3D打印新技術(shù):自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)法

undine   2016-03-10 14:29:45

近年來(lái),波音下屬的HRL實(shí)驗(yàn)室在利用3D打印技術(shù)制備新材料方面取得了顯著成績(jī),開(kāi)發(fā)出一種稱為“自動(dòng)傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法”的成型技術(shù)。這種由HRL自主開(kāi)發(fā)、能實(shí)現(xiàn)快速大批量生產(chǎn)原型零件的方法,是美國(guó)國(guó)防預(yù)研局(DARPA)授予的歷時(shí)10年的一項(xiàng)輕質(zhì)、高強(qiáng)材料開(kāi)發(fā)合同中的一部分。依靠該技術(shù),HRL實(shí)驗(yàn)室已于近期制備出超輕金屬材料和陶瓷材料。

基本原理及優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)法與立體平版印刷(SLA)/數(shù)字光處理(DLP)有相似之處,但又不完全相同,其訣竅是讓紫外線穿透平板印刷掩膜上的小孔,照射到樹(shù)脂上使其固化。與此同時(shí),設(shè)置光波導(dǎo)直至樹(shù)脂槽底部,使受照的軸內(nèi)光線得以校準(zhǔn)。在該方法中,由于紫外線照射會(huì)衰減,因而要依靠樹(shù)脂柱內(nèi)表面連續(xù)向下反射而形成光波導(dǎo),使得紫外線通過(guò)波導(dǎo)效應(yīng)穿透液體樹(shù)脂。依靠該方法可創(chuàng)建出獨(dú)特的輕質(zhì)、高強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)3D打印方法相比,自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)法從紫外線照射到形成固體材料僅需30s;而使用傳統(tǒng)的3D打印技術(shù),如普通SLA打印機(jī)打印25~50mm高的物體,整個(gè)過(guò)程需要耗時(shí)4~8h。

自動(dòng)傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法可用于設(shè)計(jì)制造尺寸不同的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),并可獲得不同的材料特性,如柔性、彈性、剛性以及韌性等。

用不同后處理方法得到不同的材料

盡管該方法可生產(chǎn)各種不同種類的微點(diǎn)陣材料,但其中也存有一些棘手的問(wèn)題。首先是材料的Z軸性能嚴(yán)重受限,由于紫外線可穿透樹(shù)脂厚度的限制,材料的最大Z軸高度僅為約25mm;其次是樹(shù)脂材料在紫外線的照射下性能會(huì)產(chǎn)生退化。

制備超輕金屬和耐高溫陶瓷材料

采用不同的后處理方法,如涂層或鑄造,可以得到不同的最終材料。例如,鎳氣凝膠材料就是以電鍍的方式在樹(shù)脂微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的表面鍍上一層超薄的鎳,制成超輕鎳基微點(diǎn)陣材料。在制造這種超輕材料時(shí),首先采用3D打印技術(shù)制備所需結(jié)構(gòu)的微點(diǎn)陣模板,再利用紫外線直接照射到光反應(yīng)單體樹(shù)脂上,通過(guò)成千上萬(wàn)的小洞、一個(gè)掩膜和一層石英,從而形成光波導(dǎo),即可制造出3D微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在造出微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以后,在微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行化學(xué)鍍或者電鍍敷設(shè)金屬薄膜,在經(jīng)燒蝕或化學(xué)刻蝕掉樹(shù)脂微結(jié)構(gòu)后,即得到超輕空心管狀微點(diǎn)陣金屬材料。當(dāng)然,如果不用金屬來(lái)制造鍍層,用其他材料也可以制成各種不同的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),并且將具有不同的屬性。

陶瓷材料用于高溫或極端環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、火箭噴口和頭錐等,但將其通過(guò)鑄造或機(jī)械加工制成所需形狀非常困難。近年,3D打印工藝的出現(xiàn)使得復(fù)雜幾何形狀陶瓷件的加工生產(chǎn)成為可能。

但是,采用傳統(tǒng)3D打印工藝打印陶瓷時(shí),無(wú)論是沉積含有陶瓷微粒的光敏樹(shù)脂、在陶瓷微粒上噴射黏結(jié)劑,還是利用激光熔融陶瓷粉末床,都會(huì)受到生產(chǎn)速度的限制,而且經(jīng)常難以避免耗時(shí)較長(zhǎng)的黏結(jié)劑清除過(guò)程。因而,目前3D打印出來(lái)的陶瓷產(chǎn)品往往會(huì)出現(xiàn)裂縫或材料不均勻,可靠性及強(qiáng)度均較低。另外,目前的大部分3D打印陶瓷可使用的材料也只有相對(duì)較低熔點(diǎn)的氧化物陶瓷,使零件的高溫性能受到限制。

