幾種主流陶瓷3D打印工藝的關(guān)鍵特點(diǎn)及航空航天應用面臨的挑戰
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(lái)制造陶瓷基復合材料，此類(lèi)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。對于航空航天應用，重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)SiC基復合材料的燃燒室襯里、預混合燃料噴嘴護罩、渦輪導向葉片、噴嘴等發(fā)動(dòng)機部件。
這些部件的常規制造方法均基于預成型件的滲透，如化學(xué)氣相滲透、聚合物滲透熱解、熔融滲透以及結合了這些過(guò)程的混合方法。這些方法通常速度很慢，涉及多個(gè)步驟以及大量的后處理。3D打印則會(huì )更簡(jiǎn)單，并且可以實(shí)現自由和復雜的幾何形狀，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(shí)間，從而降低成本。其中的挑戰主要在于纖維增強材料的混合，實(shí)現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的應用，如SLA、DLP、直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）、粉末床激光燒結以及氣溶膠噴射（AJP）等等。
SLA與DLP具有類(lèi)似的原理，都在樹(shù)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(shí)陶瓷顆粒需要在樹(shù)脂中分散均勻，而且該方法的所使用的設備昂貴，制造成本較高。國際知名的幾家陶瓷3D打印設備商均采用該成型技術(shù)。
粘結劑噴射技術(shù)（3DP）是在粉末床上選擇性的噴射粘結劑，通過(guò)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(shí)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(dòng)性和可潤濕性等有較大聯(lián)系。在制造過(guò)程中，可以通過(guò)控制粉末層的濕度來(lái)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，通常需要后續工藝來(lái)提高其致密度，如在燒結前進(jìn)行冷等靜壓和高壓浸滲處理，可以顯著(zhù)提高燒結后制品的致密性，但同時(shí)也會(huì )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，復合材料密度可以達到4.1g/cm3，這種全致密材料的彎曲強度最高為233 MPa，力學(xué)性能較好。3DP技術(shù)為陶瓷復合材料的制備提供了一種新型方案。
粉末床激光燒結（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在一起，并最終形成坯體。陶瓷材料的燒結溫度很高，難以直接進(jìn)行燒結成形。目前，只能通過(guò)間接激光選區燒結法對陶瓷材料燒結，其方法是將低熔點(diǎn)的有機粘結劑覆蓋于陶瓷顆粒表面，然后激光只對有機粘結劑進(jìn)行熔化，使陶瓷顆粒相互結合。雖然改進(jìn)后的成形過(guò)程較簡(jiǎn)單，但是由于有機高分子粘結劑含量較高，因而所得坯體密度較低，疏松多孔，故通常需進(jìn)行后續處理提高致密度，如等靜壓處理、浸滲技術(shù)等。
SiC基復合材料的3D打印工藝有層壓制造（LOM）、粘結劑噴射（3DP）和直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）。LOM可在對商用機器進(jìn)行改造后用于生產(chǎn)連續纖維增強復合材料；粘結劑噴射技術(shù)則允許使用量身定制的粘結劑和短切纖維增強材料進(jìn)行打印，即使對于高SiC纖維負載量（體積比高達65％），硅熔體滲透也能完全致密化；直接墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)也顯示出一定的應用前景，一項重要的需求是建模工作，以協(xié)助進(jìn)行材料設計和工藝優(yōu)化。
3D打印制造的SiC復合陶瓷零件的機械性能仍落后于常規加工手段，但該技術(shù)制造的渦輪發(fā)動(dòng)機零件（如第一級噴嘴和高壓渦輪噴嘴段）已經(jīng)證明可行。
軍用飛機行業(yè)也在探索3D打印以提高戰備能力和負擔能力。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，從而大大節省時(shí)間和成本。就此而言，陶瓷3D打印可用于模制傳統零件并制造具有改進(jìn)冷卻通道設計的新翼型，而這些新設計無(wú)法通過(guò)傳統方法制造。
盡管一些公司已經(jīng)開(kāi)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(zhù)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(chǎng)將在2025年后迎來(lái)一個(gè)拐點(diǎn)。屆時(shí)，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(chǎng)的收入估計將達到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(zhuān)業(yè)化組件的生產(chǎn)發(fā)揮作用。無(wú)論是作為高溫合金替代物的陶瓷基復合材料，還是作為飛機或者火箭發(fā)動(dòng)機高溫結構組件的先進(jìn)陶瓷材料，3D打印或將改變這些領(lǐng)域的制造方式。
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