14. Juni 2024
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Formgebung und Forschungsfortschritt von 3D-Druck-Keramikmaterialien

Bei der 3D-Drucktechnologie handelt es sich um eine Rapid-Prototyping-Technologie, auch Additive Fertigung genannt. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die auf digitalen Modellen basiert und Klebematerialien wie Metallpulver oder Kunststoff verwendet, um Objekte durch schichtweises Drucken aufzubauen. Die 3D-Drucktechnologie kombiniert Spitzentechnologien in vielen Bereichen wie Materialtechnologie, digitale Modellierung und Informationsverarbeitung, bricht das traditionelle Denkmodell der Verarbeitung und gilt als „das ikonischste Produktionswerkzeug der dritten industriellen Revolution“. Die 3D-Drucktechnologie findet Anwendung in den Bereichen Schmuck, Industriedesign, Architektur, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Medizinindustrie und anderen Bereichen.

Keramische Materialien weisen eine hohe Festigkeit, hohe Härte, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf und werden häufig in Bereichen wie der Biologie und dem Maschinenbau eingesetzt. Aufgrund ihrer harten und spröden Eigenschaften ist die Formung und Verarbeitung von Keramik jedoch schwierig Die Verarbeitungstechnologie ist kostenintensiv und zeitaufwändig. Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie bei der Herstellung von Keramikprodukten wird den Produktionszyklus und die Produktionskosten von Keramikprodukten erheblich reduzieren und die Nutzung von Keramikprodukten fördern.

1.3D-Druckkeramiktechnologie

Derzeit umfassen keramische 3D-Drucktechnologien hauptsächlich die selektive Lasersintertechnologie (SLS), die Fused Deposition Modeling-Technologie (FDM), die Layered Solid Manufacturing-Technologie (LOM), die dreidimensionale Drucktechnologie (3DP) und die Tintenstrahldrucktechnologie (IJP).

1.1 Selektive Lasersintertechnologie (SLS)

Die selektive Lasersintertechnologie (SLS) wird hauptsächlich durch die Kombination von drei Strukturkomponenten realisiert: Andruckrolle, Laser und Werkbank. Das spezifische Prinzip besteht darin, das Pulver über eine Druckrolle auf der Werkbank zu verteilen, und der Computer steuert den Laserstrahl, um das Pulver innerhalb eines bestimmten Bereichs abzutasten. Der Binder im Pulver wird durch das Laserscannen geschmolzen, um eine Schichtstruktur zu bilden. Nachdem der Scanvorgang abgeschlossen ist, wird die Werkbank abgesenkt und eine neue Pulverschicht auf der Druckwalze verteilt. Sie wird erneut vom Laser gescannt und mit der vorherigen Schicht aus erstarrter Flockenkeramik verbunden. Der gleiche Schritt wird wiederholt, um schließlich zu drucken Das fertige Produkt. [2]

Die Hauptvorteile der laserselektiven Sintertechnologie sind eine große Auswahl an Druckmaterialien, eine hohe Formeffizienz und Materialausnutzung sowie niedrige Kosten. Da der Laser während des Formprozesses eingeführt werden muss, muss das Pulver vorgewärmt und abgekühlt werden, der Formzyklus ist lang und der anschließende Verarbeitungsprozess ist kompliziert. Da das verwendete Rohmaterialpulver unter Lasereinwirkung gebunden und bei hoher Temperatur vollständig gebrannt werden muss, sind gleichzeitig die Arten der herstellbaren Produkte begrenzt

1.2 Fused Deposition Modeling-Technologie (FDM)

Der Rohstoff der Fused Deposition Modeling-Technologie sind heißschmelzende Keramikmaterialien, von denen die meisten zur einfachen Lagerung und zum einfachen Transport zu Filamenten verarbeitet werden. Die Fused-Deposition-Druckausrüstung besteht hauptsächlich aus drei Teilen: Zuführwalze, Führungsbuchse und Düse. Zu Beginn läuft das heißschmelzende Filamentmaterial durch die Zuführwalze und tritt unter der gemeinsamen Wirkung der angetriebenen Walze und der Antriebswalze in die Führungshülse ein. Der Reibungskoeffizient der Führungshülse ist niedrig, so dass das Filamentmaterial in die Führungshülse gelangen kann Düse präzise und kontinuierlich. Das Material wird in der Düse erhitzt und geschmolzen und entsprechend dem vom Computer ausgegebenen digitalen Modell gedruckt. [3]

Die Fused-Deposition-Modeling-Technologie erfordert keine Lasertechnologie, bietet den Vorteil geringer Kosten und ist einfach zu verwenden und zu warten. Der Nachteil besteht darin, dass für den Druckvorgang eine Stützstruktur erforderlich ist. Während des Stapeldruckvorgangs nimmt mit zunehmender Höhe die Masse des Oberteils zu und das Untermaterial ist nicht stark genug, um das Obermaterial zu stützen und zu fixieren. Besonders beim Drucken von Produkten mit komplexen Formen ist die Fläche der oberen Schicht von Druckobjekten oft größer als die der unteren Schicht von Druckobjekten. Um ein Kollabieren der Keramikprodukte während des Drucks zu verhindern, sind umlaufende Stützstrukturen erforderlich.

