Desktop Metal利用粘合剂喷射技术优化功能陶瓷部件生产，效率较LPBF提升100倍

时间：2024-08-16 09:43 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：增材制造已成为制造功能陶瓷部件最有效的方法之一。作为一种材料组，功能陶瓷具有出色的硬度和耐高温性，以及出色的耐腐蚀和耐磨性。然而，这些相同的特性也成为传统生产工艺加工面临的主要挑战，因为这些材料难以切割和成型，并且需要比钛更高的温度才能熔化。因此，增材制造（尤其是粘合剂喷射）技术为那些寻求利用功能陶瓷有益特性的人们提供了新的机会，从研发到航空航天、常规制造等行业，同时仍能保持高效的生产周期和成本。

2024年8月14日，桌面金属（Desktop Metal）基于其专利的 Triple ACT粘合剂喷射解决方案，能够实现各种材料的加工处理，从复合材料和金属到最坚硬的功能陶瓷，如碳化硅 (SiC) 和碳化钨钴 (WC-Co)。该技术还以其快速的打印速度而闻名（能够以比 LPBF 系统快 100 倍的速度生产零件），并且可以打印具有严格公差的复杂几何形状（尺寸公差低于 1%，可实现优化生产运行）。

在本文中，我们将进一步探讨粘合剂喷射对功能陶瓷生产的好处，并通过与 TECNALIA 和 SENER Aerospacial 合作开展的航空航天行业案例研究以及依赖该公司陶瓷粘合剂喷射解决方案的其他用例来说明 Desktop Metal 先进的陶瓷粘合剂喷射能力。

用于太空应用的碳化硅 (Si-SiC)

TECNALIA 是一家位于西班牙的欧洲基准研究和技术开发中心，已成为 Desktop Metal 在功能陶瓷粘合剂喷射方面的重大合作伙伴。该中心由一支对陶瓷等先进材料有深入了解的团队运营，受邀支持工程公司 SENER Aerospacial 和欧洲航天局 (ESA) 开发优化的卫星光学支架。

△针对增材制造进行优化的设计使质量减少了 15%，而采用粘合剂喷射进行优化的生产使最终抛光时间减少了 35%。

双方此次合作的目的是找到一种生产工艺，使制造出的部件能够承受太空的恶劣条件，提供高尺寸精度、高热膨胀系数 (CTE) 和整体坚固的机械性能。最重要的是，航空航天合作伙伴希望尽量减轻部件的重量，以降低有效载荷的成本。因此，碳化硅 (SiC) 是一种由硅和碳的化合物制成的坚硬而轻质的功能陶瓷，是该应用的不二之选。

尽管如此，由于碳化硅材料硬度极高，传统的制造工艺在尝试成型时会面临挑战。TECNALIA项目经理兼小组组长 Iñigo Agote 博士表示：“使用冷成型和烧结等更传统的生产工艺时，形状复杂程度会受到限制。如果几何形状复杂，零件需要最终加工，而加工碳化硅等陶瓷是一项艰难而昂贵的过程。”

因此，人们开始探索增材制造作为形成 SiC 部件的一种选择，最终发现粘合剂喷射是最可行的工艺。这是因为在处理 SiC 时，粘合剂喷射不会面临与其他增材制造工艺相同的问题。例如，需要固化的技术（如SLA）不适合 SiC，因为粉末的深色不会通过紫外线固化，而基于激光的工艺不可行，因为熔化材料需要高温。

Triple ACT 粘合剂喷射技术

随着粘合剂喷射技术被确立为明确的前进方向，TECNALIA 开始使用Desktop Metal 的 InnoventX 系统来确定最佳的 SiC 粉末和工艺控制，这是一种自 2016 年以来就已投放市场的紧凑型系统。InnoventX 是 Desktop Metal X 系列的一部分，基于该公司获得专利的 Triple ACT 粘合剂喷射技术。

Triple ACT（先进压实技术）是一种粘合剂喷射方法，可以加工多种优质材料，从铝和铜到金属陶瓷，再到SiC 等功能陶瓷。这种多功能性是通过使用多种技术来解决粉末分配、铺展和压实问题，从而促进薄而均匀的粉末层的沉积而实现的。

Triple ACT 技术的第一步是独特的分配过程，该过程采用料斗设计，配有超声波振动分配筛，可确保整个打印床上的粉末剂量可控。该筛还可以根据不同流动性水平的粉末进行调整（即较细的粉末流动性较差，而较粗的粉末流动性好但烧结难度更大）。第二步是铺展，由具有独特滚花设计的滚筒进行，该滚筒将粉末均匀地铺在打印床上，而不会压实。最后，Desktop Metal 开发了一种压实滚筒，可将粉末颗粒压在一起，而不会影响下面的层，也不会移动均匀铺展的粉末。

虽然 InnoventX 非常适合材料开发和产品开发，但一旦应用程序准备好扩展，Desktop Metal 的 X 系列中还有其他系统可以满足更高的生产需求。具体来说，X25 Pro 是一款中型粘合剂喷射系统，构建尺寸为 400 x 250 x 250 毫米，而更大的 X160 Pro 的构建体积高达 800 x 500 x 400 毫米。

