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美國實現高分子陶瓷3D打印,未來這些地方或許伱能用得上它

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美國實現高分子陶瓷3D打印,未來這些地方或許伱能用得上它

發布日期:2017-09-04 作者: 點擊:

   3D打印技術出現在20世紀90年代中期,其中,以計算機三維設計模型為藍本,通過軟件分層離散和數控成型系統,利用激光束、熱熔噴嘴等方式将陶瓷粉末、金屬粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結,最終疊加成型,制造出實體産品。

   它與普通打印機工作原理基本相同,打印機内裝有液體或粉末等“打印材料”,打印材料由傳統的墨水、紙張轉變為粉末狀陶瓷、金屬、塑料等經過處理的特殊材料。

   利用3D打印技術,可以制備出傳統成型技術難以或無法獲得的各種複雜形狀的陶瓷産品。我們可以将陶瓷粉末與塑料等粘結劑進行均勻混合,制備出所需的打印材料,然後通過計算機輔助,設計出客戶所需的各種形狀,并通過打印機打印出所需的産品,因此3D打印陶瓷技術成為科研人員關注的一個重要技術發展方向。

   但是3D打印陶瓷技術往往會造成材料中微小的缺陷,導緻成品容易出現裂紋,其主要原因在于:原料中加入了大量的粘結劑,3D打印過程中粉體經粘結劑粘合,形成不同形狀的陶瓷素坯,這種方法獲得的陶瓷素坯密度較低,然後再在高溫燒結爐中燒結,在燒結過程中,粘結劑排出産生大量氣體容易形成裂紋。因此目前利用3D打印技術制備陶瓷應用還不是非常廣泛。

   目前,有美國團隊已經成功通過3D打印技術獲得比較完整的陶瓷産品,成品率較高,這些思路值得我們借鑒。

   美國HRL實驗室的科研人員實現了高分子陶瓷的3D打印,采用該方法制備高強度陶瓷産品。HRL實驗室科研人員采用了一種新思路:先将可以轉變成陶瓷的原料進行3D打印,再進行處理轉變為陶瓷産品。

   HRL團隊首先開發出一種可3D打印的陶瓷聚合物前體(PreceramicMonomers),在激光打印成型後再進行加熱使之變成陶瓷,這種聚合物材料支持常見的激光3D打印技術,可以打印出複雜度更高的陶瓷物體,且速度比傳統的立體選擇性激光打印方法快100~1000倍。

   更重要的是,HRL公司發明的這種3D打印聚合物,陶瓷強度高達當前商用泡沫陶瓷的10倍。據了解,高強度耐高溫陶瓷材料在航天工業有重要的用途,航天器中大量采用陶瓷元件,例如機翼闆和軌道火箭的内部結構。

   目前,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)已經授予該團隊燒蝕陶瓷外殼的開發合同,該外殼将用于航天器的隔熱層,用于抵禦返回大氣層時産生的熱量。

   該方法未來可在航空航天領域得到廣泛使用,比如發動機渦輪葉片,防護隔熱材料,新型隐身武器吸波材料,大型空間反射鏡和空間反射鏡支撐結構件等等,這些結構材料往往形狀比較複雜,利用傳統的技術方法制備成本較高或者周期較長,我們可以找到相應結構材料所對應的前驅體聚合物,采用該3D打印技術來解決這些難題。

   此外,美國Amedica公司也宣布首次使用一種被稱為機械沉積(Robotic deposition或Robocasting)的3D打印技術制造出複雜的氮化矽3D結構。

   所謂機械沉積,是一種使用緻密陶瓷和複合材料進行高膠态泥漿層積的成型技術。這一工藝可以使用更少的粘結劑,而且陶瓷可以在24h之内完全燒結。

   鑒于上述優點,Amedica目前正在推進3D打印氮化矽植入物的商業化,而且這種3D打印的植入裝置可以通過控制其孔隙率水平以滿足特定的臨床需求。據稱,這種獨特的制造工藝在氮化矽植入物成型制造方面有很好的前景,同時也可以定制化制造,用于細胞分化和新生血管的骨支架。


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