從生胚到最終零部件，陶瓷3D打印中的質(zhì)量管理問題

魔猴君  行業(yè)資訊   1684天前

報(bào)告顯示陶瓷增材制造的應(yīng)用將在2025年之后經(jīng)歷一個(gè)增長拐點(diǎn)。主要原因是，陶瓷增材制造3D打印技術(shù)將逐漸成熟，市場(chǎng)上存在足夠支撐這一技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的生產(chǎn)需求。

3D打印陶瓷作品

從中長期來看，3D打印陶瓷部件的附加價(jià)值將推動(dòng)用戶對(duì)于陶瓷增材制造硬件和材料的需求。對(duì)于工程陶瓷、先進(jìn)陶瓷材料的應(yīng)用來說，這一趨勢(shì)體現(xiàn)的更為明顯。

陶瓷零部件生產(chǎn)對(duì)于陶瓷3D打印技術(shù)的成本、工藝集成提出了更高要求，但更提出更多挑戰(zhàn)的是如何達(dá)到常規(guī)陶瓷零部件制造的質(zhì)量要求。

3D打印陶瓷作品

德國Franhofer （HTL）研究所的研究人員，對(duì)市場(chǎng)上常用陶瓷3D打印技術(shù)以及陶瓷生胚后處理環(huán)節(jié)中的質(zhì)量管理問題進(jìn)行了研究。本期，魔猴網(wǎng)將分享Franhofer （HTL）對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行的概述。

陶瓷3D打印發(fā)展路線圖。來源：《3D打印與陶瓷白皮書1.0》

 復(fù)雜結(jié)構(gòu)使熱處理難度更高

3D打印技術(shù)在陶瓷零件生產(chǎn)中得到應(yīng)用有五個(gè)主要原因：

*實(shí)現(xiàn)非常輕巧的結(jié)構(gòu)；

*通過功能集的單一零件，替代以往需要由許多組件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省組裝成本，提升產(chǎn)品性能。

*制造個(gè)性化組件，如：骨科植入物、義齒等；

*按需生產(chǎn)，從而在物流和備件供應(yīng)方面開辟新路線；

*消除了昂貴模具的制造，實(shí)現(xiàn)小規(guī)模陶瓷零件的生產(chǎn)。

圖1 a. 3D打印陶瓷輕質(zhì)容器；b. 3D打印陶瓷傳感器，可同時(shí)測(cè)量氣體流量和溫度。來源：Process engineering 

總體來看，可用于陶瓷增材制造-3D打印的技術(shù)分為兩大類。一類是同時(shí)進(jìn)行材料成型和致密化的技術(shù)，包括粉末床熔融，定向能量沉積；另一類是將成型與致密化分開進(jìn)行的技術(shù)，包括：材料噴射、材料擠出、片材層壓，粘結(jié)劑噴射和光聚合工藝（SLA、DLP等），這些3D打印技術(shù)用于制造陶瓷生胚，并需要對(duì)生坯進(jìn)行熱處理，以獲得最終產(chǎn)品。

在第一類增材制造工藝中，由于施加了較高的溫度梯度，從而在陶瓷零件中產(chǎn)生了較高的熱應(yīng)力和損壞，因此這類技術(shù)并非是陶瓷增材制造的主流技術(shù)。第二類技術(shù)由于包含了幾種不同3D打印工藝，這種多樣化增加了陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)夹g(shù)進(jìn)行應(yīng)用和質(zhì)量管理的難度。

l 陶瓷增材制造的質(zhì)量管理

陶瓷3D打印技術(shù)要實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)度和可靠性以及最終的凈形性能，將面臨一些挑戰(zhàn)。通常，強(qiáng)度和可靠性取決于微觀結(jié)構(gòu)的均勻性和表面粗糙度。與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，使用增材制造技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)。燒結(jié)過程中的變形會(huì)影響到零件的凈形性能。建議使用閉環(huán)的3D打印零件在線尺寸控制技術(shù)。

