幾種主流陶瓷3D打印工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)及航空航天應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)
航空航天領(lǐng)域陶瓷3D打印的主要興趣之一是使用該技術(shù)來制造陶瓷基復(fù)合材料，此類材料相對于超級合金具有明顯的性能優(yōu)勢，而且密度要低得多。對于航空航天應(yīng)用，重點(diǎn)是開發(fā)SiC基復(fù)合材料的燃燒室襯里、預(yù)混合燃料噴嘴護(hù)罩、渦輪導(dǎo)向葉片、噴嘴等發(fā)動機(jī)部件。
這些部件的常規(guī)制造方法均基于預(yù)成型件的滲透，如化學(xué)氣相滲透、聚合物滲透熱解、熔融滲透以及結(jié)合了這些過程的混合方法。這些方法通常速度很慢，涉及多個步驟以及大量的后處理。3D打印則會更簡單，并且可以實(shí)現(xiàn)自由和復(fù)雜的幾何形狀，包括截面尺寸的急劇變化，以及混合和多功能復(fù)合材料的制造。此外，3D打印可以減少生產(chǎn)步驟，縮短生產(chǎn)時間，從而降低成本。其中的挑戰(zhàn)主要在于纖維增強(qiáng)材料的混合，實(shí)現(xiàn)零件完全致密以及工藝和性能的優(yōu)化。
幾種主流陶瓷3D打印工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)
目前，幾種陶瓷3D打印工藝都在探索軍用飛機(jī)的應(yīng)用，如SLA、DLP、直接墨水書寫（DIW）、粉末床激光燒結(jié)以及氣溶膠噴射（AJP）等等。
SLA與DLP具有類似的原理，都在樹脂中加入陶瓷粉末得到陶瓷漿料進(jìn)行3D打印。與其他技術(shù)相比，基于光固化的技術(shù)適合制備高精度、形狀復(fù)雜的大型零件。但其對于漿料的要求一般較高，如漿料需要有較高的固相含量、較低的密度，同時陶瓷顆粒需要在樹脂中分散均勻，而且該方法的所使用的設(shè)備昂貴，制造成本較高。國際知名的幾家陶瓷3D打印設(shè)備商均采用該成型技術(shù)。
粘結(jié)劑噴射技術(shù)（3DP）是在粉末床上選擇性的噴射粘結(jié)劑，通過層層制造得到最終的陶瓷坯體。該技術(shù)在制備多孔陶瓷零件時有較大優(yōu)勢，但是其成形精度較差，表面較粗糙，這與粉體成分、顆粒大小、流動性和可潤濕性等有較大聯(lián)系。在制造過程中，可以通過控制粉末層的濕度來提高所得毛坯的尺寸和表面的精度。3DP成形法所制備的零件致密度一般較低，通常需要后續(xù)工藝來提高其致密度，如在燒結(jié)前進(jìn)行冷等靜壓和高壓浸滲處理，可以顯著提高燒結(jié)后制品的致密性，但同時也會使生產(chǎn)率降低。研究使用3DP技術(shù)制備Ti3SiC2陶瓷，隨后進(jìn)行硅熔體和鋁硅合金的滲透，復(fù)合材料密度可以達(dá)到4.1g/cm3，這種全致密材料的彎曲強(qiáng)度最高為233 MPa，力學(xué)性能較好。3DP技術(shù)為陶瓷復(fù)合材料的制備提供了一種新型方案。
粉末床激光燒結(jié)（SLS）是采用激光選擇性地掃描粉末床表面，使粉末材料受熱熔化并粘結(jié)在一起，并最終形成坯體。陶瓷材料的燒結(jié)溫度很高，難以直接進(jìn)行燒結(jié)成形。目前，只能通過間接激光選區(qū)燒結(jié)法對陶瓷材料燒結(jié)，其方法是將低熔點(diǎn)的有機(jī)粘結(jié)劑覆蓋于陶瓷顆粒表面，然后激光只對有機(jī)粘結(jié)劑進(jìn)行熔化，使陶瓷顆粒相互結(jié)合。雖然改進(jìn)后的成形過程較簡單，但是由于有機(jī)高分子粘結(jié)劑含量較高，因而所得坯體密度較低，疏松多孔，故通常需進(jìn)行后續(xù)處理提高致密度，如等靜壓處理、浸滲技術(shù)等。
SiC基復(fù)合材料的3D打印工藝有層壓制造（LOM）、粘結(jié)劑噴射（3DP）和直接墨水書寫（DIW）。LOM可在對商用機(jī)器進(jìn)行改造后用于生產(chǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；粘結(jié)劑噴射技術(shù)則允許使用量身定制的粘結(jié)劑和短切纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行打印，即使對于高SiC纖維負(fù)載量（體積比高達(dá)65％），硅熔體滲透也能完全致密化；直接墨水書寫技術(shù)也顯示出一定的應(yīng)用前景，一項(xiàng)重要的需求是建模工作，以協(xié)助進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。
3D打印制造的SiC復(fù)合陶瓷零件的機(jī)械性能仍落后于常規(guī)加工手段，但該技術(shù)制造的渦輪發(fā)動機(jī)零件（如第一級噴嘴和高壓渦輪噴嘴段）已經(jīng)證明可行。
軍用飛機(jī)行業(yè)也在探索3D打印以提高戰(zhàn)備能力和負(fù)擔(dān)能力。陶瓷3D打印已經(jīng)證明可以用于生產(chǎn)金屬鑄造的型芯和模具，從而大大節(jié)省時間和成本。就此而言，陶瓷3D打印可用于模制傳統(tǒng)零件并制造具有改進(jìn)冷卻通道設(shè)計(jì)的新翼型，而這些新設(shè)計(jì)無法通過傳統(tǒng)方法制造。
盡管一些公司已經(jīng)開發(fā)出了完整的陶瓷3D打印技術(shù)，但截至目前，陶瓷相對于其他材料的3D打印仍然非常小眾，屬于新興技術(shù)領(lǐng)域。據(jù)SmarTech分析公司發(fā)布的最新《陶瓷快速成型零件生產(chǎn)：2019-2030年》顯示，隨著所有主要的陶瓷增材制造技術(shù)的全面發(fā)展，并建立起足夠的系列化生產(chǎn)，陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個拐點(diǎn)。屆時，一大批公司和行業(yè)將受益于該技術(shù)。到2030年，陶瓷增材制造市場的收入估計(jì)將達(dá)到48億美元。
作為航空航天領(lǐng)域極富前景的高溫陶瓷材料，3D打印將為其專業(yè)化組件的生產(chǎn)發(fā)揮作用。無論是作為高溫合金替代物的陶瓷基復(fù)合材料，還是作為飛機(jī)或者火箭發(fā)動機(jī)高溫結(jié)構(gòu)組件的先進(jìn)陶瓷材料，3D打印或?qū)⒏淖冞@些領(lǐng)域的制造方式。
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