基于胶态法的陶瓷件快速成形技术发展现状与展望

花拥斌 刘玉涛 宁 翔 朱祚祥 程章云 徐佳杰/景德镇陶瓷大学机械电子工程学院

基于胶态法的陶瓷件快速成形技术发展现状与展望

花拥斌 刘玉涛 宁 翔 朱祚祥 程章云 徐佳杰/景德镇陶瓷大学机械电子工程学院

本文着重介绍了各种胶态法陶瓷快速成形技术的成形机理、工艺流程、发展现状，采用对比分析各种胶态法快速成形技术制备陶瓷件的优缺点，供胶态法快速成形技术制备陶瓷件提供可靠的依据，并对胶态法陶瓷件快速成形技术的未来发展做了简单预判。

胶态法快速成形；陶瓷件；发展现状；展望

前言

高性能陶瓷件具有强度高、硬度大、耐高温好、抗氧化等众多特点，在航空航天、大型船舶、汽车制造业等具有广泛的应用前景[1]。由于陶瓷件在成形过程中容易产生瑕疵，且陶瓷件的韧性差、难加工等特点，很难制备高精度复杂件陶瓷零件。胶态法快速成形制备技术可很好地解决高精度复杂件陶瓷的制备问题[2]。

1.胶态法陶瓷件成形技术发展现状

胶态法陶瓷成形技术通过制备粘度高、固相体积分数高的稠状体，从而制备密度高、强度大、均匀性好的陶瓷坯体，待烧结成瓷制品。但是，传统的胶态法陶瓷成形技术需要依赖模具的限制，特别是一些复杂的陶瓷件，其模具制备周期长、成本高、成品率低等缺陷，严重制约了高性能复杂陶瓷件的应用推广。快速成形技术的诞生为高性能复杂陶瓷件的制备带来新的发展方向，该技术最大的优势在于无需模具限制，且生产周期短、成本低，是未来高性能复杂陶瓷件制备技术的发展方向。

2.快速成形技术成形机理

快速成形技术是借助于CAD/CAM技术建立三维实体模型，通过逐点、逐面方式堆积成实体物件的过程，亦也称快速原型制造技术。快速成形技术成形机理是依据制品三维实体模型，经软件数据处理后，将三维实体模型数据转换为层层薄片堆积；通过快速成形系统堆积成一系列薄片状实体，并最终实现层层薄片实体堆积成三维实体物件的过程[3-4]。

随着快速成形技术的快速发展，可选择的成形原料有金属粉体、树脂、塑料、石膏粉体、陶瓷粉体和陶瓷料浆等。特别是在高性能复杂陶瓷的制备方面，攻克了陶瓷件高硬度、难加工的特点，采用陶瓷料浆的胶态法成形技术可实现陶瓷坯体的快速成形，经烧结可实现陶瓷制品[5-6]。

3.胶态法陶瓷快速成形技术

3.1陶瓷直写成形技术

通过计算机控制沉积一定固含量的陶瓷浆料制备一层特定形状的陶瓷浆料层，经过较短时间的干燥完成液态向固态的转变，获得所需要形状的第一层结构，然后逐层叠加得到三维制件。经过多年的发展，直写技术已经发展了相对成熟的陶瓷粉体分散剂、粘结剂，并用于制备三维尺寸陶瓷零件。直写技术是目前发展的可以利用低有机物含量的陶瓷浆料进行三维复杂结构生坯成形的胶态无模成形技术之一，特别在医用生物工程材料中是目前研究的热点。该技术制作的网格型框架骨结构由于内部可以植入生物因子和人体相容性较好。

3.2陶瓷喷墨打印成形技术

陶瓷喷墨打印成形有两种形式：其一是将待成形的陶瓷粉末铺到工作台上，通过喷嘴将粘结剂喷到选定区域，喷有粘结剂的粉末会粘结在一起形成一层，然后铺设新一层粉末，刮平后再喷粘结剂，逐层累积得到三维零件；另外还有一种方法是将陶瓷粉体与各种有机物配制成陶瓷墨水，通过打印机将陶瓷墨水打印到成形平面上成形。喷墨打印技术通过很细的喷嘴来喷射粘结剂或陶瓷墨水，可以使用多个喷嘴喷射不同成分和颜色的材料，因此对于零部件局部结构的控制有着独特的优势。

