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 1653天前
報告顯示陶瓷增材制造的應用將在2025年之后經(jīng)歷一個增長拐點。主要原因是，陶瓷增材制造3D打印技術(shù)將逐漸成熟，市場上存在足夠支撐這一技術(shù)應用發(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值將推動用戶對于陶瓷增材制造硬件和材料的需求。對于工程陶瓷、先進陶瓷材料的應用來說，這一趨勢體現(xiàn)的更為明顯。
陶瓷零部件生產(chǎn)對于陶瓷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，對市場上常用陶瓷3D打印技術(shù)以及陶瓷生胚后處理環(huán)節(jié)中的質(zhì)量管理問題進行了研究。本期，魔猴網(wǎng)將分享Franhofer （HTL）對相關(guān)問題進行的概述。
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)中得到應用有五個主要原因：
*實現(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方面開辟新路線；
*消除了昂貴模具的制造，實現(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，可同時測量氣體流量和溫度。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。一類是同時進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，并需要對生坯進行熱處理，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)進行應用和質(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)要實現(xiàn)零件的高強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。與標準產(chǎn)品相比，使用增材制造技術(shù)很難實現(xiàn)這兩點。燒結(jié)過程中的變形會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），流變學測量等技術(shù)可用于原料控制。
3D打印技術(shù)為陶瓷零件設計帶來更高自由度，可實現(xiàn)自由曲面、點陣、鏤空等結(jié)構(gòu)，但增材制造技術(shù)仍存在一定的設計限制，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行陶瓷零件的增材制造設計。但大多數(shù)工程師需要專門的培訓和學習才能充分利增材制造技術(shù)。
根據(jù)其應用領(lǐng)域，增材制造必須滿足與常規(guī)生產(chǎn)工藝相同的標準，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，目前還沒有針對陶瓷3D打印的特定標準，但可以使用許多通用標準，例如：DfAM的ISO 52910-17，文件格式的ISO 52915-16，坐標系和測試方法的ISO 52921-13。此外，關(guān)于針對陶瓷材料的“為增材制造而設計”VDI 指南正在制定當中。
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)量的標準與常規(guī)成型的標準相同：緊密匹配設定的形狀，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，可以使用與標準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計的3D打印生胚具有復雜幾何形狀，通常比標準成型工藝中的生坯測量形狀要復雜得多。計算機斷層掃描（CT）作為非接觸式方法，可用于陶瓷3D打印生胚的檢測，例如，檢測非常細的支柱或空腔結(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)的測量：a）通過計算機斷層掃描測量的粘結(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的細陶瓷顆?？捎糜诨跐{料3D打印的工藝，如SLA 3D打印。但是，大多數(shù)CT設備的分辨率不足以解決微觀結(jié)構(gòu)的細節(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?？傮w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，由于粘結(jié)劑濃度高和/或?qū)娱g粘合力低，脫脂時容易導致脫層或破裂。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)通常更復雜，有可能導致收縮率和翹曲增強，而各向異性收縮率通常會疊加，尤其是對于3D打印復雜花絲結(jié)構(gòu)，變形更為嚴重。
然而制造復雜結(jié)構(gòu)是3D打印技術(shù)相對于傳統(tǒng)技術(shù)的典型優(yōu)勢。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，粘合劑和其他有機成分的熱分解和燃燒伴隨著吸熱和放熱過程，同時在氣態(tài)熱解產(chǎn)物向外流動期間，生坯的孔道內(nèi)的氣體壓力增加（圖4）。如果相應的應力超過生坯的強度，溫度梯度和超壓會導致局部應力集中和破壞。
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）模型中進行脫脂仿真，其中將熱解和燃燒反應，孔道內(nèi)和表面的氣流以及由于這些反應而產(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，在整個排膠周期中計算機械應力。在此基礎上，進行脫脂循環(huán)以確保應力始終遠低于強度極限。
為了獲得足夠的仿真精度，需要一定數(shù)量的實驗數(shù)據(jù)。同時使用熱重分析，差示掃描量熱法和質(zhì)譜（TG-DSC-MS）進行標準熱分析，可提供非常小的樣品的輸入，這些樣品對應于后續(xù)有限元模擬中的各個元素。
脫脂優(yōu)化數(shù)據(jù)采集所需的非標準設備：a）熱光測量爐；
b）用于在六個部分剝離的樣本上進行四點彎曲強度測試的多樣本支架。來源：Process engineering
特定的熱光測量（TOM）爐用于測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)射測量來仿真驗證，靈敏地檢測熱循環(huán)過程中樣品中的裂紋。
另外有一種基于實驗的連續(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，劇烈的動力學和機械應力，還考慮了重力和摩擦力，這對于燒結(jié)3D打印的零件很重要。
有時，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，熔體通過毛細力被浸入孔隙通道中。用熔體滲透進行粘結(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之一。但是，與常規(guī)測量相比，處理帶有空腔等的復雜結(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，可以定量測量實際幾何形狀與目標幾何形狀之間的偏差。
光聚合3D打印氧化鋁罩的設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)射測量。根據(jù)前面提到的燒結(jié)變形計算方式，可以得出質(zhì)量控制和過程優(yōu)化的關(guān)鍵指標，并可以檢測內(nèi)部缺陷。所測量的結(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，檢查應用性能是否受到重大損害。
由于應力集中以及出于美學原因，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行測量。Franhofer HTL使用內(nèi)部軟件提取幾個關(guān)鍵指標，估算局部應力濃度。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)允許的應力對其進行評估。如果表面不夠光滑或尺寸公差非常嚴格，則無法避免加工。為此，可以使用五軸自動加工中心，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，成本受到增材制造通量和生產(chǎn)時間的影響。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，因此不會影響產(chǎn)量。但熱處理會影響生產(chǎn)時間，尤其是在需要較長的脫脂步驟時，時間消耗上升。
另一個影響陶瓷增材制造的成本因素是原材料。目前，用于3D打印的原料比標準的原材料要昂貴得多。另外，工業(yè)級3D打印設備的價格通常上百萬元，但隨著更低售價的小型化設備走向市場，陶瓷增材制造的投資門檻進一步降低。此外，通過流程自動化和各環(huán)節(jié)設備的集成，3D打印成本也會進一步降低。
每種不同的陶瓷3D打印工藝都有著自身的優(yōu)勢。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?；蝾w?；旌衔?，能夠制成相對較高密度的生胚。分層漿料沉積（Layerwise Slurry Deposition，LSD）和自由流動結(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優(yōu)勢，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用，在這種情況下需要適應收縮性能。
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)任務選擇陶瓷3D打印技術(shù)。
來源：3D科學谷
