近幾個月來，陶瓷材料的應(yīng)用比以往任何時候都更受關(guān)注。這是由于一系列的趨勢：一方面，一些AM技術(shù)現(xiàn)在能夠加工高級陶瓷材料，另一方面，現(xiàn)在有低成本的技術(shù)，能夠使用陶瓷材料作為終端用途的理想材料，使用，生物相容性甚至食品相容的產(chǎn)品。陶瓷技術(shù)能夠提供理想的機械性能和3D打印功能，可以在復(fù)雜的高分辨率幾何形狀中塑造陶瓷部件，這在過去是不可能的。
隨著更大的工業(yè)集團直接參與陶瓷3D打印技術(shù)的研究，SmarTech出版公司(AM行業(yè)領(lǐng)先的市場預(yù)測公司)正在預(yù)測Ceramics AM市場，包括硬件，軟件，材料和應(yīng)用(技術(shù)和傳統(tǒng))到2027年將達到10億美元，在航空航天，醫(yī)療，工業(yè)制造甚至消費品領(lǐng)域迅速普及。出于這些原因，3DPMN本月推出了陶瓷AM行業(yè)焦點，專門設(shè)立了 焦點組，專門針對陶瓷增材制造的所有技術(shù)，應(yīng)用和市場演變。在下面的兩部分文章，Rachel Park 將在領(lǐng)先的工藝和主要的新應(yīng)用方面探索陶瓷3D打印世界的最新發(fā)展。
——3D打印媒體網(wǎng)絡(luò)首席執(zhí)行官Davide Sher
背景介紹
早在公元前12000年，陶器作為人類歷史上的一種功能性材料被深深地植入陶器的陶器中。工業(yè)陶瓷材料可以追溯到20世紀初，陶瓷被廣泛用于室內(nèi)管道，下水道瓷磚，浴室和廚房設(shè)備。
作為一個基本的定義，陶瓷材料是無機的非固體金屬材料，通常至少30%是結(jié)晶的。自然產(chǎn)生的粘土傳統(tǒng)上是陶瓷材料的基礎(chǔ)材料，并且仍然占主導(dǎo)地位，但它不是當今所有陶瓷材料的基本要求。
陶瓷材料一般可以分為四種方式：
結(jié)構(gòu)陶瓷 - 用于建筑磚，管和屋頂/地磚等
耐火陶瓷 - 用于制造鋼和玻璃的窯襯和坩堝。
白色 家具 - 包括餐具，裝飾瓷磚，藝術(shù)品和浴室家具(廁所/水槽等)。
技術(shù)陶瓷 - 先進的陶瓷材料，具有高度的機械，化學(xué)，熱和電阻性，通常用于航空，汽車，軍事和醫(yī)療應(yīng)用; 一般來說，不含粘土。
在3D打印和增材制造領(lǐng)域，與聚合物和金屬材料類別相比，陶瓷材料仍在追趕上。在陶瓷3D打印方面，已經(jīng)并將繼續(xù)進行重大的研究和增加商業(yè)用途，但是還沒有像其他材料類別那樣普及。
由Tethon3D的粘結(jié)劑噴射技術(shù)生產(chǎn)的陶瓷部件，在Zcorp系統(tǒng)上使用Tethonite粉末
另一種是由Nervous系統(tǒng)使用Porcelite材料在Formlabs系統(tǒng)上進行立體平版打印
用于3D打印的陶瓷材料的特別之處在于后期制作，從3D打印機取出的部件需要經(jīng)歷與使用傳統(tǒng)生產(chǎn)方法生產(chǎn)的任何陶瓷部件相同的二次加工 - 即燒制(也稱為燒結(jié))和上釉(取決于應(yīng)用)。整個過程的3D打印階段是產(chǎn)生所需的部件形狀，由于陶瓷材料的性質(zhì)，它保持脆弱的狀態(tài) - 被稱為綠色部分。典型地在大于800℃的溫度下的燒結(jié)或燒制的二次過程基本上是向部件添加“強度”并且確定材料的最終性能的地方。
WASP的陶瓷3D打印的藝術(shù)
來自Vorm VRIJ的多材料陶瓷部件
如前所述，陶瓷3D打印已經(jīng)在過去十年中引起了越來越多的研究和新的商業(yè)實體的關(guān)注，其中包括硬件和工藝開發(fā)，材料開發(fā)，應(yīng)用開發(fā)，以及提供商業(yè)可用和專有陶瓷3D打印服務(wù)的專業(yè)化服務(wù)的出現(xiàn)。
目前有三種主要的3D打印工藝可用于陶瓷材料，即粘合劑噴射，材料擠出和槽式光聚合方法，即立體光固化(SLA)和數(shù)字光處理(DLP)。
陶瓷的粘合劑噴射可用于加工工業(yè)(技術(shù))陶瓷材料的粘合劑噴射系統(tǒng)的主要3D打印硬件供應(yīng)商包括3D Systems(通過之前收購ZCorporation以及后續(xù)開發(fā)); Voxeljet和ExOne。這個過程取決于技術(shù)陶瓷材料的粉末床和選擇性地結(jié)合粉末的液體粘合劑材料。
DG Shape(之前由Roland DG運營)是另一家正在開發(fā)用于3D打印陶瓷材料的粘合劑噴射系統(tǒng)的硬件供應(yīng)商。原型版去年在formnext展出。
Johnson Matthey(JM)指出，另一家最近出現(xiàn)的基于粘合劑噴射工藝的商業(yè)增材制造主張。慶祝其成立200周年之際，JM的做法，是由于用戶的演變。作為原型制造應(yīng)用領(lǐng)域的3D打印技術(shù)的長期用戶，自2009年以來，公司已經(jīng)投入巨資開發(fā)了專有的粘結(jié)劑噴射工藝，用于其大批量應(yīng)用 - 催化劑的生產(chǎn)以及專有工業(yè)陶瓷材料的開發(fā)。該公司目前正在擴大內(nèi)部3D打印生產(chǎn)應(yīng)用，并向工業(yè)合作伙伴提供服務(wù)和支持。
