陶瓷3D打印技术在车辆装备底盘制造中的潜在应用

陈方杰 王 成 刘重发 刘 婧 康辰龙 张永锋

(陆军工程大学军械士官学校，湖北 武汉 430075)

车辆装备的底盘系统通常由动力装置、传操装置、行动装置和车体等组成，是实施机动和防护的重要系统，主要由金属材料制造而成。随着武器装备科学技术水平的快速发展，战争对车辆装备的性能提出了越来越严苛的要求，而金属材料发展至今已很难在性能上取得革命性的突破，亟需一种新材料来适应未来信息化战场的需要[1]。与金属材料相比，陶瓷材料具有低密度、耐高温、高耐磨性、高强度等优良特性，对减轻车辆装备自身重量、提高发动机热效率、延长易损件寿命具有积极意义，能在一定程度上提高装备的机动性能、增强战斗力，是最有发展前景的应用材料之一[2]。但由于底盘系统各组成的结构大多较为复杂，且陶瓷材料硬度高、脆性大，传统方法制造难度较高，又限制了陶瓷材料的进一步应用。陶瓷3D打印技术始于20世纪90年代，它是指将3D打印技术引入到陶瓷制品的成型中，既充分利用陶瓷材料的优异性能，又能发挥出3D打印技术不受复杂形状限制的优越性，有望在车辆装备底盘系统的制造中取得广泛的应用。

1 陶瓷3D打印技术概述

陶瓷3D打印技术突破了传统减材制造与等材制造的成型方法，利用层层叠加的思想，可直接生成陶瓷制品，而无需模具和其他辅助工具的参与，在快速制造高性能复杂形状零部件方面具有显著的优势[3-5]。按照陶瓷原料形态的不同，陶瓷3D打印技术大体可分为4种：基于粉材的3D打印技术、基于液材的3D打印技术、基于丝材的3D打印技术和基于片材的3D打印技术[6-7]。

1.1 基于粉材的陶瓷3D打印技术

目前，用陶瓷粉体作为原料的3D打印技术通常有以下几种，激光选区烧结(SLS)技术、激光选区熔化(SLM)技术和三维喷印(3DP)技术。

SLS的打印原理是在计算机的控制下，待成型粉末在激光束的作用下被选择性地烧结到一起，每扫描完一层，平台便会下降一个层厚的高度，同时铺上一层粉末，如此重复，最终制得所需形状的三维零件[8]。SLS成型设备的激光器功率较低，不足以直接烧结陶瓷原料，通常将低熔点高分子粘结剂与陶瓷粉末混合，利用粘结剂熔融后能够较好地浸润陶瓷颗粒的特性，将分散的陶瓷粉体粘结成素坯，再经过脱脂和高温烧结获得致密化产品。

SLM的打印原理与SLS技术基本相同，不同之处在于SLM采用的是高功率激光，能够直接烧结陶瓷原料，而不需要向原材料中添加粘结剂，也不需要其他的后处理工序来提高性能，大大缩短了制造周期。然而，由于陶瓷的抗热冲击性能较差，成型过程中产生的温度梯度很容易使制件产生气孔、裂纹等缺陷，表面质量和精度也不高[9]。

3DP最早是由Sachs等人应用于陶瓷坯体的成型，它是将粘结剂喷涂到特定区域，固化后将粉末粘结起来。与前述两种技术相比，3DP无需激光器，制造成本较低，但也存在成型精度不高、打印喷嘴容易堵塞等问题。

以上3种基于粉材的陶瓷3D打印技术具有共同的优势：(1)制造原料广泛。一般来讲，熔融后能产生原子间粘结的材料都可用作SLS粘结剂，任何具备“胶水”属性的材料都可用作3DP粘结剂，SLM则无需任何添加剂便能直接成型。(2)无需支撑结构，易于制造带有内腔的复杂结构制品。但由于三者的成型均只是粉末之间的粘结，因此制件表面相对粗糙。

1.2 基于液材的陶瓷3D打印技术

工业生产的陶瓷原料通常为粉状，用于陶瓷3D打印的液体浆料则是将陶瓷粉体与有机物液体混合制备而来，主要应用于立体光固化(SLA)技术、数字光处理(DLP)技术和浆料直写成型(DIW)技术。

SLA是利用紫外光对特定区域的液态光敏树脂进行照射来实现固化，依次逐层扫描，最终形成三维零件。DLP技术是在SLA的基础上发展而来，将原先点-线-面的固化方式优化成一次性面成型，成型速度更快，精度更高[10]。用于SLA和DLP的陶瓷液材均是以光敏树脂为载体，通过向其混入陶瓷粉体和少量的分散剂制备而成的陶瓷光敏浆料，因此具有一定毒性，不利于人体健康和环境保护。

