HRL開發(fā)出可耐1400度高溫超強(qiáng)3D打印陶瓷
魔猴君 行業(yè)資訊 3211天前
日前，HRL Laboratories開發(fā)出一種新技術(shù)，使用這種技術(shù)3D打印的超強(qiáng)陶瓷材料能夠承受超過1400攝氏度高溫。該公司認(rèn)為該技術(shù)將很快用于航空航天公司。
3D打印陶瓷已經(jīng)出現(xiàn)了一段時間了，像Vormvrij 3D和Deltabots這樣的公司都開發(fā)了自己的陶瓷3D打印機(jī)和3D打印陶瓷產(chǎn)品。但是，當(dāng)前的許多陶瓷3D打印機(jī)使用的都是相當(dāng)簡單的FDM工藝。而HRL Laboratories使用的是更為精確的光固化快速成形技術(shù)，從而能夠制作出非常精細(xì)、高強(qiáng)度、 耐高溫的3D打印陶瓷對象。
“我們有一種陶瓷前驅(qū)體（pre-ceramic）樹脂，可以像聚合物那樣打印，然后在過火后會轉(zhuǎn)化為一種陶瓷。”HRL資深科學(xué)家Tobias Schaedler說：“盡管會有一些收縮的現(xiàn)象，但是這是非常均勻的，所以可以預(yù)測。”
通過開發(fā)這種名為“陶瓷前驅(qū)體聚合物”的可3D打印樹脂，HRL似乎找到了一種可以避開與陶瓷3D打印相關(guān)常見陷阱的方法。此前一般的3D打印陶瓷技術(shù)由于打印出來的對象往往會出現(xiàn)裂縫和斷裂，因此無法制造特別復(fù)雜的零件。而且大多數(shù)陶瓷3D打印機(jī)使用的往往是熔點比較低的“氧化物陶瓷材料”。而現(xiàn)在，得益于使用了精密的光固化快速成形工藝，HRL可以3D打印出致密而耐用、耐高溫的陶瓷部件。
“我們發(fā)明了一種可兼容與光固化/3D打印的樹脂配方，這種樹脂在3D打印后經(jīng)過過火可以生成致密的陶瓷部件。”HRL公司的一名工程師Zak Eckel解釋說：“這是一個驚人的突破，因為它使我們能夠制造出任意形狀的陶瓷部件，這種部件強(qiáng)度非常高，而且能抗高溫。通過這種技術(shù)，我們就能夠充分利用3D打印帶來的好處，使用一種非常有用的工程材料創(chuàng)造出復(fù)雜的3D部件。”
據(jù)了解，使用HRL公司售價3000美元的陶瓷3D打印機(jī)打印出來的東西根本不像陶瓷3D打印件，反而更類似于塑料零件。他們使用的特殊樹脂中包含所有你需要的可以形成堅韌陶瓷的分子。這些樹脂層經(jīng)過了一種UV光的仔細(xì)蝕刻，然后將單體融合成聚合物。隨后這種塑料狀的打印件被放在一個有1000攝氏度高溫、充斥著氬氣的烤箱中，其中多余的化學(xué)基團(tuán)被移除，留下了強(qiáng)大的陶瓷結(jié)構(gòu)。
研究人員利用電子顯微鏡對最終產(chǎn)品進(jìn)行了分析，在其表面沒有檢測到孔隙和裂紋。進(jìn)一步的測試發(fā)現(xiàn)該陶瓷材料可承受高達(dá)1400攝氏度的高溫而不會開裂和收縮。
HRL公司宣稱他們制造出了可能全球首個3D打印的碳化硅陶瓷，而且團(tuán)隊認(rèn)為還可以通過對陶瓷塑料樹脂成份進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整打印出更多種類的陶瓷。該公司認(rèn)為其抗開裂、抗高溫的陶瓷可以成為一種能夠用于眾多高溫應(yīng)用的理想材料，比如在高超聲速飛行器和噴氣發(fā)動機(jī)中使用。這種技術(shù)可以幫助設(shè)計者制造出很多專門的小零件，這種部件可以抵抗飛行器在起飛和飛行階段排出的高溫氣體。
“如果在大氣之中以10倍的音速飛馳，由于空氣的摩擦，任何交通工具表面都會變得非常熾熱。”Schaedler說：“人們?nèi)绻胍圃旄叱曀亠w行器就需要用陶瓷制造整個外殼。”
借助這種新技術(shù)，HRL的實驗室研究人員可以3D打印兩類有用陶瓷——一種是大的，但是具有非常輕量級的晶格結(jié)構(gòu)，可以用于制作飛機(jī)和航天器的耐熱板及其他外部部件；另外一種是小的、但是很復(fù)雜的零件，可以用于制作機(jī)電系統(tǒng)或噴氣式發(fā)動機(jī)和火箭的組件。
Schaedler稱他們的研究團(tuán)隊已經(jīng)得到了美國國防部先進(jìn)研究項目局（DARPA）的資助。“該方法使我們能夠進(jìn)一步接近將一些對立屬性集中在一種材料上的目標(biāo)，比如那種高強(qiáng)度、低密度或者低質(zhì)量的材料，并將其打造成復(fù)雜的形狀。”DARPA國防科學(xué)辦公室主任Stefanie Tompkins說。
據(jù)了解，一旦進(jìn)一步的測試完成，那些正在尋找小型、耐高溫部件的火箭和衛(wèi)星設(shè)計師可能會很快轉(zhuǎn)向HRL的陶瓷3D打印工藝。《Science Magazine》上的一篇論文詳細(xì)地介紹了該公司的研究成果。
