高壁厚、大尺寸、高致密:LIS技术将改变陶瓷3D打印 

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发布时间: 2022-06-06 17:56
目前,3D打印高性能陶瓷的主要工艺是立体光刻(SLA)和粘结剂喷射(BJ),这两种技术具有不同的优势,对于陶瓷3D打印的发展都做出了重要贡献。然而,这些3D打印技术仍然具有一定的局限性,因为在烧结阶段不能完全排胶,所以无法生产高壁厚、大尺寸、完全致密的氧化物陶瓷产品。

2022年6月2日,Lithoz(俐陶智)全球同步发布全新的陶瓷3D打印机CeraMax Vario V900,由于使用水基浆料,有机粘合剂的含量低至2-3%,它能够生产完全致密的大尺寸、壁厚可达40mm的陶瓷部件,这是陶瓷制造技术的新突破。
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这款新设备采用LIS(Laser Induced Slip Casting)激光诱导注浆成型技术,可以打印出各类工业应用的陶瓷产品,而且与传统陶瓷加工方法相比还具有一定的经济优势。
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CeraMax Vario V900 陶瓷3D打印机,将尺寸、厚壁、完全致密等特性结合,可用于大型部件甚至黑色陶瓷打印,图片来源:Lithoz

LIS 激光诱导注浆成型技术原理及发展历程

LIS技术的研发最早开始于2017年,当时,Gunster教授团队在德国联邦材料研究与测试研究所(BAM)研究和测试 LSD分层浆料沉积工艺(Layer-wise Slurry Disposition)。LSD是一种基于粉末的选择性激光烧结工艺,但它同时使用干燥的陶瓷粉末和陶瓷浆液作为打印基材,这样更有利于沉积。

然而,用LSD工艺打印陶瓷还有一些问题,比如打印出的生坯对热非常敏感,因为浆料中含有较高比例的水分,在干燥过程中,水分蒸发得太快,有时会导致生坯爆裂。通过去除粉末层,将激光直接对准陶瓷浆料悬浮液,不仅简化了工艺流程,而且也使得生坯经过了加热,并且不会产生任何质量问题。改进后的技术就是我们所说的LIS工艺,这是一种全新的陶瓷增材制造(AM)技术形式。技术流程主要包含以下六个步骤:
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LIS工艺流程(BAM提供,J. Günster教授)
① 在成型平台上涂上一层浆料。
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②用波长为10.6 um的CO2激光器根据当前层的图案对浆料进行局部干燥。
③ 再铺上一层浆液。
④ 激光再次使浆液干燥。
⑤ 逐层重复上述过程,直到打印出所需几何形状的完整生坯。到这一步,生坯仍处于悬浮状态。
⑥  打印完最后一层后,打印平台抬起,多余的浆料流走,留下生坯。
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以上展示了LIS工艺的各个步骤,BAM团队表示这是 “一种新的增材制造方法”,可生成具有高颗粒堆积密度的陶瓷生坯,而且对原料的颗粒大小几乎没有限制 。因此,LIS技术可以直接加工工业陶瓷生产中经常使用的材料,比如氧化铝和氧化锆,甚至是氮化硅和碳化硅等陶瓷。

目前,CeraMax Vario V900设备提供了两种不同的打印尺寸,分别为100 mm x 100 mm或 250 mm x 250 mm (x/y)。
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CeraMaxVario V900打印平台,最大为 250 mm x 250 mm x 290 mm,图片:Lithoz

Lithoz表示,在设备正式发布之前,就有客户订购了四台 CeraMax Vario V900陶瓷3D打印机,这款设备的技术参数如下。
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LIS技术将改变陶瓷3D打印

如果将CeraMax Vario V900及LIS技术与现有的陶瓷3D打印机系统(SLA、BJ)对比,会发现它是一种制造高性能陶瓷部件的全新方法,为陶瓷的3D打印提供了新的可能性。主要有以下优势:

●使用水基浆料,有机粘合剂的含量低至2-3%。
●不需要额外排胶,因为粘合剂含量低
●可以打印氧化铝、氧化锆、以及氮化硅、碳化硅等深色陶瓷材料
●生坯可直接进行加工
●可以实现与传统工艺相同的壁厚
●收缩率可事先精确计算
●能够实现复杂的三维结构

LIS 工艺使用水基浆料,有机粘合剂含量极低仅为 2-3%。CO2激光通过局部加热来打印结构,热量会导致与粉浆浇注类似的致密化。此外,由于使用了水基、几乎不含有机物的悬浮液,LIS技术打印的生坯具有开放的微观孔隙结构。如果生坯以 2–3 K/min 的速度均匀加热,所含的少量有机物会完全排出,之后不再需要脱脂烧结环节。

使用 LIS  3D打印技术,可以很容易地生产出传统工艺(如粉浆浇注)才能实现的壁厚。LIS技术打印的陶瓷部件壁厚可达到约40mm,无论部件的尺寸是多少,最终产品致密度都非常好,这是陶瓷 3D 打印技术新的里程碑。
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正在沉积的新浆液层,层厚为300µm

LIS 工艺的另一个优势是可以对生坯进行铣削、磨削或钻孔,这与传统的陶瓷工艺相同。但利用3D 打印可以生产高度复杂的 3D 结构。CeraMax Vario V900 首次实现了使用增材制造工艺打印工业级高致密度的碳化硅。LIS技术为当今使用的增材制造技术谱系增加了一个新的维度。
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CeraMax Vario V900打印的氧化铝样品(a)碳化硅样品(b)的SEM图像
LIS技术将有效降低陶瓷打印成本

除了取得技术突破之外,Lithoz推出的CeraMax Vario V900打印机还能够降低陶瓷3D打印的成本。比如:

● 材料成本:现有成熟的陶瓷工业材料,只需为LIS工艺稍作调整即可使用,材料的单位成本与传统工艺几乎没有区别。
● 转换成本:生坯打印完成之后可以直接进入传统的后加工步骤,如干燥、精加工和烧结。因此,采用LIS技术只需要在生产工艺流程做少量变动。
● 时间成本:CeraMax Vario V900的打印速度很快,只需要大约30-40秒就能完成一层的打印。
● 模具成本:通过传统压制工艺生产陶瓷部件需要定制模具,模具投资约5000-20000欧元。使用LIS工艺可以省去模具成本,对于小批量生产或者原型制造尤为重要。
● 模具交付时间:除了模具的制造成本外,还可以省去约三至六周的模具交付时间。
● 初始制样成本:基于完全数字化的成型工艺,可以通过对材料特性的精确预测,从而有效避免了多次制样试验。
● 能源成本:由于收缩率可以精确计算,打印一个零件后只需要进行一次样品烧制,能源成本大大降低。
● 机器停机成本:减少传统工艺制样期间因为加压和更换模具所产生的停机成本。
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CeraMaxVario V900可以打印大尺寸、高完成度的陶瓷部件,图片来源:Lithoz

Lithoz表示:使用CeraMaxVario V900生产订单,从收到订单到成品部件,可以在一周内完成。CeraMax Vario V900能够快速地融入现有的陶瓷产业链,先进的制造成型过程能够使生产效率大大提升。打印出的零件可以很容易地进行后加工。可以广泛用于雷达罩、航空航天卫星镜,以及半导体和机械行业常用的部件如陶瓷环和喷嘴零件,甚至也包括卫浴产品和工艺品设计。
来源:Lithoz俐陶智
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