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在現(xiàn)有的特種陶瓷材料體系中，碳化硅陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等優(yōu)異性能，性價比優(yōu)勢明顯，已成為航空航天、汽車、新能源、電子信息等領(lǐng)域中不可替代的關(guān)鍵材料。

特別是大型復(fù)雜碳化硅陶瓷構(gòu)件的產(chǎn)業(yè)化整體制造技術(shù)，對航空航天、軍工、新能源和半導(dǎo)體等國家安全和前沿技術(shù)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義。然而由于碳化硅陶瓷材料具有缺陷敏感性強(qiáng)、高溫?zé)Y(jié)變形大、燒結(jié)后難以加工等特點，因而大型復(fù)雜碳化硅陶瓷構(gòu)件的整體制備及產(chǎn)業(yè)化成為世界性難題。

3D打印碳化硅

盡管熱等靜壓、擠壓和注射成型已廣泛用于碳化硅陶瓷產(chǎn)品的制備，但其昂貴的成本和較長的交貨時間使得這些技術(shù)難以用于原型制作和中小批量零件的生產(chǎn)。而3D打印技術(shù)作為高端設(shè)備制造及修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，始終致力于解決傳統(tǒng)制造工藝提出的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)特種陶瓷無模成形、縮減產(chǎn)品設(shè)計周期、精細(xì)陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用，并有望推動陶瓷3D打印成為極具吸引力的增長極。

△碳化硅陶瓷在飛機(jī)發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

目前關(guān)于碳化硅陶瓷制備的3D打印方法廣受關(guān)注與研究。其相關(guān)的技術(shù)主要有SLS(選區(qū)激光燒結(jié))、SLA(立體光刻)、DIW（直接墨水書寫）和BJP(粘結(jié)劑噴射)。經(jīng)過測試與認(rèn)證，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印。直接SLS制件在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差。而SLA是一種基于光敏陶瓷漿料光聚合的有效紫外光固化技術(shù)。對于碳化硅粉末，其顏色通常為灰色或深色，碳化硅顆粒的顏色明顯影響其透光性能和固化能力。而DIW通過噴嘴以特定圖案逐層擠出高陶瓷含量的漿料，以生產(chǎn)三維零件，要求漿料均勻、穩(wěn)定、剪切稀化、不結(jié)塊。同時，還需要具有快速固化能力，特別是對于無支撐的斜面印刷，與上述SLA和SLS相比，分辨率一直是一個問題。BJP可以快速打印復(fù)雜形狀，同時保持打印精度。然而，BJP限制了粉末填充密度，導(dǎo)致SiC體積分?jǐn)?shù)受限。采用SLS或BJP方法制備高密度SiC陶瓷時，會加入PIP、CVI和CIP等后處理工藝步驟，提高固含量和碳密度，這勢必會降低3D打印的優(yōu)勢。

國內(nèi)最早從事粉末擠出3D打印技術(shù)研發(fā)的升華三維表示：“碳化硅陶瓷的制備一直是特種陶瓷3D打印技術(shù)進(jìn)一步拓展的挑戰(zhàn)之一，因為碳化硅陶瓷材料在成型過程中會出現(xiàn)缺陷，比如氣孔、裂紋、不均一性等，成型陶瓷器件難以抵抗脆性斷裂，極大地限制了其機(jī)械性能。我們很高興能夠成為通過粉末擠出3D打印技術(shù)將碳化硅陶瓷制備成功商業(yè)化的3D打印公司，這為生產(chǎn)高性能碳化硅陶瓷零件打開了大門?！?/p>

航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用

在高端裝備制造領(lǐng)域，3D打印設(shè)備正在成為重要的生產(chǎn)工具。由升華三維自主研發(fā)的工業(yè)型獨立雙噴嘴3D打印機(jī)UPS-250及大尺寸獨立雙噴嘴3D打印機(jī)UPS-556通過搭載雙噴嘴設(shè)計，已實現(xiàn)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的開發(fā)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形，成功進(jìn)入到我國航天航空、核工業(yè)、汽車等高端制造領(lǐng)域，成為促進(jìn)中國制造創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級的新工具，具有很高的應(yīng)用價值。以下列舉相關(guān)系列應(yīng)用：

