高壁厚、大尺寸、高致密，Lithoz發(fā)布LIS技術(shù)陶瓷3D打印機CeraMax Vario V900

導讀：目前，3D打印高性能陶瓷的主要工藝是立體光刻（SLA）和粘結(jié)劑噴射（BJ），這兩種技術(shù)具有不同的優(yōu)勢，對于陶瓷3D打印的發(fā)展都做出了重要貢獻。然而，這些3D打印技術(shù)仍然具有一定的局限性，因為在燒結(jié)階段不能完全排膠，所以無法生產(chǎn)高壁厚、大尺寸、完全致密的氧化物陶瓷產(chǎn)品。

2022年6月2日，南極熊獲悉，奧地利Lithoz（俐陶智）剛剛發(fā)布了一款全新的陶瓷3D打印機CeraMax Vario V900，由于使用水基漿料，有機粘合劑的含量低至2-3%，它能夠生產(chǎn)完全致密的大尺寸、壁厚可達 40 mm的陶瓷部件，這是陶瓷制造技術(shù)的新突破。

這款新設(shè)備采用LIS（Laser Induced Slip Casting）激光誘導注漿成型技術(shù)，可以打印出各類工業(yè)應(yīng)用的陶瓷產(chǎn)品，而且與傳統(tǒng)陶瓷加工方法相比還具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

▲CeraMax Vario V900 陶瓷3D打印機，將尺寸、厚壁、完全致密等特性結(jié)合，可用于大型部件甚至黑色陶瓷打印(來源：Lithoz)

1.LIS 激光誘導注漿成型技術(shù)原理及發(fā)展歷程

LIS技術(shù)的研發(fā)最早開始于2017年，當時，Günster教授團隊在德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所（BAM）研究和測試 LSD分層漿料沉積工藝(Layer-wise Slurry Disposition)。LSD是一種基于粉末的選擇性激光燒結(jié)工藝，但它同時使用干燥的陶瓷粉末和陶瓷漿液作為打印基材，這樣更有利于沉積。

然而，用LSD工藝打印陶瓷還有一些問題，比如打印出的生坯對熱非常敏感，因為漿料中含有較高比例的水分，在干燥過程中，水分蒸發(fā)得太快，有時會導致生坯爆裂。通過去除粉末層，將激光直接對準陶瓷漿料懸浮液，不僅簡化了工藝流程，而且也使得生坯經(jīng)過了加熱，并且不會產(chǎn)生任何質(zhì)量問題。改進后的技術(shù)就是我們所說的LIS工藝，這是一種全新的陶瓷增材制造（AM）技術(shù)形式。技術(shù)流程主要包含以下六個步驟：

▲LIS工藝流程（BAM提供，J. Günster教授）

① 在成型平臺上涂上一層漿料。

②用波長為10.6 μm的CO2激光器根據(jù)當前層的圖案對漿料進行局部干燥。
③ 再鋪上一層漿液。
④ 激光再次使?jié){液干燥。
⑤ 逐層重復上述過程，直到打印出所需幾何形狀的完整生坯。到這一步，生坯仍處于懸浮狀態(tài)。
⑥  打印完最后一層后，打印平臺抬起，多余的漿料流走，留下生坯。

以上展示了LIS工藝的各個步驟，BAM團隊表示這是 "一種新的增材制造方法”，可生成具有高顆粒堆積密度的陶瓷生坯，而且對原料的顆粒大小幾乎沒有限制 。因此，LIS技術(shù)可以直接加工工業(yè)陶瓷生產(chǎn)中經(jīng)常使用的材料，比如氧化鋁和氧化鋯，甚至是氮化硅和碳化硅等陶瓷。

目前，CeraMax Vario V900設(shè)備提供了兩種不同的打印尺寸，分別為100 mm x 100 mm或 250 mm x 250 mm (x/y)。

▲CeraMaxVario V900打印平臺，最大為 250 mm x 250 mm x 290 mm（來源：Lithoz）

Lithoz表示，在設(shè)備正式發(fā)布之前，就有客戶訂購了四臺 CeraMax Vario V900陶瓷3D打印機，這款設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如下。

表 Lithoz CeraMaxVario V900的技術(shù)參數(shù)

2.LIS技術(shù)將改變陶瓷3D打印

如果將CeraMax Vario V900及LIS技術(shù)與現(xiàn)有的陶瓷3D打印機系統(tǒng)（SLA、BJ）對比，會發(fā)現(xiàn)它是一種制造高性能陶瓷部件的全新方法，為陶瓷的3D打印提供了新的可能性。主要有以下優(yōu)勢：