圖2 陶瓷增材制造相關(guān)質(zhì)量因素。來源：Process engineering

原料檢查是增材制造過程質(zhì)量管理中的關(guān)鍵問題（圖2），流變學(xué)測(cè)量等技術(shù)可用于原料控制。

3D打印技術(shù)為陶瓷零件設(shè)計(jì)帶來更高自由度，可實(shí)現(xiàn)自由曲面、點(diǎn)陣、鏤空等結(jié)構(gòu)，但增材制造技術(shù)仍存在一定的設(shè)計(jì)限制，例如在增材制造和燒結(jié)過程中需要支撐結(jié)構(gòu)的懸垂零件。Franhofer （HTL）建議使用特定軟件來進(jìn)行陶瓷零件的增材制造設(shè)計(jì)。但大多數(shù)工程師需要專門的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)才能充分利增材制造技術(shù)。

根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域，增材制造必須滿足與常規(guī)生產(chǎn)工藝相同的標(biāo)準(zhǔn)，例如航空航天方面的EN / AS 9100，汽車行業(yè)的IATF 16949和醫(yī)療技術(shù)的ISO 13485。陶瓷增材制造領(lǐng)域尚處于發(fā)展早期階段，目前還沒有針對(duì)陶瓷3D打印的特定標(biāo)準(zhǔn)，但可以使用許多通用標(biāo)準(zhǔn)，例如：DfAM的ISO 52910-17，文件格式的ISO 52915-16，坐標(biāo)系和測(cè)試方法的ISO 52921-13。此外，關(guān)于針對(duì)陶瓷材料的“為增材制造而設(shè)計(jì)”VDI 指南正在制定當(dāng)中。

l 3D打印陶瓷生胚質(zhì)量控制

多數(shù)常見陶瓷增材制造工藝都包括兩重要環(huán)節(jié)，即完成生胚3D打印后還需要燒結(jié)。生胚可用于質(zhì)量檢查，從生坯中獲得的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化3D打印參數(shù)和原料特性非常有幫助。

生坯質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)成型的標(biāo)準(zhǔn)相同：緊密匹配設(shè)定的形狀，陶瓷顆粒的均質(zhì)和致密堆積，粘合劑的均質(zhì)分布，光滑的表面以及沒有缺陷（如空洞或分層）。

因此，原則上，可以使用與標(biāo)準(zhǔn)工藝相同的方法來表征3D打印陶瓷生坯。但是，由于為增材制造而設(shè)計(jì)的3D打印生胚具有復(fù)雜幾何形狀，通常比標(biāo)準(zhǔn)成型工藝中的生坯測(cè)量形狀要復(fù)雜得多。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）作為非接觸式方法，可用于陶瓷3D打印生胚的檢測(cè)，例如，檢測(cè)非常細(xì)的支柱或空腔結(jié)構(gòu)。

圖3 3D打印的氧化鋁生坯的均質(zhì)性和層結(jié)構(gòu)的測(cè)量：a）通過計(jì)算機(jī)斷層掃描測(cè)量的粘結(jié)劑噴射3D打印零件橫截面；b）通過掃描電子顯微鏡量的光聚合3D打印零件橫截面。來源：Process engineering

圖3a顯示出了根據(jù)CT測(cè)量的，氧化鋁陶瓷生坯部分的垂直橫截面。該零件的3D打印技術(shù)為粘結(jié)劑噴射，材料為干燥的氧化鋁粉末。在此過程中，只能使用可流動(dòng)的粉末，從而將顆粒尺寸限制為直徑大于10 μm的粗粉。

直徑小于1 μm的細(xì)陶瓷顆粒可用于基于漿料3D打印的工藝，如SLA 3D打印。但是，大多數(shù)CT設(shè)備的分辨率不足以解決微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。掃描電子顯微鏡（SEM）可用于研究具有高分辨率的結(jié)構(gòu)（圖3b）。可以觀察到，層之間的顆粒密度較低。總體均勻性高于粘結(jié)劑噴射技術(shù)制造的陶瓷零件，這是基于陶瓷漿料和光聚合增材制造工藝的典型特征。