节省重量和成本

在开发 SiC 卫星光学支架时，TECNALIA首先评估了一系列 SiC 粉末等级，比较了它们的流变性能以及豪斯纳比和粘结指数。这些不同测试的结果使 TECNALIA 能够确定功能陶瓷的最佳粉末等级，该等级既可打印，又具有烧结后最小的收缩性。此次探索的关键是 InnoventX 的可定制打印参数，这使 TECNALIA 团队能够找到适合相关应用的正确打印设置。最终，仅用三个小时就可以打印出近净形状的卫星光学支架。

TECNALIA 还利用了粘合剂喷射陶瓷部件的多种后处理选项，采用聚合物浸渍和热解 (PIP) 循环和毛细管液态硅渗透 (CLSI) 来提高最终部件的致密化程度。对于其他类型的应用，Desktop Metal SiC 部件还可以通过许多其他方式进行处理，包括反应结合SiC (RBSiC)；SiC 气相沉积 (PVD 或 CVI)；SiC 液态金属渗透(SiSiC 或 AlSiC)；SiC 结合（使用氮化物或莫来石等材料，通常用于增强性能）；和 SiC 完全烧结。在 PIP 和CLSI 之后，TECNALIA 采用了抛光等最后步骤，由于打印的表面质量良好，抛光所用时间比传统 SiC 部件节省 35%。

最终，TECNALIA 能够交付符合CTE 规格的 Si-SiC 部件，同时还具有各向同性特性，并且没有残余应力。在轻量化方面，3D 打印设计可节省 15% 的质量，这将对太空任务的有效载荷成本产生影响。Agote 博士总结了该案例研究：“粘合剂喷射工艺使我们能够获得接近最终组件几何形状和表面质量规格的部件，这大大降低了与最终操作相关的成本。”

目前，TECNALIA 正在继续致力于利用 InnoventX 平台开发用于粘合剂喷射的 SiC 材料以及其他功能陶瓷，如碳化钨-钴 (WC-Co) 和氧化铝。

新应用、新材料等

而 Desktop Metal则正在与其他客户和合作伙伴合作开发功能陶瓷粘合剂喷射应用。例如，该公司最近公布了一个由法国 Norimat 牵头的项目，该项目支持创新的 FAST/SPS 工艺（场辅助烧结技术/放电等离子烧结）。Norimat 一直在使用 Desktop Metal 的 InnoventX 系统和碳化硅粉末来生产许多高要求组件，包括涡轮叶片、格构齿轮和切削刀具。然后，Norimat 正在使用其 SPS 技术以高效的方式使打印组件致密化，而无需任何后处理渗透。

△高性能的SiC组件，包括涡轮叶片、格子齿轮、切削工具等，由客户Norimat在InnoventX上生产，采用火花等离子体烧结（SPS）技术来致密化部件。

3D 打印碳化硅的另一个值得注意的应用正在由 Ultra Safe Nuclear (USNC) 开发，涉及设计由核级 SiC 粉末制成的定制部件来包围核燃料颗粒。

碳化钨-钴 (WC-Co) 是一种由硬质陶瓷（碳化钨）和钴金属组合而成的金属陶瓷，也可以使用 Desktop Metal 的粘合剂喷射技术进行加工。由于其坚硬的特性，这种材料可用于机械加工和制造，尤其适用于生产切削或钻孔工具。除了 SiC 业务外，TECNALIA 还致力于 WC-Co 并开发具有内置冷却通道和定制几何形状的钻孔工具。FraunhoferIKTS 也在研究粘合剂喷射和 WC-Co，特别关注“WC-Co起始粉末的不同形态、使用 [粘合剂喷射] 的可加工性以及烧结部件的最终机械性能之间的相关性”。具体而言，研究人员发现增材制造专用 WC-Co 粉末和商用 WC-Co 起始材料均适用于粘合剂喷射。

△无法通过常规方式制造的随形冷却通道可以轻松集成到粘合剂喷射 3D 打印 WC-Co 工具中，例如使用 TECNALIA 的 InnoventX 生产的这种钻头。

Desktop Metal 本身也在位于德国格斯托芬的欧洲总部推进陶瓷增材制造应用。在那里，各种粘合剂喷射打印系统使扩大陶瓷应用成为可能。

其他基于陶瓷的材料，包括氧化铝 (Al₂O₃)、氮化铝 (AlN)、铝渗透碳化硼(B4C)、浓缩碳化硼 (10B4C)、氮化硼 (BN)、碳 (C)、玻璃 (SiO2) 和石英砂（天然和合成），也可以使用桌面金属粘合剂喷射进行 3D 打印，并且研发客户可以获得进一步的陶瓷粉末。

最终，使用 Desktop Metal 的粘合剂喷射技术打印功能陶瓷（甚至是传统上具有挑战性的功能陶瓷）的能力正在为陶瓷 AM 开辟一个新的领域，可以为先进制造业开辟许多令人兴奋的新应用。

本文最初发表于 VoxelMatters 的 VM Focus Ceramics 电子书。点击此链接可免费阅读或下载完整电子书：https://www.voxelmatters.com/wp-content/uploads/2024/07/VoxelMatters-VMFocus2024-eBook-Ceramic-AM.pdf

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