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輕量一體化，成碳化硅主要應(yīng)用方向

碳化硅（SiC）陶瓷憑借其比剛度大、熱導(dǎo)率高、熱變形系數(shù)小以及穩(wěn)定性好等綜合品質(zhì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)等高端制造的電子設(shè)備、散熱解決方案以及光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

▲輕量化設(shè)計的碳化硅反射鏡（來源：升華三維）

輕量化的實現(xiàn)途徑主要有三大方面：一是材料的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用；二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；三是先進制造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。三者相輔相成以實現(xiàn)最終產(chǎn)品的輕量化制造。碳化硅陶瓷在具有低密度的同時具有高機械強度，是作為輕量化設(shè)計的理想材料；再通過輕量化構(gòu)型設(shè)計思路，不僅可以降低對材料的使用要求，還能減少昂貴材料的使用量、改進強度重量比、縮短加工時間；結(jié)合增材制造(3D打印)技術(shù)成形復(fù)雜異型構(gòu)件的獨特優(yōu)勢，將是SiC陶瓷材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的重點方向。

3D打印技術(shù)具有智能、無模、精密、高復(fù)雜度的制造能力，它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造。不過相對于塑料或金屬有固定的熔點，通過加熱融化后就可以進行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解，導(dǎo)致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結(jié)。而基于燒結(jié)的3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輕量一體化制備碳化硅已成為主要應(yīng)用趨勢。

PEP工藝為碳化硅快速輕量化制備提供解決方案

在SiC陶瓷制備方面，升華三維的粉末擠出3D打印（PEP）工藝具有3D打印與粉末冶金工藝相結(jié)合的雙重優(yōu)勢，可從SiC的素坯成型工藝入手，并結(jié)合適宜的燒結(jié)工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證了產(chǎn)品性能滿足使用需求，這為實現(xiàn)高性能碳化硅陶瓷構(gòu)件大尺寸、輕量化、一體化制備提供了解決方案。

▲不同晶格結(jié)構(gòu)填充的碳化硅樣品（樣品來源：升華三維）

晶格結(jié)構(gòu)是一種最典型的輕量化設(shè)計結(jié)構(gòu)?；谄鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，使用水射流切割、鑄造、化學(xué)鍍和電沉積等傳統(tǒng)的制造技術(shù)制造，耗時、昂貴，并且無法達到高分辨率，而采用3D打印的數(shù)字化制造方式，可實現(xiàn)以較低的成本和時間來制造高分辨率和復(fù)雜形狀的薄支柱和晶格幾何形狀，這一顯著的優(yōu)勢讓其成為了理想的填充成形方式。目前，除了在消費品、體育用品、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域備受青睞之外，超輕和多功能特性的晶格結(jié)構(gòu)也在再生醫(yī)學(xué)、汽車設(shè)計、航空航天等領(lǐng)域有著深度的應(yīng)用。

▲晶格結(jié)構(gòu)填充實現(xiàn)碳化硅的輕化量（樣品來源：升華三維）

升華三維結(jié)合PEP技術(shù)特性及自主切片軟件優(yōu)勢能力，開發(fā)了20多種自定義“晶格填充結(jié)構(gòu)”模式，可對產(chǎn)品的實體區(qū)域進行便捷的晶格填充結(jié)構(gòu)設(shè)置，自動規(guī)劃打印路徑，均衡結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力。每種模式都有其獨特的優(yōu)勢，適用于特定的應(yīng)用工況，實現(xiàn)快速輕量化、孔隙間距、孔形設(shè)計調(diào)整等需求。有助于客戶快速實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計和制備。

升華三維通過自主PEP技術(shù)獨特優(yōu)勢與反應(yīng)燒結(jié)工藝相結(jié)合，已實現(xiàn)了碳化硅復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。PEP采用基于蠟基體系的碳化硅顆粒喂料（UPGM-SiC），具有高強度、高硬度、高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能的陶瓷材料，適應(yīng)于航空航天、微電子、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。且可支持客戶自定義開發(fā)。

▲升華三維碳化硅3D打印材料

通過3D打印設(shè)備利用顆粒熔融擠出成型方式先打印生坯，然后再經(jīng)過成熟的粉末冶金工藝脫脂和燒結(jié)，得到結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的碳化硅結(jié)構(gòu)件。這為實現(xiàn)碳化硅陶瓷部件的近尺寸、輕量一體化制備提供了全新方法。

而采用的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅工藝，具有處理溫度低、時間短、不需要特殊及昂貴的設(shè)備、反應(yīng)燒結(jié)胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結(jié)過程無需加壓，可以制備大尺寸、形狀復(fù)雜的制品。 

升華三維為碳化硅制造提供高價值服務(wù)

在應(yīng)用案例中，上海硅酸鹽研究所利用升華三維大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統(tǒng)的顆粒熔融沉積工藝結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學(xué)元件等高附加值組件。基于PEP的顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。PEP工藝為該案例中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大尺寸、輕量一體化碳化硅元件的成功制備提供了支持，可有力地支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升了我國在遙感探測技術(shù)的核心競爭力。

該團隊制備的SiC陶瓷最新研究數(shù)據(jù)顯示：密度可達3.12g·cm3，硅含量降低至10vol%左右，抗彎強度和彈性模量分別達到465MPa和426GPa，力學(xué)性能與常壓固相燒結(jié)SiC陶瓷相當(dāng)，可提高SiC陶瓷環(huán)境使用溫度。相關(guān)研究成果發(fā)表在《歐洲陶瓷學(xué)會雜志》(Journal of the European Ceramic Society)上，并申請中國發(fā)明專利2項（其中1項已授權(quán)）。

▲采用氣相和液相聯(lián)用滲硅得到的SiC陶瓷力學(xué)性能

隨著碳化硅應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，將進一步推動碳化硅市場的高速發(fā)展。3D打印技術(shù)作為高端裝備制造領(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、精細陶瓷微結(jié)構(gòu)等方面發(fā)揮著極其重要的作用。

升華三維將深化先進陶瓷的開發(fā)與研究，加強對大尺寸、高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)層的設(shè)計與制造能力，實現(xiàn)對層內(nèi)各種穿插、交織、多孔等三維結(jié)構(gòu)達到強度、剛度、韌性、耐久性等多性能的完美平衡，結(jié)合實際應(yīng)用開發(fā)更多實用的晶格填充結(jié)構(gòu)。升華三維現(xiàn)已建成完備的粉末擠出3D打印工藝鏈，支持從材料配方開發(fā)、打印設(shè)備定制、到脫脂燒結(jié)工藝適配的靈活解決方案，為客戶快速實現(xiàn)理想產(chǎn)品的設(shè)計和制造提供高價值服務(wù)。