●使用水基漿料，有機粘合劑的含量低至2-3%。
●不需要額外排膠，因為粘合劑含量低
●可以打印氧化鋁、氧化鋯、以及氮化硅、碳化硅等深色陶瓷材料
●生坯可直接進行加工
●可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)工藝相同的壁厚
●收縮率可事先精確計算
●能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的三維結(jié)構(gòu)

LIS 工藝使用水基漿料，有機粘合劑含量極低僅為 2-3%。CO2激光通過局部加熱來打印結(jié)構(gòu)，熱量會導致與粉漿澆注類似的致密化。此外，由于使用了水基、幾乎不含有機物的懸浮液，LIS技術(shù)打印的生坯具有開放的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。如果生坯以 2–3 K/min 的速度均勻加熱，所含的少量有機物會完全排出，之后不再需要脫脂燒結(jié)環(huán)節(jié)。使用 LIS  3D 打印技術(shù)，可以很容易地生產(chǎn)出傳統(tǒng)工藝（如粉漿澆注）才能實現(xiàn)的壁厚。LIS 技術(shù)打印的陶瓷部件壁厚可達到約 40 mm，無論部件的尺寸是多少，最終產(chǎn)品致密度都非常好，這是陶瓷 3D 打印技術(shù)新的里程碑。

▲正在沉積的新漿液層，層厚為300μm

LIS 工藝的另一個優(yōu)勢是可以對生坯進行銑削、磨削或鉆孔，這與傳統(tǒng)的陶瓷工藝相同。但利用3D 打印可以生產(chǎn)高度復雜的 3D 結(jié)構(gòu)。CeraMax Vario V900 首次實現(xiàn)了使用增材制造工藝打印工業(yè)級高致密度的碳化硅。LIS技術(shù)為當今使用的增材制造技術(shù)譜系增加了一個新的維度。

▲CeraMax Vario V900打印的氧化鋁樣品（a）碳化硅樣品（b）的SEM圖像

3.LIS技術(shù)將有效降低陶瓷打印成本
除了取得技術(shù)突破之外，Lithoz推出的CeraMax Vario V900打印機還能夠降低陶瓷3D打印的成本。比如：

● 材料成本：現(xiàn)有成熟的陶瓷工業(yè)材料，只需為LIS工藝稍作調(diào)整即可使用，材料的單位成本與傳統(tǒng)工藝幾乎沒有區(qū)別。
● 轉(zhuǎn)換成本：生坯打印完成之后可以直接進入傳統(tǒng)的后加工步驟，如干燥、精加工和燒結(jié)。因此，采用LIS技術(shù)只需要在生產(chǎn)工藝流程做少量變動。
● 時間成本：CeraMax Vario V900的打印速度很快，只需要大約30-40秒就能完成一層的打印。
● 模具成本：通過傳統(tǒng)壓制工藝生產(chǎn)陶瓷部件需要定制模具，模具投資約5000-20000歐元。使用LIS工藝可以省去模具成本，對于小批量生產(chǎn)或者原型制造尤為重要。
● 模具交付時間：除了模具的制造成本外，還可以省去約三至六周的模具交付時間。
● 初始制樣成本：基于完全數(shù)字化的成型工藝，可以通過對材料特性的精確預(yù)測，從而有效避免了多次制樣試驗。
● 能源成本：由于收縮率可以精確計算，打印一個零件后只需要進行一次樣品燒制，能源成本大大降低。
● 機器停機成本：減少傳統(tǒng)工藝制樣期間因為加壓和更換模具所產(chǎn)生的停機成本。

▲CeraMaxVario V900可以打印大尺寸、高完成度的陶瓷部件（來源：Lithoz）

Lithoz表示：使用CeraMaxVario V900生產(chǎn)訂單，從收到訂單到成品部件，可以在一周內(nèi)完成。CeraMax Vario V900能夠快速地融入現(xiàn)有的陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈，先進的制造成型過程能夠使生產(chǎn)效率大大提升。打印出的零件可以很容易地進行后加工?？梢詮V泛用于雷達罩、航空航天衛(wèi)星鏡，以及半導體和機械行業(yè)常用的部件如陶瓷環(huán)和噴嘴零件，甚至也包括衛(wèi)浴產(chǎn)品和工藝品設(shè)計。

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