固体无模成型技术突破了传统成型思想的限制,是一项基于“生长型”的成型方法。这项以计算机为依托的成型技术,综合运用了机械、电子、材料等学科的知识,被称为自数控技术以来,制造技术最大的突破。其成型过程是先由CAD软件设计出所需零件的计算机三维实体模型,即电子模型;然后按工艺要求将其按一定厚度分解成一系列“二维”截面,即把原来的三维电子模型变成二维平面信息;再将分层后的数据进行一定的处理,加入加工参数,生成数控代码,在计算机控制下,外围加工设备以平面方式有顺序地连续加工出每个薄层并叠加形成三维部件。这样就把复杂的三维成型问题变成了一系列简单的平面成型。
实践表明,该技术在缩短产品开发周期、降低开发成本方面效果极其明显。总体而言,该技术具有以下显著优势:高灵活性、技术高度集成、快速性、自由制造和广泛的材料。下面重点介绍八种典型的陶瓷快速无模成型工艺。
1.选择性激光烧结
在SLS中,首先将粉末附着在工作平台上,然后由计算机控制的激光束对特定区域的粉末进行扫描,使该区域的粉末受热熔化,然后一层一层粘结固化。当这一层扫描完后,再添加一层新的粉末,继续重复上述工作,最终形成一个三维零件。一般SLS加工的陶瓷坯体致密化程度较低,需要后续的烧结处理。
2.三维打印和成型(3DP)
3DP的成型工艺与SLS类似,只是SLS中的激光改为喷墨打印机的喷射结合剂。该技术在制造致密陶瓷零件方面有很大的难度,但在制造多孔陶瓷零件(如金属陶瓷复合材料的多孔坯料或陶瓷模具等)方面有很大的优势。).
3.熔融沉积成型
FDC生产效率高,但表面精度低。在FDC中,陶瓷粉末通常与特殊的粘合剂混合并挤压成细丝。长丝由计算机控制送入熔化器,在略高于其熔点的温度下熔化,然后从喷嘴挤出到成型平面上。通过控制喷嘴在x-y方向上的运动和工作台在Z方向上的运动,可以实现三维零件的成型。这种工艺对蚕丝有严格的要求,要求适当的粘度、柔韧性、弹性模量、强度和粘合性能。
4.分层制造成型(LOM)
LOM工艺通过在x-y方向移动激光来切割每层板材。完成每一层的切割,控制工作台在Z方向的移动,叠加一层新的板材。激光的运动由计算机控制。与这些层的结合可以通过粘合剂或热压结合。由于这种方法只需要切割轮廓线,成型速度快,非常适合制造层状复合材料。用于叠加的陶瓷材料一般是铸造的薄材料。
5.立体光刻术
首先,将陶瓷粉末和光固化树脂混合制成陶瓷浆料。在涂布平台上,溶液的表面被由计算机控制的紫外线选择性地照射。含陶瓷的溶液被光聚合以形成与聚合物结合的陶瓷体。通过控制平台在Z方向上的移动,新的溶液层可以流到固化部件的表面。经过反复循环,最终可以形成所需的陶瓷坯体。
6.喷墨打印和成型(日本)
该技术是将待成型的陶瓷粉末和各种有机物制成陶瓷墨水,用打印机将陶瓷墨水打印在成型平面上成型。目前喷墨打印技术可以采用连续喷墨打印机和间歇喷墨打印机。连续喷墨打印技术成型效率高,而间歇打印技术油墨利用率高,可以方便地逐点控制陶瓷零件的成分。
7.选择性凝胶形成
该方法利用海藻酸钠的一价盐能溶于水,而高价盐能形成凝胶的原理制备陶瓷体。首先将海藻酸钠和陶瓷粉制成低粘度的水性浆料(固含量约为50vol%),然后用刮刀将浆料铺在工作平台上。利用喷墨打印技术,滴加高价阳离子的盐溶液(如CaCl2)引发浆料局部凝胶,通过计算机控制作用范围,即可形成所需形状。通过控制工作平台在Z方向上的位置,可以在平台上涂布新的一层浆料。通过重复该过程,可以最终形成所需的陶瓷体。
8.激光选择性气相沉积成型(SALD)
计算机控制的激光束用于为气体提供反应区域。反应气体(如含碳气体CH4、C2H2等。)沉积在衬底上以获得元件。这种技术能够将简单的陶瓷部件成型为复杂的陶瓷部件。
总结:
快速成型是未来材料制造的发展趋势。虽然目前有很多困难,特别是工业化,但随着科技的不断发展,特别是信息技术的发展,制造业的融合将进一步推进,这些困难有望得到解决。