DIW是一种无需紫外光或激光固化，也无需加热，在室温下便能制备零件的3D打印技术。它以高固相的陶瓷浆料为原料，在计算机的控制下将浆料挤出，反复的叠加增材，形成立体结构[11]。但由于受到喷嘴尺寸的限制，成型精度还有待进一步提高，可成型结构也有待进一步扩充。

1.3 基于丝材的陶瓷3D打印技术

陶瓷丝材是指将陶瓷粉末与高分子粘结剂材料混合制作成丝状，主要应用于陶瓷熔融沉积(FDC)技术。其成型原理是：通过加热器使低熔点的粘结剂熔融，再逐层打印，使陶瓷丝材粘结到一起获得实体零件[12]。该技术虽然成型简单，但打印速度较慢，打印精度低，可打印尺寸和制件性能均受到很大限制。

1.4 基于片材的陶瓷3D打印技术

使用陶瓷片材的3D打印技术主要是分层实体制造(LOM)技术，它先通过流延技术将陶瓷粉末制备成片材，再利用激光束进行逐层扫描和切割，层与层之间采用粘结剂或热熔胶进行粘结而成。由于采用面成型的方式，其打印效率较高，可成型大尺寸零件制品。但受到层间粘合效果的影响，LOM制品性能通常表现出各向异性。

对比上述4类、8种陶瓷3D打印技术可以看出，它们均能在不依赖模具的情况下制备复杂形状的陶瓷制品，且在打印成本、打印精度、成型周期和成型性能等方面各具优势，可根据实际应用产品的需求来选择合适的打印方式。

2 陶瓷3D打印技术在车辆装备底盘制造中的潜在应用

车辆装备的底盘系统作为承担机动和防护的重要系统，其性能直接影响着装备战斗力的发挥。陶瓷材料因具有低密度、耐高温、高耐磨性、高强度等优良特性，对提高车辆装备的性能、适应武器装备快速发展的步伐具有重要意义。然而，传统的陶瓷成型方法存在依赖模具、制造周期长、复杂结构难以加工甚至无法加工等问题，严重阻碍了高性能复杂结构部件的制造与应用。下面将从陶瓷3D打印技术在车辆装备底盘的整体化和关键零部件制造两个方面的潜在应用展开论述。

2.1 轻量化和整体化制造

陶瓷材料的密度低、质量小，如碳化硅的密度比铸铁小55%，也只比铝稍大。将传统金属零件替换为陶瓷零件制造，能够实现车辆装备的轻量化，有效提高灵活机动性。有资料显示，美军在一项将绝热机应用于车辆装备的研究中，研制成功了一款无冷却式陶瓷发动机，其体积和质量减小21%，且与安装有同功率的钢质发动机车辆相比，行驶速度也大大提高。另外，通过减少零件的装配结构来实现整体化制造，可进一步提高车辆装备轻量化程度，提高工作效率，这也是零件设计和发展的重要趋势[13]。陶瓷3D打印技术不受传统制造工艺的限制，可直接根据设计模型，一体化快速制造复杂结构陶瓷零件，在车辆装备底盘的轻量化和整体化制造方面具有广阔的应用前景。但3D打印陶瓷坯体的机械性能通常较差，整体大尺寸零件制造过程中极容易产生缺陷，有必要对材料配方、成型工艺及后处理方法等进行优化。

2.1.1 3D打印坯体缺陷控制

根据3D打印技术的不同，刚刚加工结束的陶瓷坯体一般具有较高的温度梯度或不稳定的水分散失速率，再加上层层叠加的加工特征，易产生较大的残余应力。如果成型工艺条件控制不当，陶瓷坯体，尤其是整体大尺寸坯体便会出现裂纹、翘曲、层间结合不良等缺陷。Goodridge R D选用不同粒度的陶瓷粉末进行颗粒级配的SLS实验，当粉末配比为1∶1时试样的强度最高，研究表明陶瓷材料性状对成型质量具有重要的影响[14]。除此之外，3D打印工艺参数的优化也能在一定程度上抑制坯体的不良缺陷。Qiu Yudi采用SLM技术成型Al2O3时发现，激光扫描速率过高或过低都会对坯体质量产生不利的影响，最终优化的扫描速率范围为150～400 mm/s(CO2激光器)[15]。广东工业大学伍尚华团队将PEG液体干燥法应用于SLA坯体的干燥阶段，成功制备出了无缺陷的氧化铝陶瓷刀具[16]。