Das Prinzip der Fused Deposition Modeling-Technologie ist einfach und der Prozess relativ leicht zu steuern. Der Druckprozess erfordert jedoch eine höhere Temperatur zum Schmelzen des Druckmaterials, was erfordert, dass das Material schwer zu zersetzen ist und nach dem thermischen Schmelzen eine angemessene Fließfähigkeit beibehält. Um die strukturellen Leistungsanforderungen des Produkts zu erfüllen, muss das Druckmaterial eine bestimmte Druckfestigkeit und eine bestimmte Steifigkeit aufweisen. Um die Maßhaltigkeit des Materials sicherzustellen, darf die Schrumpfungsrate des Materials während des Erstarrungsformprozesses nicht zu groß sein. Daher ist die Modellierungstechnologie für keramische Schmelzablagerungen stark eingeschränkt.

1.3 Layered Entity Manufacturing Technology (LOM)

Bei der Herstellung geschichteter Einheiten werden keramische Folienbahnen per Laser geschnitten, wobei Folienbahnen mit Schmelzklebstoff auf der Rückseite als Rohmaterialien verwendet werden. Die Schichten werden durch Erhitzen und Druck verbunden, und die Formen jeder Schicht werden akkumuliert und überlagert, um ein festes Teil zu bilden. Schmelzklebstoff enthält Harz, organisches Bindemittel usw. und wird durch eine Schmelzklebstoffmaschine auf die Oberfläche des Fügeteils aufgetragen. Nach dem Abkühlen des Schmelzklebstoffs ist die Verklebung abgeschlossen. [4] Bei der geschichteten Feststoffherstellungstechnologie werden Keramikflocken geschnitten und additiv geformt. Es handelt sich um ein direktes Oberfläche-zu-Körper-Formverfahren, bei dem der Verarbeitungsprozess von Punkt zu Linie und von Linie zu Oberfläche bei anderen Technologien entfällt. Dies ist geschichtet Solide Fertigungstechnologie. Vorteile gegenüber anderen 3D-Drucktechnologien.

Die in der Technologie zur Herstellung geschichteter Feststoffe verwendeten Keramikflocken können durch das Bandgussverfahren hergestellt werden. Die Technologie zur Herstellung von Keramikflocken durch Bandguss im Ausland ist relativ ausgereift und die Rohstoffe sind sehr leicht zu beschaffen. Die geschichtete Feststoffherstellungstechnologie zeichnet sich durch eine schnelle Formgeschwindigkeit und eine einfache Vorvorbereitung aus, die Materialausnutzungsrate ist jedoch gering. Sein Umformprinzip ist einfach und sein Arbeitsraum ist groß, wodurch es für die Bearbeitung größerer Teile geeignet ist. Die mit der Schichtfestkörperfertigungstechnologie verarbeiteten Teile weisen jedoch schlechte mechanische Eigenschaften und geringe Präzision auf und sind nicht für die Bearbeitung von Präzisionsteilen geeignet.

1.4 Dreidimensionale Drucktechnologie (3DP)

Bei der dreidimensionalen Drucktechnologie werden computergesteuerte Präzisionsdüsen verwendet, um zunächst die Bindemittellösung entsprechend der Form der Teilschnittstelle auf das flache Keramikpulver zu sprühen und dann die Pulver miteinander zu verbinden, um den Umriss des Teils zu bilden. Dies wird Schicht für Schicht angesammelt Schicht aufgetragen und schließlich nachbearbeitet, um das Ergebnis zu erhalten. Erforderliche Teile.

Die dreidimensionale Drucktechnologie basiert auf einem einfachen Formprinzip und kann für den Druck verschiedener Keramikmaterialien wie Zirkonoxidkeramik, Zirkonsand, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Siliziumoxid angepasst werden. Da bei diesem Verfahren zur Verklebung ein Sprühklebeverfahren zum Einsatz kommt, kommt der Auswahl und Dosierung des Klebstoffes eine große Bedeutung zu. Ein Bindemittel, das die Anforderungen erfüllt, muss über eine entsprechende Viskosität und Oberflächenspannung verfügen. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist es manchmal erforderlich, dem Bindemittel eine bestimmte Menge an Additiven wie Dispergiermitteln und Wirkstoffen zuzusetzen.

