眾所周知，陶瓷材料是伴隨著人類發(fā)展的一類重要材料。人們既可以基于其出色的美學(xué)效果，制作花瓶、燭臺(tái)等工藝美術(shù)品；又能借助其優(yōu)良的力學(xué)性能，制造各種實(shí)用的生產(chǎn)和生活用品。


歷史上，用來制備陶瓷材料的方法非常多。不過，陶瓷材料具有較強(qiáng)的硬度和脆性，采用傳統(tǒng)的成型工藝，無法快速、精密地制備出形狀復(fù)雜的陶瓷部件。


光固化陶瓷3D打印技術(shù)興起


近年來，增材制造方法的出現(xiàn)，推動(dòng)了復(fù)雜陶瓷材料朝著結(jié)構(gòu)和功能一體化的方向發(fā)展。陶瓷材料的應(yīng)用范圍也因此得到了極大擴(kuò)展，諸如機(jī)械、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、電子等行業(yè)領(lǐng)域，都少不了陶瓷材料的存在。


其中，光固化陶瓷3D打印技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造工藝，在制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熔模鑄造用陶瓷型芯方面展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心部件，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。陶瓷型芯作為熔模鑄造過程中的關(guān)鍵部件，對(duì)于渦輪葉片的制造至關(guān)重要。


光固化陶瓷3D打印技術(shù)具有什么優(yōu)勢(shì)？


傳統(tǒng)的陶瓷型芯制備方法存在著模具制作難度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高等問題，而光固化陶瓷3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了新的途徑。光固化陶瓷3D打印技術(shù)基于數(shù)字光處理（DLP）或立體光刻（SLA）技術(shù)，通過逐層打印的方式制造出三維實(shí)體。在制備陶瓷型芯時(shí)，使用特殊的陶瓷材料作為打印材料，通過精確的光固化技術(shù)，逐層堆積形成復(fù)雜形狀三維結(jié)構(gòu)。整個(gè)過程自動(dòng)化程度高，可以快速、準(zhǔn)確地制造出復(fù)雜形狀的陶瓷型芯。


相比于傳統(tǒng)制備方法，光固化陶瓷3D打印技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：1. 高精度與復(fù)雜形狀制造能力：能夠制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和精確尺寸的陶瓷型芯，滿足渦輪葉片的精密鑄造要求；2. 縮短生產(chǎn)周期：大幅減少了模具制作和后處理的時(shí)間，加快了產(chǎn)品迭代速度。3.降低成本：簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，減少了原材料浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本。4. 優(yōu)化設(shè)計(jì)靈活性：可以根據(jù)實(shí)際需求快速調(diào)整陶瓷型芯的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)。


復(fù)雜異形陶瓷型芯成型創(chuàng)新技術(shù)


復(fù)雜異形陶瓷型芯的成型和制造非常困難，傳統(tǒng)方法逐漸難以實(shí)現(xiàn)如多層壁型芯等復(fù)雜異形陶瓷型芯的成型。3D打印技術(shù)為復(fù)雜異形陶瓷型芯的成型提供了創(chuàng)新技術(shù)途徑。與傳統(tǒng)制造方式不同，3D打印制造方式能極大簡(jiǎn)化制造流程，大大縮短開發(fā)周期，同時(shí)還具有高精度、低成本、材料浪費(fèi)少、設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而目前3D打印的陶瓷型芯距離實(shí)際工程應(yīng)用仍存在一定差距，較多關(guān)鍵技術(shù)仍需突破、相關(guān)機(jī)理亟待揭示，需要進(jìn)一步對(duì)其發(fā)展面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。


3D打印陶瓷型芯制造渦輪葉片的新機(jī)遇


簡(jiǎn)化復(fù)雜


航空事業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出了迫切需求。其中，空心渦輪葉片一般使用復(fù)雜異形的鑄造型芯，通過熔模精密鑄造而成。陶瓷型芯由于具有高熔點(diǎn)、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為高熔點(diǎn)金屬鑄造采用的最主要型芯材料。然而，復(fù)雜異形陶瓷型芯的成型于制造卻極其困難。3D打印(3D printing)技術(shù)為復(fù)雜異形陶瓷型芯的成型提供了創(chuàng)新技術(shù)途徑。


3D打印陶瓷型芯的精度與效率通常相互制衡。陶瓷型芯作為空心渦輪葉片精密鑄造過程中必不可少的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜且對(duì)精度要求極高。目前實(shí)際應(yīng)用最多的為二氧化硅基陶瓷型芯和氧化鋁基陶瓷型芯。


傳統(tǒng)上，渦輪葉片是通過熔模鑄造工藝制造的，世界上只有少數(shù)鑄造廠可以處理，這中間涉及到加工極其復(fù)雜的金屬模具以創(chuàng)建陶瓷模具，然后用熔融的超級(jí)合金鑄造以形成葉片。


提高效率與精度


霍尼韋爾航空航天公司利用3D打印技術(shù)在制造領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，特別是在鑄造模具的制作上。Brian Baughman和他的團(tuán)隊(duì)通過使用基于光固化技術(shù)的3D打印技術(shù)，能夠直接將陶瓷漿料打印成所需的模具形狀，這大大提升了制造效率和精度。

