可實現(xiàn)復(fù)雜航空航天結(jié)構(gòu)的陶瓷3D打印技術(shù)未來前景如何？

南極熊導(dǎo)讀：航空航天行業(yè)需要創(chuàng)新和高效解決方案，3D打印技術(shù)成為理想選擇。根據(jù)研究報告，航空航天和國防市場對3D打印的需求不斷增長，預(yù)計增長率將超過24%。增材制造技術(shù)帶來了許多優(yōu)勢，如生產(chǎn)輕量、高強度、復(fù)雜的零件，設(shè)計自由度，減少原材料浪費，提高成本和資源效率。這些變化將推動航空航天領(lǐng)域的發(fā)展和進步。

△3D打印陶瓷部件示例

2023年5月15日，南極熊獲悉，奧地利制造商Lithoz專注于陶瓷3D打印技術(shù)，通過光刻陶瓷制造（LCM）技術(shù)滿足工業(yè)和航空航天應(yīng)用對復(fù)雜零件的高要求。它在2022年實現(xiàn)了陶瓷3D打印解決方案收入翻倍，表明醫(yī)療和航空航天等多個行業(yè)市場對該技術(shù)表現(xiàn)出了興趣。

△陶瓷基材料具有耐高溫的特性

在航空航天應(yīng)用中使用陶瓷的好處

根據(jù)“3D打印陶瓷2022-2032：技術(shù)和市場展望”的研究報告指出，陶瓷3D打印市場價值預(yù)計將顯著增長，到2023年預(yù)計達到4億美元（約為27億人民幣）。

航空航天、國防、牙科和化學(xué)工程等行業(yè)對陶瓷3D打印用于生產(chǎn)小批量零件表現(xiàn)出了興趣。陶瓷因卓越的性能，在航空航天工業(yè)中備受關(guān)注，如高耐熱性、抗氧化性、耐磨性和機械穩(wěn)定性。這使得陶瓷成為在極端條件下高效使用的理想材料，尤其是在高應(yīng)力環(huán)境下的部件。一些高級陶瓷材料如氧化鋁、氮化硅、碳化硅和氧化鋯也備受關(guān)注。通過3D打印技術(shù)，甚至可以制造超高溫陶瓷。

在航空航天工業(yè)中，陶瓷可逐漸取代傳統(tǒng)材料如金屬等。雖然金屬仍然是常用材料，但在某些應(yīng)用中受到限制。陶瓷提供了可行的解決方案，減少磨損率。結(jié)合3D打印制造技術(shù)，陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)更精細的零件制造。

△3D打印的氣塞發(fā)動機噴嘴

以Lithoz公司在航空航天領(lǐng)域的LCM技術(shù)舉例，使用氮化硅制造了3D打印氣動塞式發(fā)動機噴嘴，展示了先進陶瓷卓越性能的典型應(yīng)用。這些噴嘴經(jīng)過所有壓力測試，證明它們能夠承受顯著的熱沖擊，即使在超過1200°C的高溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定。

△Lithoz的CeraFab系列3D打印機器

使用LCM技術(shù)的高分辨率和復(fù)雜性

Lithoz的光刻陶瓷制造（LCM）技術(shù)基于光聚合原理，通過CeraFab 3D打印機將陶瓷漿料分布到透明的液槽中。利用數(shù)字微鏡設(shè)備和先進的投影系統(tǒng)，逐層生成生胚對象，并進行后續(xù)熱處理和燒結(jié)，得到高密度的耐用陶瓷組件。

該技術(shù)具有高度的曝光精度，可在整個構(gòu)建平臺上實現(xiàn)一致性和準(zhǔn)確性，使得制造復(fù)雜微結(jié)構(gòu)成為可能。Lithoz目前提供多種不同的CeraFab 3D打印解決方案，每個都具有獨特的優(yōu)勢，例如CeraFab S65專為高分辨率精度達到25μm而設(shè)計。

Lithoz的技術(shù)不僅適用于小批量生產(chǎn)，還可用于大規(guī)模生產(chǎn)。例如，Steinbach AG使用Lithoz的CeraFab系統(tǒng)解決方案進行大量生產(chǎn)手術(shù)導(dǎo)管。該管件的復(fù)雜設(shè)計需要使用增材制造技術(shù)從原型制作到最終生產(chǎn)。Steinbach每年能夠生產(chǎn)1.2萬個零件，證明了3D打印技術(shù)在擴大到批量生產(chǎn)方面的有效性。

△左邊是射頻濾波器，右邊是3D打印的陶瓷諧振器。諧振器可以打印成不同的尺寸

使用陶瓷3D打印實現(xiàn)航空航天優(yōu)化結(jié)構(gòu)

將陶瓷的特性與3D打印的靈活性相結(jié)合，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢。通過陶瓷3D打印，可以精確定制設(shè)計、修改結(jié)構(gòu)以及添加特定功能，滿足復(fù)雜零件的需求。其中一個實際應(yīng)用是為航空航天創(chuàng)建RF濾波器。這些濾波器對于提高信號質(zhì)量、減少干擾至關(guān)重要。陶瓷3D打印可以創(chuàng)造各種形狀、順序和帶寬的高度工程化的諧振器，并將其集成到單個組件中，從而優(yōu)化性能、可靠性和耐久性。

陶瓷作為材料具備理想特性，能夠滿足航空航天工業(yè)中對高頻段可靠通信的要求。其高性能和可靠性使其適用于惡劣環(huán)境，并且可以實現(xiàn)濾波器的小型化，減輕重量。此外，陶瓷過濾器在溫度和時間方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，確保長期可靠性和一致性的性能。這些特點使得陶瓷3D打印在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，并為專業(yè)的3D打印人群帶來了新的研究和發(fā)展機遇。

△具有致密到多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷3D打印樣件，可適用于各種領(lǐng)域的應(yīng)用，例如催化劑、過濾器或骨骼植入物等應(yīng)用

如何控制陶瓷部件的微觀結(jié)構(gòu)

Lithoz表示，它的陶瓷3D打印解決方案在更復(fù)雜的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，通過精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率，超越了其他傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制。該公司的LCM技術(shù)還具備多材料3D打印和功能分級陶瓷的能力。通過其雙缸系統(tǒng)，可以在每一層使用不同的材料，實現(xiàn)高度復(fù)雜的氧化鋁零件和單個零件內(nèi)的致密和多孔梯度。這種增材制造的應(yīng)用提高了陶瓷部件的性能和復(fù)雜性，為航空航天工業(yè)帶來了新的研究可能性。