2.1.2 陶瓷零件烧结缺陷控制

陶瓷烧结过程会产生较大的收缩，也易产生较大的残余应力，再加上陶瓷材料固有的脆性大，使得整体大尺寸零件在烧结阶段更容易产生裂纹、翘曲甚至坍塌的缺陷。降低烧结收缩的方法通常是对陶瓷坯体进行增密处理以及向原料中加入合适的添加剂。陈鹏以SiC-Al2O3-Y2O3造粒粉为原料，利用冷等静压技术对SLS坯体进行后处理，并结合液相烧结工艺在1 950 ℃下烧结2 h后制备出SiC陶瓷，其平均线性收缩率为14.53%[17]，低于未经冷等静压后处理的固相烧结SiC陶瓷的收缩率[18]，在一定程度上降低了陶瓷烧结体产生不良缺陷的风险。为了改善陶瓷脆性，通常是向基体材料中添加增强纤维，以使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分消除，提高材料对裂纹扩展的抗力，纤维增强陶瓷基复合材料往往具有更优异的性能[19]。还有研究表明，对陶瓷材料特性进行优化不仅能够降低烧结收缩率，还能实现致密烧结体的增强增韧。邢媛媛通过粗细粉体的颗粒级配，使得烧结收缩率显著减少至14.5%，粗粉的加入也使陶瓷的断裂模式由穿晶断裂转变为穿晶-沿晶断裂，断裂韧性提升17.1%[20]。

2.2 关键零部件制造

当前，研究学者们主要采用先部件后整机的方针，将重点转向几类关键零部件的制造，旨在充分发挥陶瓷材料的优良性能，尽早取得一定的应用和突破。

2.2.1 高温零部件制造

车辆装备的发动机是底盘系统的组成部分，也是整个车辆的“心脏”，为车辆的运动提供动力。目前，车辆装备所使用的燃气轮机或柴油机还是以金属材料为主，铝合金的耐热极限为350 ℃，钢和铸铁的为450 ℃，最好的超级耐热合金的耐温极限也不超过1 093 ℃，限制了发动机的使用温度，而且还要增设冷却装置进行冷却，使发动机的组成结构更加复杂[21]。

陶瓷材料的耐高温性能突出，用陶瓷来代替现行金属材料制造发动机的关键零部件，有利于增大发动机热效率、延长行驶里程，提高车辆装备的机动性。国内外均针对陶瓷材料在发动机上的应用开展了广泛的研究，其中应用于燃气轮机的零部件主要有：叶片、燃烧筒、套管等；应用于内燃机的零部件主要有：活塞、气缸套、配气机构等。但由于上述零部件的形状均相对复杂且陶瓷材料固有的脆性大，使得传统方法制造存在成本高、可靠性低的问题。奥达利Lithoz公司基于DLP技术成功制造出了氮化硅叶轮零件，氮化硅陶瓷的耐温性能较好，在1 400 ℃时强度仍高达700 MPa，能极大地提高发动机工作温度[12]。在国内，华中科技大学和武汉理工大学开展合作，对高温零部件陶瓷3D打印的成型工艺进行了较为系统的研究，他们使用碳化硅陶瓷粉末为原料，以酚醛树脂作为粘接剂，利用SLS技术，采用冷等静压和反应烧结工艺对坯体进行致密化处理，在对各工序条件进行优化的基础上，选用最佳的参数制备出了碳化硅叶片[22-23]。

2.2.2 耐磨零部件制造

轴承是一切旋转机械的灵魂，在车辆装备底盘系统的各组成中随处可见。但普通钢球轴承耐磨性差、抗压强度不高，使得在极端环境下的使用寿命严重降低。以氮化硅为典型代表的陶瓷球轴承具有重量轻、极限转速高、运转精度高等优点，从20世纪60年代开始便受到广泛关注[24]。众多实验研究也表明，氮化硅球轴承的疲劳可靠性要远高于钢制轴承，因此采用氮化硅球作为滚动体、合金钢为套圈的混合陶瓷轴承逐渐开始得到一定应用[25]。前装甲兵工程学院将氮化硅球轴承应用于某新型车辆装备的发动机涡轮增压器中，通过试验对比得出采用陶瓷球轴承后总效率提高了5%～8%，极限转速达到120 000 r/min[26]。氮化硅陶瓷球的精密制备是制造氮化硅球轴承的关键，陶瓷3D打印技术具有的一次加工、近净成型等特点为氮化硅陶瓷球的高性能、大规模生产提供了技术保障，其中SLA和DLP技术也更能满足精密件制备的要求。