光固化3D打印技術(shù)，又稱為光敏樹脂固化技術(shù)，是一種利用特定波長(zhǎng)的光照射光敏樹脂，使其在特定區(qū)域固化形成模型層的技術(shù)。這種技術(shù)可以打印出高精度和復(fù)雜形狀的部件，非常適合用于制作精密的鑄造模具。


霍尼韋爾使用的Prodways公司的3D打印機(jī)采用了名為MovingLight的專有技術(shù)，這種技術(shù)涉及到使用移動(dòng)的光源來逐層固化材料，從而實(shí)現(xiàn)3D打印過程。這種3D打印機(jī)已經(jīng)在航空航天工業(yè)中得到應(yīng)用，用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件，顯示出其在高性能制造領(lǐng)域的潛力。


通過3D打印技術(shù)，霍尼韋爾能夠?qū)崿F(xiàn)更快的設(shè)計(jì)迭代，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并提高制造過程的靈活性和成本效益。同時(shí)，這種技術(shù)還有助于減少材料浪費(fèi)，符合現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求。


根據(jù)霍尼韋爾首席研發(fā)科學(xué)家 Mike Baldwin，使用傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝，生產(chǎn)開發(fā)過程所需的渦輪葉片可能需要一到兩年的時(shí)間，增材制造讓研發(fā)人員能夠從設(shè)計(jì)、3D打印模具、鑄造模具、測(cè)試模具，并獲得真實(shí)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證研發(fā)人員開發(fā)的模型——所有這些只需七到八周的時(shí)間。如果需要調(diào)整設(shè)計(jì)，可以立即進(jìn)行更改，并在大約六周內(nèi)獲得另一個(gè)葉片。在3D打印之前，即使對(duì)葉片設(shè)計(jì)進(jìn)行微小的更改也可能非常昂貴，增材制造可以快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并提供了更大的靈活性，以加速開發(fā)、降低成本并創(chuàng)造最好的產(chǎn)品?？s短開發(fā)周期是開發(fā)人員的主要目標(biāo)，并且與使用傳統(tǒng)葉片鑄造工藝相比，還預(yù)計(jì)可以節(jié)省數(shù)百萬美元的開發(fā)成本。


霍尼韋爾最近的進(jìn)展為3D打印陶瓷部件打開了一個(gè)非常重要的潛在市場(chǎng)的商業(yè)機(jī)會(huì)，但短期內(nèi)，他們?nèi)詫?duì)這種應(yīng)用的3D打印機(jī)銷售前景持謹(jǐn)慎態(tài)度。小批量生產(chǎn)往往是一個(gè)難題，因?yàn)闇u輪葉片的前期工具成本非常高，制造需要很長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間。在這種情況下，增材制造非常有意義


突破中的技術(shù)


目前，國(guó)內(nèi)外已有部分研究機(jī)構(gòu)開展了面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密鑄造的陶瓷型芯的3D打印研究，包括英國(guó)拉夫堡大學(xué)、法國(guó)3DCERAM公司、奧地利Lithoz公司以及國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、西安國(guó)宏天易公司、安徽應(yīng)流公司等。然而，目前相關(guān)研究仍較初步，尤其是，3D打印的陶瓷型芯距離實(shí)際工程應(yīng)用仍存在一定差距，較多關(guān)鍵技術(shù)仍需突破、相關(guān)機(jī)理亟待揭示。


關(guān)注點(diǎn)


陶瓷模具在渦輪葉片的鑄造過程中扮演著重要角色，當(dāng)前可以關(guān)注的包括以下幾點(diǎn)：


1 增材制造技術(shù)在單晶渦輪葉片成形中的應(yīng)用，特別是與熔模鑄造的結(jié)合，提高了制造的靈活性，并加速了葉片的研制和生產(chǎn)過程。


2 陶瓷型芯在熔模精密鑄造中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠制造出尺寸精度高、表面質(zhì)量好的復(fù)雜結(jié)構(gòu)單晶鑄件。


3 陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性對(duì)渦輪葉片的型面尺寸精度有顯著影響，通過數(shù)值模擬方法可以分析其影響規(guī)律，并為模具優(yōu)化提供量化依據(jù)。


4 一些公司，如Honeywell-霍尼韋爾，正在利用陶瓷3D打印技術(shù)生產(chǎn)渦輪葉片模具，這有助于開發(fā)下一代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。


5 國(guó)內(nèi)西安國(guó)宏天易智能科技有限公司已經(jīng)將3D打印陶瓷型芯鑄造技術(shù)應(yīng)用于高壓渦輪導(dǎo)向葉片的生產(chǎn)。


6 光固化3D打印技術(shù)在制備渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片用的陶瓷型芯方面取得了研究進(jìn)展，這種技術(shù)能夠滿足陶瓷型芯的性能要求并克服制備難點(diǎn)。


7 渦輪葉片制造中，合金與陶瓷模具的界面反應(yīng)機(jī)理對(duì)葉片的表面質(zhì)量和使用性能至關(guān)重要，深入研究這一機(jī)理有助于提高葉片的質(zhì)量和生產(chǎn)良率。


文章來源： 3D科學(xué)谷，材料material，DeepTech深科技
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來源：賢集網(wǎng)
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