HRL實(shí)驗(yàn)室利用自動(dòng)傳布的光敏聚合物波導(dǎo)法和新型聚合物樹(shù)脂配方,已驗(yàn)證了快速制備高強(qiáng)、復(fù)雜幾何形狀陶瓷零件的能力。這種新型的聚合物樹(shù)脂由HRL實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)化學(xué)工程師Zak Eckel和資深化學(xué)家Chaoyin Zhou發(fā)明,在制造陶瓷部件時(shí),首先將該樹(shù)脂制成具有復(fù)雜外形的零件,然后置于爐中燒制,待樹(shù)脂熱解后,材料即均勻收縮成高密度陶瓷零件。采用這種聚合物樹(shù)脂可以制造碳氧化硅陶瓷部件,具備高硬度、強(qiáng)度、耐高溫、耐磨以及耐腐蝕等性能。

在利用這種聚合物樹(shù)脂制造陶瓷前驅(qū)體單體時(shí),HRL實(shí)驗(yàn)室起初也是采用傳統(tǒng)的SLA工藝來(lái)制造復(fù)雜外形,但需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天時(shí)間。為此HRL實(shí)驗(yàn)室采用自動(dòng)傳布光敏聚合物波導(dǎo)法來(lái)快速、大批量生產(chǎn)樹(shù)脂原型零件,不僅生產(chǎn)速度快,而且可以制造出微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的超輕陶瓷材料。這種方法可以制造耐溫超過(guò)1700℃的碳氧化硅陶瓷零件,其強(qiáng)度類似于蜂窩陶瓷材料的10倍左右,而且也可以制造其他陶瓷材料零件。

HRL實(shí)驗(yàn)室表示,陶瓷前驅(qū)體聚合物以及聚合物衍生陶瓷研究并非剛剛興起。此類材料早在1960年代就已開(kāi)發(fā)出來(lái),當(dāng)將其加熱到1000℃并處于氬氣等惰性氣體下,聚合物發(fā)生熱解,可形成許多種類陶瓷化合物,包括碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化鋁,以及各種碳氮化物等。與此同時(shí),易揮發(fā)的化學(xué)物如甲烷、氫、二氧化碳、水以及碳?xì)浠衔锏葥]發(fā)掉,即留下致密、收縮的陶瓷形狀。在HRL實(shí)驗(yàn)室登載于2016年1月1日《科學(xué)》雜志的 “聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷的增材制造” 實(shí)驗(yàn)報(bào)告中,研究團(tuán)隊(duì)表示在燒結(jié)過(guò)程中碳氧化硅前驅(qū)體聚合物產(chǎn)生了42%的重量損失及30%線性收縮,但其收縮“非常均勻”,因此是可以預(yù)測(cè)的,并可以據(jù)此來(lái)測(cè)算成品的尺寸。

目前,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室已用該陶瓷制備技術(shù)制造出微尺度桁架結(jié)構(gòu),演示了多種多樣的微結(jié)構(gòu)、蜂窩、凹蜂窩等,并表現(xiàn)出良好的柔性。

借助于新技術(shù),HRL可制造出兩種實(shí)用的陶瓷產(chǎn)品:一種是體積大重量卻非常輕的微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),可以用于制造飛機(jī)與航天器的耐熱板和其他外部部件;另一種是小型且復(fù)雜的部件,可用于制造機(jī)電系統(tǒng)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭部件等。

新材料和新工藝的應(yīng)用前景

HRL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的超輕材料減重可達(dá)40%,有望用于新一代航天器。一旦HRL完成進(jìn)一步的測(cè)試,那些正在通過(guò)MCMA項(xiàng)目來(lái)尋求小型耐高溫部件的火箭和衛(wèi)星設(shè)計(jì)者就很可能開(kāi)始嘗試使用該項(xiàng)技術(shù)。

點(diǎn)陣材料的成果雖然最近才見(jiàn)諸報(bào)道,實(shí)際其相關(guān)原理的研究在十幾年前就已開(kāi)展。金屬微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被認(rèn)為有可能在未來(lái)成為復(fù)合材料的強(qiáng)勁對(duì)手,當(dāng)然復(fù)合材料也可以被做成微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),因此工業(yè)界認(rèn)為復(fù)合材料在面臨強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)也存在機(jī)遇。

有機(jī)硅先驅(qū)體聚合物熱解轉(zhuǎn)化法制備陶瓷材料的研究,是當(dāng)前高性能陶瓷材料研究的熱點(diǎn)和新的生長(zhǎng)點(diǎn)。利用新型3D打印技術(shù),陶瓷材料也可利用微點(diǎn)陣技術(shù)而成型出新的復(fù)雜結(jié)構(gòu),進(jìn)而為高溫陶瓷材料的應(yīng)用開(kāi)辟新的道路。 

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