SUPSI 大学开发打印复杂陶瓷结构的混合增材制造工艺

2023 年 05 月 29 日

      2023年5月27日,来自帕多瓦大学的研究人员开发出了一种可打印复合陶瓷结构的新型混合增材制造工艺,该工艺由Ortona 教授的博士生 Marco Pelanconi开发,并用于完成了他的博士课题,所使用的3D打印机是由 Sintratec 套件组装完成。
       在过去的 20 年里,瑞士南部应用科学与艺术大学 (SUPSI) 的混合材料实验室 (HM Lab) 一直在从事陶瓷制造的前沿技术研究。在2019 年,HM 实验室负责人Alberto Ortona 教授就已经展示了多孔 3D 打印技术在陶瓷材料方面的潜力。
△MarcoPelanconi(最左)和 Alberto Ortona 教授(右三)和他们在混合材料实验室的团队。资料来源:Sintratec。

一种新颖的混合增材制造工艺

在他的博士论文课题中,Pelanconi 提出了一种优化的增材制造生产复杂陶瓷结构的工艺。该方法涉及选择性激光烧结 (SLS)技术和预制陶瓷聚合物熔渗工艺:首先,3D 打印出具有高微孔率的陶瓷聚合物预制件;然后,将预制件在大约 1000°C 下进行热解,实现从聚合物到陶瓷的转化;最后,通过熔融硅渗透进行最终致密化,以获得高密度的陶瓷部件。


具有开放参数的孔隙度控制

Marco Pelanconi在他的课题研究中使用到的Sintratec 套件是世界上第一个也是唯一一个 SLS 领域的组装套件,这款3D 打印机具有开源的设置参数,对于Pelanconi博士课题起到了至关重要的作用。Pelanconi 说:“该套件使我们能够改变许多打印参数,包括粉末表面温度、层厚度、激光速度、搭接间距等,从而轻松控制 3D 打印部件的孔隙率。通过改变这些因素,SUPSI 大学的材料工程师能够获得理想的孔隙率(对于进一步渗透至关重要),从而获得高质量的零件。“

  

复杂的陶瓷结构

为了说明这种方法如何应用到复杂结构件的制造,Pelanconi 的研究集中在两种具有不同拓扑结构的圆柱形多孔结构:旋转立方体和陀螺仪。在用 Sintratec PA12 设备中完成打印并转化为陶瓷后,所得部件表现出出色的机械和热性能。尽管体积收缩了约 25%,但它们保持了原始形状,没有变形或宏观裂纹。根据 Pelanconi 的说法,通过进一步的工艺优化,它们的双轴强度仍然可以提高165 MPa,这一点令人印象深刻。


不同行业的应用潜力

Pelanconi 说:“陶瓷类别的材料具有钢无法比拟的热机械性能,例如耐高温、高抗氧化性、高抗热震性和高强度。” 因此,陶瓷非常适合用于极端环境,例如热交换器、催化剂载体、蓄热器、燃烧器或航空。这种由 Marco Pelanconi 在 HM 实验室内实施的创新方法可以被高科技行业利用,这要归功于从范围广泛的预陶瓷聚合物中获得许多不同陶瓷材料的研究思路。

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