1.5 Inkjet-Drucktechnologie (IJP)

Die Tintenstrahldrucktechnologie wurde aus der dreidimensionalen Druckformtechnologie entwickelt. Diese Technologie formuliert Keramikpulver mit verschiedenen organischen Substanzen und Lösungsmitteln zu Keramiktinte. Die Keramiktinte wird durch Computeranweisungen Schicht für Schicht auf die Plattform gesprüht, um die gewünschte Form und Form zu erhalten. Größe Keramikkörper. [5] Die Vorbereitung der Keramiktinte ist der Schlüssel zur Tintenstrahldrucktechnologie. Sie erfordert eine gute gleichmäßige Dispersion des Keramikpulvers in der Tinte, eine angemessene Oberflächenspannung, Viskosität und Leitfähigkeit, eine schnelle Trocknungsgeschwindigkeit und einen hohen Feststoffphasengehalt.

Für den Betrieb der Tintenstrahldrucktechnologie ist keine Lasertechnologie erforderlich, wodurch Produktionskosten gespart werden. Allerdings schränken die aktuelle Konfiguration der Keramiktinten und die Verstopfung der Tintenstrahldruckköpfe die Entwicklung dieser Technologie ein. Daher sollte in der zukünftigen Forschung auf folgende Aspekte geachtet werden

2.3D-Druck von Keramikmaterialien

Keramische Materialien haben die Vorteile einer hohen Temperaturbeständigkeit und einer hohen Festigkeit und werden häufig in der industriellen Fertigung, der Biomedizin, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen eingesetzt. Die Forschung und Entwicklung von 3D-Druck-Keramikrohstoffen stellt ebenfalls einen wesentlichen Faktor dar, der die Entwicklung von 3D-Druck-Keramiken einschränkt. Besonders wichtig ist die Forschung und Entwicklung neuer 3D-Druck-Keramikmaterialien. Im Folgenden werden mehrere 3D-Druck-Keramikmaterialien vorgestellt, die sich noch in der Entwicklung befinden.

2.1 Aluminiumoxidkeramik

Aluminiumoxid ist ein weit verbreitetes Keramikmaterial. Die Rohstoffe für Aluminiumoxidkeramik stammen aus einer Vielzahl von Quellen und sind kostengünstig. Es hat sich zu einem der am häufigsten verwendeten Rohstoffe in der Keramikindustrie entwickelt. Der traditionelle Prozess der Herstellung von Aluminiumoxidkeramik ist kompliziert, zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Die 3D-Druckkeramiktechnologie bietet die Vorteile eines einfachen Prozesses, eines kurzen Zeitaufwands und einer guten Bedienbarkeit. Der Einsatz der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Aluminiumoxidkeramik kann die Vorbereitungszeit erheblich verkürzen, die Produktgenauigkeit verbessern und die Anwendungsbereiche erweitern.

Um sicherzustellen, dass der Keramikkörper gute mechanische Eigenschaften aufweist, werden in der keramischen 3D-Drucktechnologie Aluminiumoxidmaterialien im Allgemeinen mit organischem Material gemischt, um eine Aufschlämmung oder ein Pulver zu bilden, oder mit anderen Legierungspulvern, um ein Pulver zu bilden

2.2 Tricalciumphosphat-Keramik

Tricalciumphosphatkeramik, auch Tricalciumphosphat genannt, hat eine chemische Zusammensetzung, die in menschlichen Knochen weit verbreitet ist. Sie wird im medizinischen Bereich häufig als gutes dreidimensionales Gerüst für die Knochenreparatur verwendet. Sie kann auch zur Vorbeugung und Behandlung von Calciummangel eingesetzt werden . Die chemische Zusammensetzung von Tricalciumphosphat ist der von Knochen sehr ähnlich. Es weist die Vorteile keiner Variabilität und einer guten Biokompatibilität auf und kann eine gute Knochenleitungswirkung ausüben. Nach der Implantation kann die gute biologische Abbaubarkeit von Tricalciumphosphat selbst dazu beitragen, dass der Körper schneller verstoffwechselt wird. Daher sind die Entwicklungsaussichten dieses Materials sehr vielversprechend und haben große Aufmerksamkeit erregt. [2]

Relevante Forschungen zur 3D-Drucktechnologie für Kalziumphosphatkeramik wurden im Ausland durchgeführt. G.A. Fielding et al. mischten Calciumphosphat und Ethanol zur Herstellung einer Keramikaufschlämmung und druckten diese erfolgreich. Gleichzeitig haben inländische Wissenschaftler auch eingehende Untersuchungen zur biologischen Aktivität von Calciumphosphatkeramiken durchgeführt. Beispielsweise fügten Lin Kaili und andere Calciumphosphatkeramiken biologisch aktive Elemente hinzu, um die biologische Aktivität von Calciumphosphatkeramiken zu verbessern. Das ist sehr wichtig für die 3D-Druck-Biokeramik-Technologie. Die Verbesserung der Funktionalität spielt eine wichtige Rolle.

