3D打印陶瓷型芯及产业应用

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陶瓷型芯是一种在制造金属零件时使用的模具，通常由陶瓷材料制成。它们可以用于铸造、锻造和压铸等工艺，以在零件表面形成复杂的形状或内部空腔。陶瓷型芯具有耐高温和化学腐蚀的特性，使其在高温和腐蚀性环境中也能保持稳定，因此在航空航天、汽车、能源等领域中，陶瓷型芯都有广泛的应用。

具体来说，在航空航天领域，陶瓷型芯用于制造涡轮发动机的空心叶片，这些叶片需要具有高度的精密性和耐高温性能。例如，适用于航空涡轮发动机空心叶片制作的陶瓷型芯，其品质要求极其严苛，包括构造的严密精准、复杂多变的几何形状、高度密集的孔隙结构，以及卓越的常温与高温下的力学特性。

在汽车领域，陶瓷型芯可用于制造发动机部件，如涡轮增压器的涡轮和压气机部件，这些部件在高温下工作，需要良好的热稳定性和耐磨性。

能源领域中，陶瓷型芯同样重要，尤其是在燃气轮机和蒸汽轮机的制造中，它们用于形成复杂的流道和叶片结构，以提高效率和耐用性。

陶瓷型芯的制造技术也在不断发展，3D打印技术的应用为生产制造复杂结构的陶瓷型芯提供了新的途径。

3D打印陶瓷型芯是一种利用3D打印陶瓷材料制成的型芯的方法。这种技术在航空航天、精密铸造等领域具有重要应用，特别是在制造复杂形状和内部结构的部件方面展现出了巨大的潜力。其中光固化3D打印技术研究应用最为广泛，以下是关于3D打印陶瓷型芯的一些关键点：

1. 工艺技术：3D打印陶瓷型芯技术主要基于光固化3D打印技术，3D打印陶瓷型芯材料的研究正朝着提高打印精度、降低成本、提高打印效率和力学性能的方向发展，以满足航空航天等高端制造领域的需求。

2. 材料要求：陶瓷型芯需要具备足够的室温强度和高温强度，以承受金属液的冲击，同时具有较高的气孔率(一般在20%-50%之间)，便于冷却和脱芯;

3. 工艺流程：3D打印陶瓷型芯的工艺流程通常包括陶瓷浆料的制备、3D模型设计、打印设备的设置、打印成形、脱脂、烧结和可能的强化处理。

4.研究进展：国内外对3D打印陶瓷型芯的研究进展主要集中在原材料选择、浆料粘度控制、打印参数优化、脱脂和烧结工艺等方面。

5. 挑战与机遇：3D打印陶瓷型芯面临的挑战包括提高尺寸精度、增强坯体强度、改善溶失性等，同时也存在通过新型材料和工艺优化来克服这些难题的机遇。

6. 材料体系：目前研究的陶瓷型芯材料主要包括二氧化硅基、氧化铝基、氧化钙基陶瓷型芯和新型材料体系等，每种材料都有其特定的性能特点和应用场景。

二氧化硅基陶瓷型芯：具有较低的热膨胀系数和良好的热稳定性，但可能在高温下发生蠕变。

氧化铝基陶瓷型芯：具有更高的高温稳定性和抗蠕变性能，但可能面临脱芯困难的问题。

氧化钙基陶瓷型芯：对熔融钛金属有良好的高温稳定性，但吸湿性问题需要解决。

新型材料体系：纳米复合陶瓷材料体系通过复合不同材料，可以在保持高气孔率的同时提高型芯的力学性能。

3D打印陶瓷型芯技术的发展，不仅推动了材料科学和制造技术的进步，也为复杂零部件的制造提供了新的解决方案。随着技术的不断成熟和优化，预计将在未来的高端制造领域扮演更加重要的角色，以下是国外一些典型产业应用：

从2019年开始，3DCERAM与乌克兰伊夫琴科-进步设计局合作，验证了CERAMAKER 900系列陶瓷3D打印机以及Silicore材料。他们一起实现了最佳的3D打印结果，并确保了生产高温合金涡轮叶片所需的复杂结构陶瓷型芯铸造型芯达到传统工艺的同等质量水平。

1. 技术优势：3D打印技术使得生产具有复杂内部冷却通道的涡轮叶片成为可能，这些叶片对于提高航空发动机的效率和性能至关重要。

2. 材料选择：Silicore是一种硅锆材料，具有低热膨胀系数、良好的热稳定性和抗热震性。这些特性使得它非常适合用于高温合金叶片的铸造型芯。

3. 应用成果：通过3D打印技术生产的陶瓷型芯成功应用于高温镍基合金叶片的铸造，与传统工艺相比，3D打印技术提供了更灵活的设计，能够制备高复杂性的型芯产品，加快了新设计迭代，并在特定数量下降低了制造成本。

这次合作展示了3D打印技术在高端制造领域的潜力，特别是在航空发动机这样对性能和可靠性要求极高的行业中。通过3D打印技术，可以生产出传统方法难以实现的复杂结构，从而提升产品性能并降低生产成本。

霍尼韦尔（Honeywell）作为全球知名的高科技企业，在陶瓷3D打印领域，霍尼韦尔也展现出了其技术实力和前瞻性的应用探索。霍尼韦尔是首批利用陶瓷3D打印技术制造涡轮叶片模具的喷气发动机制造商。该公司运用增材制造技术加速喷气发动机的开发与生产，预计可节省数百万美元的开发成本。霍尼韦尔已经成功使用Prodways设备为喷气发动机生产涡轮叶片陶瓷模具

成本节约：通过3D打印技术，霍尼韦尔预计可以节省数百万美元的开发成本。这可能是因为3D打印减少了传统制造过程中的多个步骤，如模具制造、机械加工等。

加速开发：3D打印技术可以快速从设计转化为实物，加速产品原型的制造和测试过程，缩短产品开发周期。

设计自由度：3D打印提供了更高的设计自由度，允许工程师设计出更复杂、更优化的涡轮叶片结构，这可能有助于提高发动机性能。

材料优化：使用Prodways的陶瓷打印设备，霍尼韦尔可以利用陶瓷材料制造模具，这些材料在耐高温和耐磨损方面具有优异性能，适合用于高性能发动机的制造。

生产效率：3D打印技术可以按需生产，减少库存成本，同时提高生产效率和响应市场变化的能力。

技术领先：作为首批采用陶瓷3D打印技术的公司之一，霍尼韦尔在这一领域的应用展示了其在制造技术方面的领先地位。

法国Safran Group 是航空航天领域的重要参与者，并且在3D打印陶瓷型芯技术方面有着显著的应用和研究进展。Safran Group 在2017年欧洲陶瓷增材制造大会AMCeramics上展示了初步的研究成果，已长期应用Lithoz陶瓷3D打印机制造陶瓷型芯。这表明Safran Group 在该领域的应用已经达到了一定的成熟度，通过3D打印，Safran Group 能够设计和制造出传统方法难以实现的复杂形状和结构的陶瓷型芯，从而提高发动机部件的性能和可靠性，并且正在积极探索3D打印技术在精密铸造中的潜力。