北京工業(yè)大學&康碩電氣共同研發(fā)大尺寸陶瓷型芯3D打印機KSJT-3D

來源：人民日報

近年來，隨著我國科技水平的提高，航空發(fā)動機技術取得了巨大的進步，極大地提升了飛機的性能。與此同時，通過復雜氣冷內(nèi)腔結構，改善渦輪葉片散熱能力已成為先進發(fā)動機制造的關鍵，而陶瓷型芯是制造這種內(nèi)腔結構的核心部件。內(nèi)腔形狀越復雜，冷卻效果越優(yōu)異。而傳統(tǒng)方法往往難以加工內(nèi)腔結構復雜的陶瓷型芯，陶瓷3D打印技術成為解決這個難題的有效方案。目前，陶瓷型芯3D打印設備和材料主要掌握在美國、德國、法國、奧地利等少數(shù)幾個發(fā)達國家手中，相關核心技術和方案成為制約我國陶瓷型芯3D打印發(fā)展的“卡脖子”難題。

為打破國外壟斷，北京工業(yè)大學3D打印中心陳繼民教授團隊與康碩電氣進行聯(lián)合技術攻關，自主研制出大尺寸陶瓷型芯3D打印機和高性能陶瓷成形材料。目前，設備已經(jīng)投入工業(yè)化生產(chǎn)，填補了陶瓷型芯3D打印設備國內(nèi)空白，為陶瓷3D打印的國產(chǎn)化鋪平了道路，實現(xiàn)了設備-材料-工藝閉環(huán)鏈條的自主可控。相關技術對3D打印陶瓷行業(yè)實現(xiàn)我國航空航天、生物醫(yī)療、機械電子領域關鍵零部件制造的國產(chǎn)化具有重大意義，將促進我國陶瓷3D打印工具軟件、裝備、材料與服務產(chǎn)業(yè)鏈的健全和健康發(fā)展，為打破國外技術壟斷，解決我國陶瓷型芯的“卡脖子”難題，具有積極的戰(zhàn)略意義。

從項目啟動到功能實現(xiàn)、安裝測試及試運行，最后總體驗收，歷時2年，北京工業(yè)大學與康碩科研人員緊密合作，密切配合，克服了疫情的影響，通過了有關部門組織的專家的鑒定。

本設計并制造了國內(nèi)最大的陶瓷型芯3D打印設備，填補了我國陶瓷型芯3D打印設備的空白。設備具有打印幅面大，打印零件燒結后產(chǎn)品致密接近100%理論密度，力學性能好，研制的打印材料滿足陶瓷型芯的要求。并可根據(jù)用戶需求進行定制開發(fā)。

△陶瓷3D打印設備成品圖

通過自主研發(fā)，研制出具有完全知識產(chǎn)權的陶瓷型芯3D打印裝備，取得了多項的專利和軟件著作權。該設備采用的智能掃描算法，開發(fā)的分層掃描軟件，可進行無支撐結構制造。同時，此算法可大大縮短掃描時間，提高設備的打印速度。同時，整套設備采用專利技術（一體化拓撲優(yōu)化）設計方法，減輕了設備的重量，提高了運行速度，降低了生產(chǎn)成本。通過自行開發(fā)的與設備相匹配的專用陶瓷3D打印材料，徹底擺脫國外進口設備與材料相綁定的卡脖子問題，大大降低了使用成本。

依托于北京工業(yè)大學3D打印中心陳繼民教授研發(fā)團隊，自主研發(fā)的陶瓷3D打印設備，應用領域適用于精密鑄造、生物醫(yī)療等領域。目前，尚無同類型國產(chǎn)陶瓷型芯成形設備及配套陶瓷材料。本項目中所開發(fā)的設備采用多項具有自主知識產(chǎn)權的專利技術，提出并實現(xiàn)了陶瓷3D打印新方式，填補了國內(nèi)陶瓷3D打印的多項空白。研發(fā)的陶瓷打印材料、陶瓷型芯3D打印工藝，處于國內(nèi)領先水平。另外，項目開發(fā)的3D打印設備的主要性能指標，達到了國際先進水平，打破國外技術壟斷，提高了國產(chǎn)陶瓷3D打印產(chǎn)品品質，為航空發(fā)動機陶瓷型芯的制造提供了技術支撐。

陶瓷作為3D打印領域的新興材料，具有一個非常龐大的市場。根據(jù)SmarTech Publishing對市場前景的預估，過去十年是陶瓷3D打印技術在實驗室或者小批量試驗的階段，到2028年，陶瓷3D打印產(chǎn)品的產(chǎn)值有望增長到11億美元。

陶瓷3D打印的應用前景非常廣泛，涵蓋科研、醫(yī)療、工業(yè)、建筑及首飾等，尤其是具有許多有利性能的高級陶瓷材料更是航空航天及國防等領域需要的材料，如3D打印航空發(fā)動機及燃氣輪機空心葉片陶瓷型芯等，項目中所研制的陶瓷3D打印設備具有極高的應用價值和工程意義。

目前，由北京工業(yè)大學和康碩聯(lián)合研發(fā)的KSJT-3D型陶瓷3D打印設備已經(jīng)量產(chǎn)，并應用于打印航空陶瓷葉片型芯制造、醫(yī)療定制骨科植入物制造、汽車陶瓷過濾器、珠寶奢侈品、柔性電子和半導體器件的薄微觀結構等。相關設備和材料獲得從業(yè)人員和市場的認可，為陶瓷3D打印標準化、規(guī)范化、系統(tǒng)化提供了重要保障，設備和材料的關鍵技術和性能達到國際領先水平。