2.3 Organische Vorläuferkeramik

Die Technologie zur Synthese von Keramik aus organischen Vorläufern wurde in den 1960er Jahren erfunden. Durch Vorläufer hergestellte Keramiken können im molekularen Maßstab entworfen und in Netzwerkgröße gebildet werden. Sie weisen eine Reihe von Vorteilen auf, wie z. B. eine niedrige Zersetzungstemperatur und eine stabile Hochtemperaturleistung, und können zur Herstellung einer Vielzahl neuer Keramiken verwendet werden. Das Hauptprinzip besteht darin, organische Vorläufersubstanzen (Polycarbosilan, Polynitrosilan, Polysiloxan usw.) thermisch abzubauen und so Keramik herzustellen. Der spezifische Prozess besteht darin, dass kleine organische Moleküle durch eine Kondensationsreaktion organische Makromoleküle erzeugen. Die Makromoleküle werden durch Wärme oder Licht katalysiert, um organisch-anorganische Zwischenprodukte, also Vorläufer, zu erzeugen. Die Vorläufer werden dann weiter thermisch gecrackt und gesintert, um Keramik zu bilden.

T.A. Schaedler et al. kombinierten die UV-Härtungstechnologie mit der 3D-Drucktechnologie, um Vorläuferkeramiken zu drucken, wodurch nicht nur die komplexen Formen und feinen Strukturen der Keramiken realisiert werden konnten, sondern die Keramiken auch durch Hochtemperatursintern schrumpften und so hochpräzise hergestellt wurden. Dichte Kerami

2.4 Siliziumnitridkeramik

Siliziumnitridkeramik zeichnet sich durch hohe Festigkeit, geringe Dichte und hohe Temperaturbeständigkeit aus und ist ein ausgezeichnetes technisches Hochtemperaturmaterial. Seine Festigkeit kann bis zu einer hohen Temperatur von 1200 °C aufrechterhalten werden, ohne nachzulassen, es schmilzt nach dem Erhitzen nicht zu einer Schmelze und es zersetzt sich erst bei 1900 °C. Es verfügt über eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit und ist außerdem ein hochbeständiges Material. leistungsstarkes elektrisches Isoliermaterial. Li et al. verwendeten eine Technologie, die dreidimensionales Drucken und druckloses Sintern kombiniert, um poröse Siliziumkeramikmaterialien mit einer Porosität von mehr als 70 % herzustellen.

2,5 Titan-Kohlenstoff-Silizid-Keramik

Titankohlenstoffsilizidkeramiken haben eine geschichtete hexagonale Kristallstruktur und werden häufig in der Biologie, Medizin und anderen Bereichen eingesetzt. Titankohlenstoffsilizidmaterial bietet die Vorteile einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, einer guten Duktilität und Plastizität von Metallmaterialien sowie einer hohen Festigkeit, Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit von Keramikmaterialien. Sun et al. verwendeten 3D-Druck und kaltisostatische Presstechnologie, um Titan-Kohlenstoff-Silizid-Keramik mit höherer Dichte herzustellen.
Abschluss

Derzeit steckt die inländische Forschung zur 3D-Druckkeramiktechnologie noch in den Kinderschuhen und liegt weit hinter dem Niveau der USA, Deutschlands, Japans und anderer Länder. Es gibt noch viel Raum für Entwicklung. Die Anwendung der 3D-Drucktechnologie im Keramikbereich ist noch nicht ausgereift. Angesichts des Marktes ist es derzeit schwierig, die 3D-Druck-Keramiktechnologie in den Markt zu integrieren und Skaleneffekte zu erzielen. Zukünftig besteht die Hauptrichtung der industriellen Entwicklung von 3D-Druck-Keramikmaterialien in meinem Land darin, die Grundlagenforschung von 3D-Druck-Keramikmaterialien zu stärken und Probleme wie die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druck-Keramikmaterialien und die Schrumpfungsrate von Sinterprodukten zu lösen , eine Reihe von 3D-Druckkeramikmaterialien entwickeln und eine industrielle Produktionskapazität aufbauen.

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