SUPSI 大學開發(fā)打印復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的混合增材制造工藝

2023年5月27日，南極熊獲悉，來自帕多瓦大學的研究人員開發(fā)出了一種可打印復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu)的新型混合增材制造工藝，該工藝由Ortona 教授的博士生 Marco Pelanconi開發(fā)，并用于完成了他的博士課題，所使用的3D打印機是由 Sintratec 套件組裝完成。

在過去的 20 年里，瑞士南部應(yīng)用科學與藝術(shù)大學 (SUPSI) 的混合材料實驗室 (HM Lab) 一直在從事陶瓷制造的前沿技術(shù)研究。在2019 年，HM 實驗室負責人Alberto Ortona 教授就已經(jīng)展示了多孔 3D 打印技術(shù)在陶瓷材料方面的潛力。

△MarcoPelanconi（最左）和 Alberto Ortona 教授（右三）和他們在混合材料實驗室的團隊。資料來源：Sintratec。

一種新穎的混合增材制造工藝

在他的博士論文課題中，Pelanconi 提出了一種優(yōu)化的增材制造生產(chǎn)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的工藝。該方法涉及選擇性激光燒結(jié) (SLS)技術(shù)和預(yù)制陶瓷聚合物熔滲工藝：首先，3D 打印出具有高微孔率的陶瓷聚合物預(yù)制件；然后，將預(yù)制件在大約 1000°C 下進行熱解，實現(xiàn)從聚合物到陶瓷的轉(zhuǎn)化；最后，通過熔融硅滲透進行最終致密化，以獲得高密度的陶瓷部件。

具有開放參數(shù)的孔隙度控制

Marco Pelanconi在他的課題研究中使用到的Sintratec 套件是世界上第一個也是唯一一個 SLS 領(lǐng)域的組裝套件，這款3D 打印機具有開源的設(shè)置參數(shù)，對于Pelanconi博士課題起到了至關(guān)重要的作用。Pelanconi 說：“該套件使我們能夠改變許多打印參數(shù)，包括粉末表面溫度、層厚度、激光速度、搭接間距等，從而輕松控制 3D 打印部件的孔隙率。通過改變這些因素，SUPSI 大學的材料工程師能夠獲得理想的孔隙率（對于進一步滲透至關(guān)重要），從而獲得高質(zhì)量的零件。“

復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)

為了說明這種方法如何應(yīng)用到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造，Pelanconi 的研究集中在兩種具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的圓柱形多孔結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)立方體和陀螺儀。在用 Sintratec PA12 設(shè)備中完成打印并轉(zhuǎn)化為陶瓷后，所得部件表現(xiàn)出出色的機械和熱性能。盡管體積收縮了約 25%，但它們保持了原始形狀，沒有變形或宏觀裂紋。根據(jù) Pelanconi 的說法，通過進一步的工藝優(yōu)化，它們的雙軸強度仍然可以提高165 MPa，這一點令人印象深刻。

不同行業(yè)的應(yīng)用潛力

Pelanconi 說：“陶瓷類別的材料具有鋼無法比擬的熱機械性能，例如耐高溫、高抗氧化性、高抗熱震性和高強度。” 因此，陶瓷非常適合用于極端環(huán)境，例如熱交換器、催化劑載體、蓄熱器、燃燒器或航空航天。這種由 Marco Pelanconi 在 HM 實驗室內(nèi)實施的創(chuàng)新方法可以被高科技行業(yè)利用，這要歸功于從范圍廣泛的預(yù)陶瓷聚合物中獲得許多不同陶瓷材料的研究思路。