SUPSI 大學開發(fā)打印復雜陶瓷結構的混合增材制造工藝

2023年5月27日，南極熊獲悉，來自帕多瓦大學的研究人員開發(fā)出了一種可打印復合陶瓷結構的新型混合增材制造工藝，該工藝由Ortona 教授的博士生 Marco Pelanconi開發(fā)，并用于完成了他的博士課題，所使用的3D打印機是由 Sintratec 套件組裝完成。

在過去的 20 年里，瑞士南部應用科學與藝術大學 (SUPSI) 的混合材料實驗室 (HM Lab) 一直在從事陶瓷制造的前沿技術研究。在2019 年，HM 實驗室負責人Alberto Ortona 教授就已經(jīng)展示了多孔 3D 打印技術在陶瓷材料方面的潛力。

△MarcoPelanconi（最左）和 Alberto Ortona 教授（右三）和他們在混合材料實驗室的團隊。資料來源：Sintratec。

一種新穎的混合增材制造工藝

在他的博士論文課題中，Pelanconi 提出了一種優(yōu)化的增材制造生產(chǎn)復雜陶瓷結構的工藝。該方法涉及選擇性激光燒結 (SLS)技術和預制陶瓷聚合物熔滲工藝：首先，3D 打印出具有高微孔率的陶瓷聚合物預制件；然后，將預制件在大約 1000°C 下進行熱解，實現(xiàn)從聚合物到陶瓷的轉化；最后，通過熔融硅滲透進行最終致密化，以獲得高密度的陶瓷部件。

具有開放參數(shù)的孔隙度控制

Marco Pelanconi在他的課題研究中使用到的Sintratec 套件是世界上第一個也是唯一一個 SLS 領域的組裝套件，這款3D 打印機具有開源的設置參數(shù)，對于Pelanconi博士課題起到了至關重要的作用。Pelanconi 說：“該套件使我們能夠改變許多打印參數(shù)，包括粉末表面溫度、層厚度、激光速度、搭接間距等，從而輕松控制 3D 打印部件的孔隙率。通過改變這些因素，SUPSI 大學的材料工程師能夠獲得理想的孔隙率（對于進一步滲透至關重要），從而獲得高質量的零件�！�

復雜的陶瓷結構

為了說明這種方法如何應用到復雜結構件的制造，Pelanconi 的研究集中在兩種具有不同拓撲結構的圓柱形多孔結構：旋轉立方體和陀螺儀。在用 Sintratec PA12 設備中完成打印并轉化為陶瓷后，所得部件表現(xiàn)出出色的機械和熱性能。盡管體積收縮了約 25%，但它們保持了原始形狀，沒有變形或宏觀裂紋。根據(jù) Pelanconi 的說法，通過進一步的工藝優(yōu)化，它們的雙軸強度仍然可以提高165 MPa，這一點令人印象深刻。

不同行業(yè)的應用潛力

Pelanconi 說：“陶瓷類別的材料具有鋼無法比擬的熱機械性能，例如耐高溫、高抗氧化性、高抗熱震性和高強度�！� 因此，陶瓷非常適合用于極端環(huán)境，例如熱交換器、催化劑載體、蓄熱器、燃燒器或航空航天。這種由 Marco Pelanconi 在 HM 實驗室內實施的創(chuàng)新方法可以被高科技行業(yè)利用，這要歸功于從范圍廣泛的預陶瓷聚合物中獲得許多不同陶瓷材料的研究思路。