左）和 Alberto Ortona 教授（右三）和他們?cè)诨旌喜牧蠈?shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)。資料來(lái)源：Sintratec。

一種新穎的混合增材制造工藝

在他的博士論文課題中，Pelanconi 提出了一種優(yōu)化的增材制造生產(chǎn)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的工藝。該方法涉及選擇性激光燒結(jié) (SLS)技術(shù)和預(yù)制陶瓷聚合物熔滲工藝：首先，3D 打印出具有高微孔率的陶瓷聚合物預(yù)制件；然后，將預(yù)制件在大約 1000°C 下進(jìn)行熱解，實(shí)現(xiàn)從聚合物到陶瓷的轉(zhuǎn)化；最后，通過(guò)熔融硅滲透進(jìn)行最終致密化，以獲得高密度的陶瓷部件。

具有開(kāi)放參數(shù)的孔隙度控制

Marco Pelanconi在他的課題研究中使用到的Sintratec 套件是世界上第一個(gè)也是唯一一個(gè) SLS 領(lǐng)域的組裝套件，這款3D 打印機(jī)具有開(kāi)源的設(shè)置參數(shù)，對(duì)于Pelanconi博士課題起到了至關(guān)重要的作用。Pelanconi 說(shuō)：“該套件使我們能夠改變?cè)S多打印參數(shù)，包括粉末表面溫度、層厚度、激光速度、搭接間距等，從而輕松控制 3D 打印部件的孔隙率。通過(guò)改變這些因素，SUPSI 大學(xué)的材料工程師能夠獲得理想的孔隙率（對(duì)于進(jìn)一步滲透至關(guān)重要），從而獲得高質(zhì)量的零件。“

復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)

為了說(shuō)明這種方法如何應(yīng)用到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造，Pelanconi 的研究集中在兩種具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的圓柱形多孔結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)立方體和陀螺儀。在用 Sintratec PA12 設(shè)備中完成打印并轉(zhuǎn)化為陶瓷后，所得部件表現(xiàn)出出色的機(jī)械和熱性能。盡管體積收縮了約 25%，但它們保持了原始形狀，沒(méi)有變形或宏觀裂紋。根據(jù) Pelanconi 的說(shuō)法，通過(guò)進(jìn)一步的工藝優(yōu)化，它們的雙軸強(qiáng)度仍然可以提高165 MPa，這一點(diǎn)令人印象深刻。

不同行業(yè)的應(yīng)用潛力

Pelanconi 說(shuō)：“陶瓷類(lèi)別的材料具有鋼無(wú)法比擬的熱機(jī)械性能，例如耐高溫、高抗氧化性、高抗熱震性和高強(qiáng)度。” 因此，陶瓷非常適合用于極端環(huán)境，例如熱交換器、催化劑載體、蓄熱器、燃燒器或航空航天。這種由 Marco Pelanconi 在 HM 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)施的創(chuàng)新方法可以被高科技行業(yè)利用，這要?dú)w功于從范圍廣泛的預(yù)陶瓷聚合物中獲得許多不同陶瓷材料的研究思路。