l 熱處理過程中的質(zhì)量問題

原則上，在3D打印陶瓷部件熱處理過程中出現(xiàn)的問題與常規(guī)生產(chǎn)方式制造的生坯相似。然而，熱處理的優(yōu)化通常更加困難。根據(jù)增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，由于粘結(jié)劑濃度高和/或?qū)娱g粘合力低，脫脂時(shí)容易導(dǎo)致脫層或破裂。與常規(guī)成型工藝相比，在具有較低生坯密度的3D打印工藝中，燒結(jié)通常更復(fù)雜，有可能導(dǎo)致收縮率和翹曲增強(qiáng)，而各向異性收縮率通常會(huì)疊加，尤其是對(duì)于3D打印復(fù)雜花絲結(jié)構(gòu)，變形更為嚴(yán)重。

然而制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)是3D打印技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)的典型優(yōu)勢(shì)。那么，如何克服3D打印陶瓷零件熱處理的困難，從而使陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域能夠利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)呢？

脫脂過程中的熱量和質(zhì)量流量。來源：Process engineering

在脫脂過程中，粘合劑和其他有機(jī)成分的熱分解和燃燒伴隨著吸熱和放熱過程，同時(shí)在氣態(tài)熱解產(chǎn)物向外流動(dòng)期間，生坯的孔道內(nèi)的氣體壓力增加（圖4）。如果相應(yīng)的應(yīng)力超過生坯的強(qiáng)度，溫度梯度和超壓會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和破壞。

系統(tǒng)優(yōu)化脫脂周期期間的工作流程。來源：Process engineering

這種情況下，可以在有限元（FE）模型中進(jìn)行脫脂仿真，其中將熱解和燃燒反應(yīng)，孔道內(nèi)和表面的氣流以及由于這些反應(yīng)而產(chǎn)生的熱流和熱量產(chǎn)生/消耗結(jié)合起來（圖5）。根據(jù)溫度和壓力分布，在整個(gè)排膠周期中計(jì)算機(jī)械應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行脫脂循環(huán)以確保應(yīng)力始終遠(yuǎn)低于強(qiáng)度極限。

為了獲得足夠的仿真精度，需要一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)使用熱重分析，差示掃描量熱法和質(zhì)譜（TG-DSC-MS）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱分析，可提供非常小的樣品的輸入，這些樣品對(duì)應(yīng)于后續(xù)有限元模擬中的各個(gè)元素。

脫脂優(yōu)化數(shù)據(jù)采集所需的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：a）熱光測(cè)量爐；

b）用于在六個(gè)部分剝離的樣本上進(jìn)行四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試的多樣本支架。來源：Process engineering 

特定的熱光測(cè)量（TOM）爐用于測(cè)量較大的樣本并獲得其他數(shù)量（圖6a）。TOM方法也適用于通過聲發(fā)射測(cè)量來仿真驗(yàn)證，靈敏地檢測(cè)熱循環(huán)過程中樣品中的裂紋。

另外有一種基于實(shí)驗(yàn)的連續(xù)有限元模型，用于燒結(jié)發(fā)仿真。燒結(jié)的輸入數(shù)據(jù)是收縮率，熱擴(kuò)散率和粘稠的材料特性。特殊的TOM爐可用來獲得這些數(shù)據(jù)。FE模型結(jié)合了溫度場(chǎng)，劇烈的動(dòng)力學(xué)和機(jī)械應(yīng)力，還考慮了重力和摩擦力，這對(duì)于燒結(jié)3D打印的零件很重要。

有時(shí)，熔體滲透是替代燒結(jié)獲得致密陶瓷零件的替代方式，在此方法中，熔體通過毛細(xì)力被浸入孔隙通道中。用熔體滲透進(jìn)行粘結(jié)劑噴射3D打印的SiC高溫組件后處理，已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。圖1a中的3D打印陶瓷容器就是以這種方式制造的。熔體滲透的優(yōu)點(diǎn)是避免了收縮和燒結(jié)變形，尤其適用于粘結(jié)劑噴射3D打印制造的燒結(jié)活性低的生坯零件。熔體滲透工藝也可以通過原位測(cè)量和有限元模擬來優(yōu)化。

l 3D打印陶瓷零件的最終檢查

尺寸檢查是增材制造零件質(zhì)量控制中最重要的任務(wù)之一。但是，與常規(guī)測(cè)量相比，處理帶有空腔等的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變得更加困難。CT可以用作尺寸控制的通用工具，而不受結(jié)構(gòu)約束的影響。在使用特殊算法時(shí)，可以定量測(cè)量實(shí)際幾何形狀與目標(biāo)幾何形狀之間的偏差。

