3D打印制备新材料技术实现快速大批量生产原型零件.PDFVIP

3D打印制备新材料技术：实现快速大批量生产原型 零件 来源：/n-10459.html 近年来，波音下属的HRL实验室在利用3D打印技术制备新材料方面取得了显著成绩，开 发出一种称为 “自动传布的光敏聚合物波导法”的成型技术。这种由HRL自主开发、能实 现快速大批量生产原型零件的方法 ，是美国国防预研局(DARPA)授予的历时 10年的一项轻 质、高强材料开发合同中的一部分。依靠该技术，HRL实验室已于近期制备出超轻金属材 料和陶瓷材料。 基本原理及优点 自动传布光敏聚合物波导法与立体平版印刷(SLA)/数字光处理(DLP)有相似之处，但又 不完全相同 ，其诀窍是让紫外线穿透平板印刷掩膜上的小孔 ，照射到树脂上使其固化。与此 同时，设置光波导直至树脂槽底部 ，使受照的轴内光线得以校准。在该方法中 ，由于紫外线 照射会衰减 ，因而要依靠树脂柱内表面连续向下反射而形成光波导，使得紫外线通过波导效 应穿透液体树脂。依靠该方法可创建出独特的轻质、高强桁架结构。 与传统3D打印方法相比 ，自动传布光敏聚合物波导法从紫外线照射到形成固体材料仅 需30s;而使用传统的3D打印技术 ，如普通SLA打印机打印25～50mm高的物体 ，整个过 程需要耗时4～8h。 自动传布的光敏聚合物波导法可用于设计制造尺寸不同的微点阵结构，并可获得不同的 材料特性，如柔性、弹性、刚性以及韧性等。 用不同后处理方法得到不同的材料 尽管该方法可生产各种不同种类的微点阵材料 ，但其中也存有一些棘手的问题。首先是 材料的Z轴性能严重受限，由于紫外线可穿透树脂厚度的限制，材料的最大Z轴高度仅为 约25mm;其次是树脂材料在紫外线的照射下性能会产生退化。 制备超轻金属和耐高温陶瓷材料 采用不同的后处理方法 ，如涂层或铸造 ，可以得到不同的最终材料。例如 ，镍气凝胶材 料就是以电镀的方式在树脂微点阵结构的表面镀上一层超薄的镍，制成超轻镍基微点阵材 料。在制造这种超轻材料时 ，首先采用3D打印技术制备所需结构的微点阵模板 ，再利用紫 外线直接照射到光反应单体树脂上 ，通过成千上万的小洞、一个掩膜和一层石英 ，从而形成 光波导 ，即可制造出3D微点阵结构。在造出微点阵结构以后 ，在微结构表面进行化学镀或 者电镀敷设金属薄膜 ，在经烧蚀或化学刻蚀掉树脂微结构后 ，即得到超轻空心管状微点阵金 属材料。当然，如果不用金属来制造镀层，用其他材料也可以制成各种不同的微点阵结构 ， 并且将具有不同的属性。 陶瓷材料用于高温或极端环境下的发动机热端部件、火箭喷口和头锥等 ，但将其通过铸 造或机械加工制成所需形状非常困难。近年 ，3D打印工艺的出现使得复杂几何形状陶瓷件 的加工生产成为可能。 但是 ，采用传统3D打印工艺打印陶瓷时 ，无论是沉积含有陶瓷微粒的光敏树脂、在陶 瓷微粒上喷射黏结剂 ，还是利用激光熔融陶瓷粉末床 ，都会受到生产速度的限制 ，而且经常 难以避免耗时较长的黏结剂清除过程。因而，目前3D打印出来的陶瓷产品往往会出现裂缝 或材料不均匀 ，可靠性及强度均较低。另外 ，目前的大部分3D打印陶瓷可使用的材料也只 有相对较低熔点的氧化物陶瓷，使零件的高温性能受到限制。 HRL实验室利用自动传布的光敏聚合物波导法和新型聚合物树脂配方，已验证了快速 制备高强、复杂几何形状陶瓷零件的能力。这种新型的聚合物树脂由 HRL实验室的高级化 学工程师Zak Eckel和资深化学家ChaoyinZhou发明，在制造陶瓷部件时，首先将该树 脂制成具有复杂外形的零件 ，然后置于炉中烧制 ，待树脂热解后 ，材料即均匀收缩成高密度 陶瓷零件。采用这种聚合物树脂可以制造碳氧化硅陶瓷部件，具备高硬度、强度、耐高温、 耐磨以及耐腐蚀等性能。 在利用这种聚合物树脂制造陶瓷前驱体单体时，HRL实验室起初也是采用传统的SLA 工艺来制造复杂外形，但需要数小时甚至数天时间。为此HRL实验室采用自动传布光敏聚 合物波导法来快速、大批量生产树脂原型零件 ，不仅生产速度快 ，而且可以制造出微点阵结 构的超轻陶瓷材料。这种方法可以制造耐温超过 1700℃的碳氧化硅陶瓷零件 ，其强度类似 于蜂窝陶瓷材料的 10倍左右，而且也可以制造其他陶瓷材料零件。 HRL实验室表示，陶瓷前驱体聚合物以及聚合物衍生陶瓷研究并非刚刚兴起。此类材 料早在 1960年代就已开发出来，当将其加热到 1000℃并处于氩气等惰性气体下，聚合物 发生热解 ，可形成许多种类陶瓷化合物