3.3陶瓷熔融沉积成形技术

陶瓷熔融沉积成形技术是由FDM(Fused Deposition Molding)技术发展而来的。在FDM中，以热塑性丝状材料为原料，细丝通过可在X-Y方向上移动的液化器熔化后由喷嘴喷出，根据所设计部件的每一层形状，逐条线、逐层的堆积出部件。FDC通常将陶瓷粉体与特制的粘结剂混合，用挤出机或毛细管流变仪做成细丝，然后用FDM设备做成陶瓷件生坯，通过去除粘结剂和陶瓷生坯的烧结，得到较高致密度的陶瓷件。该技术对细丝要求较为严格，需要合适的粘度、柔韧性、弹性模量、强度和结合性能。由于陶瓷材料制作细丝难度比金属大很多，因此发展浆料材料是替代FDC的发展方向，该技术与直写技术不同是在喷嘴处需要加热。通常采用混有有机粘结剂的陶瓷颗粒，经过加热粘结剂融化粘连陶瓷颗粒，并带动陶瓷颗粒流动成形。

3.4 陶瓷立体光刻成形技术

立体光刻成形技术最初主要应用于高分子的成形，通过紫外光逐层固化液体树脂来制造三维零件，而将其用于陶瓷部件成形的研究则是在20世纪90年代后期展开的。目前，主要有以下两种方式：直接法在制备陶瓷部件时首先将陶瓷粉与可光固化的树脂混合制成陶瓷料浆铺展在工作平台上，通过计算机控制紫外线选择性照射溶液表面。间接法在使用该法先制作出树脂模型，然后将陶瓷浆料注入到模型型腔中，待浆料凝固后得到陶瓷件坯体。该方法适合于与树脂难熔指数差值较大的陶瓷材料。

3.5陶瓷形状沉积成形技术

陶瓷形状沉积成形技术是20世纪90年代由Carnegie Mellon大学等和Stanford大学联合提出的。SDM采用逐层叠材的方法，在层内应用了去除成形和浇注成形结合的方法。Stanford大学Sangyun Kang等采用SDM方法制作了Si3N4陶瓷涡轮发动机，对成形后的制品进行了机械性能分析，并与SDM技术成形零件进行了比较。Jurgen Stampfl等利用形状沉积制模法来快速制造牺牲模，然后配制低粘度高固相含量的陶瓷浆料并将其注入牺牲模，利用其胶凝特性快速原位固化成形。

3.6陶瓷层合实体成形技术

该技术加工具体过程：先将陶瓷粉体含量70％～90％的石蜡加热到70～110℃熔化，使其流入一定形状的模具中，再用蜡辊将石蜡压成厚度为0.1～2.0㎜的薄片。在计算机控制下用精度较高的热敏刀具将蜡层需要挖空的部分刻蚀，雕刻下来的石蜡用鼓风机吹走。将已熔好的含有陶瓷粉的蜡料倾倒在先前制备好的蜡板上，待蜡料填平蜡板的凹处后，用热的刮刀将蜡板薄层上多余的蜡料刮掉。重复以上步骤，逐层累积得到原型，最后将坯体排蜡烧结。

4.结束语

在陶瓷领域中使用RP技术可以制备出复杂的陶瓷零件，其中基于陶瓷浆料液固转变的胶态成形技术是各种RP技术中具有明显优势一种方法，该技术成形零件致密度较高，后期可加工能力强，对于复杂高精度零件的制备有重要意义，但由于引进有机单体作引发剂或粘结剂，后期烧结或脱胶后会出现气孔等缺陷。另外还面临成形精度不理想、成形设备昂贵、成形材料有限等问题。这些都无疑制约了快速成形技术在陶瓷胶态成形中的应用。

[1]周竹发,王淑梅,吴铭敏,等.陶瓷现代成型技术的研究进展[J].中国陶瓷,2007, 43(12):3-8.

[2]谢志鹏,薄铁柱.先进陶瓷快速无模成型技术的研究与进展[J].中国陶瓷工业,2011(2):16-21.

[3]杨万莉,王秀峰,江红涛,等.基于快速成型技术的陶瓷零件无模制造[J].材料导报,2006,20(12):92-95.

[4]周伟召,李涤尘,陈张伟,等.陶瓷浆料光固化快速成形特性研究及其工程应用[J].航空制造技术, 2010(8):36-42.

[5]徐文杰,王秀峰,于成龙,等.陶瓷零件胶态快速成形技术研究新进展[J].陶瓷,2009(3):10-15.

[6]左开慧,姚冬旭,夏咏锋,等.应用于陶瓷材料的快速成型技术的发展[J].中国材料进展,2015,34(12):921-927.