JM應(yīng)用程序的有趣之處在于，該公司引用了比其他增材制造工藝更容易地擴大粘合劑噴射工藝的能力，其中部件的強度等于或高于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法。而且，通常被認為是陶瓷AM-孔隙率的限制的特性實際上對于生產(chǎn)催化劑是有利的。
陶瓷材料擠壓
材料擠壓工藝是3D打印工藝中應(yīng)用最為廣泛的一種，適用于低成本臺式系統(tǒng)和大型工業(yè)機器。用于各種不同材料的不同擠出機的開發(fā)還包括粘土和陶瓷填充聚合物。
意大利WASP組織也許是最廣泛地展示了使用擠壓工藝進行陶瓷材料3D打印的能力和潛力的公司。WASP最終的目標是開發(fā)大型3D打印機，用于生產(chǎn)低成本的可持續(xù)住房項目，使用來自住宅區(qū)域的大量供應(yīng)材料。公司正在開發(fā)的關(guān)鍵是可調(diào)流體密度擠出機的開發(fā) - 液體沉積模型(LDM)WASP擠出機 與陶土，陶瓷，瓷器，氧化鋁，鋯和高級陶瓷相容“。
其他已經(jīng)開發(fā)了陶瓷材料桌面擠壓系統(tǒng)的公司包括VORM VRIJ，它已經(jīng)開發(fā)了LUTUM系列粘土三維打印機，帶有FFD 150H系統(tǒng)的3D Figo，以及最近的DeltaBots的3D Potterbot 7和Clay XYZ打印機。上個月在Kickstarter上成功獲得了資助。
WASP的陶瓷3D打印的藝術(shù)
來自Vorm VRIJ的多材料陶瓷部件
VIVJ VIRJ是荷蘭的一個夫妻團隊，其職責與WASP相似，主要受可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動，但也明顯側(cè)重于藝術(shù)和設(shè)計。LUTUM系列有三臺3D打印機LUTUM mini，帶有一個單一的擠出機和45 x 44 x 45厘米的構(gòu)建體積; LUTUM MXL，建造體積為45 x 44 x 75厘米，標配單臺擠出機，但可配置雙重擠出機; 和用于雙色打印的雙擠出機的LUTUM雙(實驗)系統(tǒng)。
根據(jù)該公司的說法，DeltaBots 的3D Potterbot 7可以在Z軸上打印高達36英寸的“厚粘土”陶瓷產(chǎn)品。這種功能再一次由專有的擠出機實現(xiàn)，該擠出機的特點是噴嘴尺寸在1mm到16mm之間。
Figo-3D開發(fā)了FFD 150H 3D打印系統(tǒng)，其中FFD是熔融原料沉積的首字母縮略詞。該系統(tǒng)的前提是，它可以處理基于CIM和MIM的立場的陶瓷和金屬材料，根據(jù)該公司。FFD 150 H的構(gòu)建體積為15 x 15 x 12厘米。
光聚合方式
作為SLA工藝的創(chuàng)始者，3D Systems可以提供了一系列陶瓷填充的SLA樹脂。
法國3D Ceram公司已經(jīng)開發(fā)了專門用于3D打印光固化陶瓷漿料(氧化鋁，氧化鋯或羥基磷灰石(HA))的硬件系統(tǒng)。Ceramaker 900系統(tǒng)既提供銷售和服務(wù)，并建立30×30×11厘米的體積，分辨率下降到25微米。
像3D Ceram一樣，荷蘭的ADMATEC開發(fā)了基于其ADMAFLEX技術(shù)的專有硬件，用DLP工藝和填充樹脂(氧化鋁/氧化鋯/熔融石英)生產(chǎn)高密度陶瓷元件。聲稱密度> 99%以上，這個過程最初(并繼續(xù))作為一種服務(wù)提供，但自2016年以來已經(jīng)可以以ADMAFLEX 130系統(tǒng)的形式購買。
Lithoz LCM系統(tǒng)
3D Ceram最大的Ceramaker
位于奧地利的Lithoz也有類似的背景，他們在尋求3D打印陶瓷公司的發(fā)展歷史模式的情況下，Lithoz專注于陶瓷制造的整個價值鏈，包括硬件，軟件，專門開發(fā)的陶瓷材料和服務(wù)。高性能陶瓷專有的Lithoz AM工藝被稱為基于平版打印的陶瓷制造(LCM)，并使用技術(shù)性的高性能陶瓷材料生產(chǎn)與傳統(tǒng)成型零件相同材料特性的零件。這一進程的商業(yè)化是在2006年在維也納圖恩舉行的一個項目的結(jié)果。
Lithoz LCM系統(tǒng)
3D Ceram最大的Ceramaker
在工藝創(chuàng)新方面，基于以色列的XJet正在基于其專有的NanoParticle噴射技術(shù)，將直接的陶瓷噴墨打印系統(tǒng)商業(yè)化。實質(zhì)上，這個過程噴射含有陶瓷納米顆粒的超薄液滴層，沉積在系統(tǒng)構(gòu)建托盤上，當分散液體由于過程的極高溫度而蒸發(fā)時，直接生成陶瓷部件。有趣的是，我們了解到XJet進入陶瓷行業(yè)的主要驅(qū)動力來自牙科行業(yè)，這可能是一個主導(dǎo)應(yīng)用。
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