各位小伙伴，今天给大家分享3D ceram公司的技术文献《Eco-Friendly Investment Casting: Technical Ceramic 3D Printing Leads the Way 》，详细介绍了3D打印陶瓷型芯的制备过程。
在从一家工业铸造厂获得材料和结构简单的型芯认证后，3DCERAM继续致力于优化其产品。实际上，对于尺寸更大、机械强度更低且尺寸更难控制的型芯的需求，要求对浆料进行优化以满足这些新的工业规格。 由于航空工业对更高效发动机的需求，用于生产涡轮叶片的铸造芯变得越来越复杂，采用传统的陶瓷注射成型工艺难以生产。 提高型芯的质量必须采取环保措施，以降低与该行业相关流程的整体碳足迹。立体光刻3D打印是一种创新的增材制造工艺，能够生产出高精度、短周期且成本低的复杂型芯，从而制造出更高效的发动机。SLA3D打印陶瓷浆料直接影响陶瓷型芯的性能。高固含量和低粘度的浆料对于制造出密度高、裂纹少且微观结构均匀的陶瓷型芯是必不可少的。必须在保持足够孔隙率以确保在工艺结束时能有效去除型芯的同时，实现最佳的弯曲强度和最低的烧结收缩率。所有这些性能都是降低生产成本的先决条件。 从而减少了工艺流程中的浪费以及碳足迹。得益于特定起始产品的使用以及定制的陶瓷悬浮液开发，获得了符合规格要求的最优性能。
陶瓷型芯是制造内燃机叶片的关键部件。高效的冷却叶片能够确保工作介质的温度更高，从而提高发动机的功率和效率，使发动机运转更顺畅，降低油耗并减少排放。为应对这一挑战，叶片内部设有集成冷却通道。由于构成涡轮叶片的合金不易加工或锻造，因此采用熔模铸造工艺生产叶片。在这一复杂且包含多个步骤的工艺中，陶瓷芯作为牺牲材料，在合金熔化后充当负模[1]。如今，随着客户对更小、更高效、更经济的发动机的需求不断增加，对复杂型芯设计的需求也大幅上升。这些型芯可能包含内部通道和腔室，以促进气流冷却叶片[2,3]。这些新型复杂型芯难以通过诸如陶瓷注射成型之类的常规工业工艺生产出来[4,5]，因为这需要将型芯分成几个部分，然后手动组装，过程非常复杂，而且废品率极高。此外，由于模具结构复杂，采用传统方法开发新型型芯的周期可能很长，所以在生产过程中对型芯进行细微调整的空间很小。 在此背景下，3DCERAM开发了一种基于激光立体光刻（SLA）3D打印技术生产陶瓷型芯的工艺。 该工艺采用逐层制造的方式，通过计算机控制的紫外线激光束对光固化陶瓷悬浮液进行选择性固化，从而制造出三维部件[6,7,8,9]。这种创新技术为传统的芯模生产工业流程带来了新的维度。实际上，除了节省时间和提高生产率之外，增材制造还具有以下优势：设计灵活、芯模复杂度可提高、新设计的快速创建（无需模具，直接从CAD文件生产零件）、响应更迅速以及盈利能力增强（投资和变更成本更低，无需工具维护和存储成本）。 用于生产陶瓷型芯的陶瓷的选择取决于所采用的合金类型[10]，并且必须满足以下标准：在铸造阶段芯与金属之间不发生化学反应，具有耐热性和机械强度以抵御金属浇铸，金属冷却后具有良好的可浸蚀性以及低热膨胀系数。铸造过程中使用的陶瓷芯包括基于二氧化硅[11]、锆英石[12]、氧化铝[13]、硅酸铝[14]和钛酸铝[15]的陶瓷芯。对于在较高温度下具有反应性的合金，则使用诸如氧化钇[16]或氧化钇/氧化铝混合物[17]等其他耐火材料。 在本研究中，研究重点放在了硅质材料上，因为它们在熔模铸造中被广泛使用。硅质陶瓷芯具有良好的热稳定性，这是由于其热膨胀系数低，同时具有出色的抗热震性和高溶解性[18]。此外，硅质芯在苏打或钾碱溶液中容易去除，且不会对合金造成损害。最后，硅质芯的烧结通过脱玻化过程形成方石英，从而确保了芯的耐高温性。 因此，本文重点研究了用于通过3D打印生产硅砂型芯的高固相含量浆料的开发[19-20]。该过程旨在确定高固相含量与低粘度浆料之间的最佳平衡，以实现型芯打印，并最终获得最佳的型芯质量。对型芯与 CAD模型的尺寸偏差进行了评估，并对材料进行了机械和化学特性分析，以确认其符合铸造型芯的应用要求。 3DCERAM公司的CERAMAKERC1013D打印机已被用于陶瓷型芯的增材制造。该技术通常包括以下步骤：首先，通过计算机辅助设计创建待生产部件的计算机模型，其尺寸略大于部件的实际尺寸，以考虑热处理过程中的收缩。然后，使用刮刀在工作平台上沉积一层通常包含至少一种陶瓷材料和一种有机光敏粘合剂的光固化组合物（图1）。通过激光扫描表面并根据 CAD模型定义的图案进行照射，对这第一层进行选择性固化。随后，平台下降到所需的层厚，按照同样的程序制作第二层。此过程重复进行直至完成所有层，从而得到生坯，然后对其进行清洗以去除未固化的浆料。最后，对生坯进行脱脂以去除有机相，并进行烧结以获得致密的陶瓷部件。 本研究中使用的陶瓷悬浮液由3DCERAM开发，旨在实现 CERAMAKERC101/C1000机器上陶瓷型芯的最佳打印效果，并确保产品质量与传统方法相当。 该膏体配方包含多种成分，包括：陶瓷粉、有机单体、能吸收紫外线激光发射波段的光引发剂、分散剂以及几种用于调节粘度和反应性的添加剂。已使用了一种特定的粉末混合物。由于保密问题，浆料配方的其他细节以及表征方法在此文中将不予详述。 根据注塑领域的反馈意见，遵循同样的标准来实现获得符合制造商规格的型芯所需的性能。也就是说，要配制出固含量最高（>65%）的可打印浆料。
通过一种突破性的立体光刻3D打印工艺，生产出了具有复杂几何形状和定制性能的高精度陶瓷型芯。与传统的支撑结构制作方法相比，该技术在时间和成本方面更具优势，而且由于能够在几天内制造出几十个零件，因此可用于工业生产型芯。 由于采用了特定的陶瓷粉末以及开发了高固相含量的定制浆料，烧结芯的性能得到了优化。实际上，该材料的机械性能符合工业规范。此外，30%的孔隙率与方石英含量相结合，10%的含量确保了在热处理过程中具有较高的尺寸稳定性（通过膨胀分析已确认），同时也保证了陶瓷芯良好的可浸出性。 这证明了这种材料符合规格要求，并且能够通过所介绍的新支撑技术成功用于陶瓷型芯的生产。免责申明：所有信息均源于网络，本公众号致力于打造分享国外高端精密铸造技术等相关资讯及经验交流平台，相关内容仅供参考学习，所有转载及汇编内容，均不代表本公众号赞同其观点，不能完全保证其真实性。如若本公众号无意侵犯媒体或个人知识产权，请私信联系，我们将立即予以删除。