△3D打印碳化硅陶瓷樣品（樣品來源：升華三維）

衛(wèi)星反射鏡：將熱加工過程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟以更好地進(jìn)行熱應(yīng)力管理，在實現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求時，3D打印的碳化硅輕質(zhì)反射鏡可實現(xiàn)大尺寸一體成型，同時具有更優(yōu)的熱穩(wěn)定性、產(chǎn)品性能一致性強(qiáng)。

火箭噴嘴：碳化硅陶瓷是此項目的重要材料，能夠承受極端溫度和壓力，同時保持輕巧。

發(fā)動機(jī)渦輪：3D打印碳化硅陶瓷渦輪可滿足高推重比航空發(fā)動機(jī)對高溫部件的性能要求，可使發(fā)動機(jī)工作溫度提高300～500℃，結(jié)構(gòu)減重50％～70％，推力提高30％～100％。

剎車盤：碳化硅陶瓷剎車盤能有效而穩(wěn)定地抵抗熱衰退，其耐熱效果比普通剎車盤高出許多倍；同時更輕的剎車盤也令懸掛系統(tǒng)的反應(yīng)更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平。

吸盤/托盤：3D打印碳化硅吸盤/托盤，可實現(xiàn)大尺寸、高精度、中空、閉孔等結(jié)構(gòu)陶瓷零部件的制備，達(dá)到高度輕量化的同時保持強(qiáng)度和剛度。

傲立潮頭的粉末擠出3D打印技術(shù)

粉末擠出3D打印技術(shù)是一種專為陶瓷/金屬材料使用的增材制造系統(tǒng)，發(fā)布于2016年，由3D打印機(jī)、脫脂爐和燒結(jié)爐組成，提供一整套陶瓷·金屬間接3D打印解決方案，讓客戶制造出具有出色表面光潔度和高機(jī)械性能的高性能產(chǎn)品。基于此技術(shù)優(yōu)勢，升華三維已實現(xiàn)碳化硅陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的大尺寸、輕量化、一體化制備。

Uprise 3D打印機(jī)通過擠出粘合的碳化硅陶瓷粉末（聚合物粘合劑與碳化硅陶瓷粉末材料進(jìn)行配比），逐層成型生坯。由于擠壓噴頭系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，縮減了對激光器件的投入和維護(hù)成本，同時啟用了新功能，例如使用晶格填充設(shè)置來實現(xiàn)輕質(zhì)強(qiáng)度。

生坯打印完成后，將碳化硅陶瓷零部件浸泡于恒溫水中進(jìn)行脫脂，粘合劑被去除，然后采用燒結(jié)爐保持空氣氛圍，確保均勻加熱和冷卻，而不會有殘余應(yīng)力。最后碳化硅陶瓷顆粒融合在一起，使零件致密化高達(dá)99%。

△升華三維碳化硅陶瓷燒結(jié)件力學(xué)性能

經(jīng)測試，3D打印碳化硅陶瓷組件的表現(xiàn)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時，在汽車和航空航天等行業(yè)先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料的開發(fā)過程中，這一工藝也在不斷鞏固增材制造的前沿地位。

一年前，上海硅酸鹽研究所在升華三維訂購了一套大尺寸獨立雙噴嘴打印機(jī)UPS-556系統(tǒng)，藉由展開的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用的研究近期取得進(jìn)展，并成功制備了碳化硅陶瓷光學(xué)元件等高附加值組件，獲得廣泛關(guān)注。

△上海硅酸鹽研究所利用UPS-556成功制備的碳化硅陶瓷光學(xué)元件及其性能（相關(guān)資料及數(shù)據(jù)來自研究團(tuán)隊已公開專利）

作為陶瓷·金屬間接3D打印的開拓者和引領(lǐng)者，升華三維一路奔跑前行，目前正在借助粉末擠出3D打印技術(shù)，不斷實現(xiàn)碳化硅陶瓷復(fù)合材料等更多先進(jìn)陶瓷材料的開發(fā)和成型，加速公司在高端領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新。升華三維研究團(tuán)隊表示，升華三維的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)航空航天、軍工和衛(wèi)星設(shè)計所需的高性能、輕量化、精細(xì)微結(jié)構(gòu)的要求，而在未來更多的合作機(jī)會中，公司將為造福社會和人類做出更多貢獻(xiàn)。