光聚合3D打印氧化鋁罩的設(shè)定幾何形狀和最終形狀（高度54毫米）之間的差異。來源：Process engineering

圖7 是一個(gè)由光聚合3D打印工藝制造的氧化鋁燒結(jié)聲鐘，用于通過聲音發(fā)射測(cè)量。根據(jù)前面提到的燒結(jié)變形計(jì)算方式，可以得出質(zhì)量控制和過程優(yōu)化的關(guān)鍵指標(biāo)，并可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷。所測(cè)量的結(jié)構(gòu)（包括大缺陷）被轉(zhuǎn)移到有限元模型，在有限元模型中施加載荷，檢查應(yīng)用性能是否受到重大損害。

由于應(yīng)力集中以及出于美學(xué)原因，3D打印陶瓷零件的表面粗糙度可能很關(guān)鍵，可以通過激光掃描顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。Franhofer HTL使用內(nèi)部軟件提取幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，估算局部應(yīng)力濃度。與CT數(shù)據(jù)一樣，可以將表面掃描轉(zhuǎn)移到FE模型中，并根據(jù)允許的應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。如果表面不夠光滑或尺寸公差非常嚴(yán)格，則無法避免加工。為此，可以使用五軸自動(dòng)加工中心，它們可以調(diào)整自由曲面的形狀。

l 成本與效率因素

除產(chǎn)品質(zhì)量外，成本是在陶瓷生產(chǎn)中使用增材制造的關(guān)鍵性能指標(biāo)，成本受到增材制造通量和生產(chǎn)時(shí)間的影響。制約制造通量的因素包括3D打印過程本身和隨后的熱處理過程，由于大型爐子可以并行處理多次打印的零件，因此不會(huì)影響產(chǎn)量。但熱處理會(huì)影響生產(chǎn)時(shí)間，尤其是在需要較長的脫脂步驟時(shí)，時(shí)間消耗上升。

另一個(gè)影響陶瓷增材制造的成本因素是原材料。目前，用于3D打印的原料比標(biāo)準(zhǔn)的原材料要昂貴得多。另外，工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備的價(jià)格通常上百萬元，但隨著更低售價(jià)的小型化設(shè)備走向市場(chǎng)，陶瓷增材制造的投資門檻進(jìn)一步降低。此外，通過流程自動(dòng)化和各環(huán)節(jié)設(shè)備的集成，3D打印成本也會(huì)進(jìn)一步降低。

每種不同的陶瓷3D打印工藝都有著自身的優(yōu)勢(shì)。在目前所有陶瓷增材制造技術(shù)中，光聚合3D打印是與生產(chǎn)最相關(guān)的技術(shù)，該技術(shù)使用的陶瓷漿料是小顆粒或顆粒混合物，能夠制成相對(duì)較高密度的生胚。分層漿料沉積（Layerwise Slurry Deposition，LSD）和自由流動(dòng)結(jié)構(gòu)（Free Flow Structuring，F(xiàn)FS）也是基于漿料材料的打印工藝，可用于較大的部件。LSD和FFS可通過增加打印頭，實(shí)現(xiàn)多種材料的打印。多材料打印也是噴墨打印工藝的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)的打印分辨率得到快速提升，但后續(xù)的燒結(jié)限制了多材料增材制造的應(yīng)用，在這種情況下需要適應(yīng)收縮性能。

根據(jù)目前陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展情況來看, 3D打印將被選擇性的用于小批量、高附加值陶瓷零部件生產(chǎn)，制造商可以根據(jù)特定生產(chǎn)任務(wù)選擇陶瓷3D打印技術(shù)。

來源：3D科學(xué)谷