车辆装备底盘的离合器和制动器均是保证车辆正常工作的关键部件，其内的摩擦片和制动瓦片需要具有耐磨损、耐热、抗氧化等优良性能。而现阶段摩擦片和制动瓦片的材料主要为铸铁，且多通过铸造成型制造，使得产品的密度大、性能低、缺陷多。碳纤维增强碳化硅(Cf/SiC)复合材料是一种纤维增强陶瓷基的高性能材料，与单相陶瓷相比具有更好的耐磨性和热稳定性，是制造摩擦片和制动瓦片的潜在应用材料。傅华等人采用SLS技术制备了Cf/SiC复合材料，通过探究材料制备和成型方法对性能的影响，对热性能及摩擦磨损性能也进行了深入研究，与传统陶瓷加工方法相比，获得的制品组织性能更加均匀，制造周期更短，实现了“材料-结构-功能”的一体化[19]。

2.2.3 高强度零部件制造

车辆装备的装甲是抵御弹药导弹攻击，提升战场生存力的重要保障。随着反装甲武器技术的快速发展，战争对装甲防护材料的性能要求也越来越高。陶瓷材料的高强度、高硬度和低密度的优异特性，使其成为国内外致力研究的装甲材料。相比于传统的均质钢装甲和各类特种防护装甲，陶瓷装甲的防护性能显著提升。目前应用于车辆装备防护系统的陶瓷材料主要有Al2O3、SiC、TiB2、B4C和AlN。Jamese B对上述5种材料的陶瓷装甲进行了打靶测试，研究表明TiB2和B4C陶瓷的抗弹性能较好，但由于成本相对较高，因此其应用远不及Al2O3和SiC陶瓷普遍[27]。Klosterman D A以SiC粉末、高分子粘结剂和其他添加剂为原材料，利用LOM技术成功制备了SiC防弹陶瓷坯体[28]。

陶瓷作为一种脆性材料，在遭受弹体冲击时容易发生破碎，单独应用于装甲结构中很难达到满意的防护效果，通常与其他材料复合使用[29]。复合装甲是指由两层以上不同性能的材料组成的非均质装甲。在此基础上，又逐渐衍生出梯度装甲和层状仿生装甲，装甲的综合防护性能均大大提高[30-31]。梯度装甲要求材料的组成成分、显微结构等是连续变化的，使其抗弹性能及机械强度也是逐渐变化，从而增强装甲防护装置的可靠性；层状仿生装甲则是由硬质层和软质层交替叠加而成，从而提高装甲的断裂韧性和吸能。陶瓷3D打印技术具有高度柔性和应变能力的特点，能满足上述结构和性能的实现，是一种有效的解决途径。

3 技术难点及研究方向

尽管陶瓷3D打印技术在车辆装备底盘系统的制造中有众多的优势，但若要取得普遍的应用成果，仍然还有诸多难点问题需要解决。

在原料制备上，当前3D打印技术所用的陶瓷原料存在种类少、均匀度不高、制备工艺复杂等问题。如陶瓷浆料的制备通常需要严格控制粘度、pH值等参数。可根据相同形态的陶瓷原料制备，深入研究原材料特性对制件性能的影响，探索一般性规律，开发高性能原材料和新型制备技术。

在成型工艺上，主要存在过程难控制、可靠性不高等问题，直接影响着产品的结构和性能。需要根据各类3D打印技术的成型特点，从设备元件、工艺条件等方面出发，加强研发力度，构建不同结构、不同材料的技术路线。

为更好地适应车辆装备底盘系统的制造需要，除了上述问题外，还需针对性地满足零部件特性和使用要求。比如，开展陶瓷基复合材料的创新应用研究；研发大尺寸、整体化制造设备及方法；建立制件工作模拟平台和寿命预测模型。

4 结语

陶瓷3D打印技术作为一种新型的先进制造技术，在车辆装备底盘系统的制造领域具有极大的发展潜力。随着技术水平的不断提高，陶瓷3D打印技术有望实现零件级-部件级-整机的应用突破，将大大提升车辆装备的机动和防护性能，增强战斗力，适应未来战争对车辆装备提出的更高要求。可以预见，陶瓷3D打印技术的不断完善与应用，也必将推动军械装备制造领域的创新式发展。