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現在及未來,將受益于陶瓷3D打印的行業有哪些

發布時間:2021-10-17 16:44:16

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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多年來,塑料和金屬一直是3D打印業內最主流的材料,陶瓷3D打印技術的應用遠沒有其他技術那樣迅猛。但陶瓷3D打印市場仍然發展迅速,其規模在2017年已經達到9800萬美元,到2024年可能超過10億美元。

此外,據SmarTech分析公司發布的最新《陶瓷快速成型零件生產:2019-2030年》顯示,陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個拐點,屆時,一大批公司和行業將受益于該技術。本期,3D打印技術參考介紹的重點就在于這些將受益的行業。




醫療保健

醫療行業一直熱衷于采用3D打印技術。增材制造的速度和多功能性是從假肢到植入物等一系列醫療應用的理想選擇。

傳統的醫療植入物制造方式既昂貴復雜,花費時間又很長。3D打印則提供了更加便捷、低成本、個性化的制造優勢,而且陶瓷具有類似人體骨骼的多孔表面,在醫療植入方面能夠達到更優異的治療效果。


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3D打印的陶瓷醫療植入物


與金屬不同,陶瓷沒有關于離子釋放或腐蝕的爭論,它們在軟組織和硬組織中都具有長期穩定性。因此,陶瓷材料在制作長期看來盡可能自然的修復體時顯示出顯著的優勢。

除了骨科植入物,牙科是陶瓷3D打印另一個重要的醫療應用。隨著美學和性能要求的提高,陶瓷3D打印作為一種解決方案應運而生,可以滿足牙科領域的挑戰。它提供了新的設計自由度,同時可以克服標準陶瓷工藝的技術局限性。


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牙科陶瓷3D打印


航空航天

高溫陶瓷是一類應用到航空航天領域很有前景的材料:強度高、密度低、高溫性能好,可顯著減重、提高燃油效率、延長使用壽命,大大降低成本。陶瓷基復合材料(作為高溫合金的替代物)以及先進陶瓷(作為飛機或者火箭發動機的高溫結構組件)在航空航天領域具有重要的應用潛力。


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GE在LEAP系列和GE9X發動機上大量使用陶瓷基復合材料


相比傳統工藝,陶瓷3D打印可以更輕松地自定義零件。由于該過程是在添加材料而不是將其切除,因此制作獨特的形狀并節省昂貴材料的使用并不具有挑戰性。對于需要高度專業化組件的航空航天工程,陶瓷3D打印是一項理想選擇。


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陶瓷基渦輪葉片


美國HRL研究室使用3D打印制造出的超強陶瓷材料不僅擁有復雜的形狀,還能耐受超過1700攝氏度的高溫。一些成熟的陶瓷3D打印公司則已經制造出了具有復雜結構形狀的陶瓷葉片型芯、葉片、葉輪等產品。


能源與電子

當前,電氣和電子領域對采用3D打印生產復雜形狀和微機電系統以及壓電元件,這些難以用其他技術制造的元件越來越感興趣。陶瓷不僅有助于提高系統的可靠性,它的耐磨性、電絕緣性和剛性機械性能使其能夠在惡劣環境中(如熔爐中的傳感器)正常工作。3D打印還可以使用多種不同的陶瓷材料,生產具有多功能性的定制陶瓷,從而滿足不同的使用需求。


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3D打印的無鉛陶瓷材料可用于壓電器件制造


3D打印的其他屬性,例如構建具有定制孔隙率和成分產品的能力,正在促進其在基材制造、電子設備包裝和陶瓷絕緣器件中的應用。3D打印的氧化鋁已經用于生產電路和天線基板。在天體物理學中,3D打印被用于天線的碳化硅微波饋電喇叭開發,從而提高了通過空間傳輸的信號信噪比。


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陶瓷的硬度和韌性在汽車制造領域有重要應用,它能很好的平衡各種溫度波動、振動,并能在潮濕和各種化學物質的環境下工作。尤其是氧化鋯陶瓷,其優勢在汽車上發揮的作用淋漓盡致,汽車的發動機、傳感器、制動器、減震器等重要裝置中都有涉及。


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汽車上的高性能陶瓷產品


在汽車發動機艙中,采用3D打印可以生成各種耐熱組件,如閥門和燃油泵組件,研究部門還可更方便的對耐熱成分進行分析。這些部件可以降低發動機噪音水平,實現更高的效率并減少磨損。

在氣體或液體回路中以及在發動機系統中,對存儲、密封和滑環的要求特別高。在各種侵蝕性環境中,3D打印的氧化鋁和氧化鋯陶瓷能夠耐高溫并具有出色的耐磨性和高彈性。


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3D打印的陶瓷產品


在排氣閥門的應用中,3D打印的氧化鋯陶瓷經受住了傳統元件因為壽命短而失效的考驗。由于其較低的彈性模量、高強度和耐磨性,出色的表面性能以及與鋼相對應的熱膨脹系數,氧化鋯是3D打印制造排氣閥的理想選擇。


軍事和防御

同航空航天領域一樣,國防部門也是陶瓷3D打印的領先采用者之一。陶瓷材料的高比剛度、高比強度以及相對于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強度,使其在大到裝甲系統、小到防彈衣上的應用非常廣泛。

傳統的陶瓷制造方法無法像3D打印那樣快速或經濟地生產定制零件。增材制造可使國防機構盡快生產出獨特而有彈性的陶瓷件。2019年,美國陸軍研究實驗室就已在鮑魚殼的啟發下開發出了3D打印陶瓷裝甲/防彈衣。由3D打印制造的碳化硼和碳化硅材料,具有梯度或內部結構,這是傳統陶瓷成型技術無法生產的。


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碳化硅陶瓷裝甲


除了極強的機械性能外,陶瓷的耐高溫性能可用于制造超音速導彈的高溫部件。由于與空氣的劇烈摩擦,高超聲速飛行器的表面會產生極高的溫度和壓力,因此可以采用高溫陶瓷制造整個外殼。3D打印的自由成型能力相比于傳統成型技術更可以制造出形狀復雜的零件。在上文中我們已經提到美國HRL已經開發出了能耐1700℃的3D打印陶瓷,此舉獲得美國空軍相關部門的合作。

陶瓷3D打印技術的發展在近幾年可謂迅速,其背后的主要驅動力是對零件更高耐熱性、強度和韌性不斷增長的需求將金屬推到了性能極限,而工業陶瓷則具有更優異的表現。陶瓷3D打印工藝和材料也更加多樣化,此前昂貴的技術正在變得可以承受。

總而言之,陶瓷3D打印技術正在變得日趨成熟,那些最初采用塑料或金屬增材制造技術的醫療、能源、汽車等行業,已經開始發展陶瓷3D打印,這也預示著,該技術的市場應用開始初露端倪。






(文章內容轉載自3D打印技術參考,僅作分享)




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