陶瓷材料的成型与加工过程一般概括为以下四种方法:(1) 去除材料 (Removing materials);(2) 增加材料(Adding materials);(3) 重新分配材料(Redistributing materials);(4) 流体材料成型(Flowing materials)。九十年代发展起来的快速成型加工技术(Rapid prototyping)主要成功地应用于塑料和金属材料。目前国际上广泛研究的陶瓷快速成型技术(rapid prototyping of ceramics)包括激光选区烧结技术、层片叠加成型技术、熔化覆盖成型技术、立体印刷成型技术、三位打印成型技术、喷射打印成型技术等,都属于增加材料的加工成型方法,在先进陶瓷的应用基本上仍然处于实验室研究阶段。

  陶瓷生坯或经过素烧后的坯体直接机加工属于上述第一种方法即去除加工的成型方法,其缺点是不仅被加工的生坯容易开裂,而且所使用的金属刀头极易磨损,所加工下来的粉尘造成大量的环境污染和原料的浪费,加工合格率也很低,因此一直无法在工业生产中获得批量推广使用。

  本项目研发的激光三维快速成型加工陶瓷坯体的方法(3D laser machining of green ceramics)属于上述第一种去除材料加工技术的范围,是一种创新的快速成型加工方法,拥有自主知识产权。这种方法基本的原理是通过激光烧蚀陶瓷坯体中的有机聚合物,从而使陶瓷粉末脱离束缚、自然脱落的一种快速、精密、三维加工陶瓷复杂形状坯体的方法。其有益效果在于该方法属无接触加工成型,无切削力作用于坯体,因此无机械应力及表面损伤。特别适合于目前结构陶瓷多品种、小批量的市场需求现状,因此其理论价值和实用意义极其深远。

  该激光加工陶瓷生坯技术与其它三维快速无模成型技术相比较而言有着本质的区别,用该技术加工的陶瓷坯体是已经用原位凝固胶态成型技术制造的陶瓷坯体,显微结构均匀,气孔呈现单峰分布,各处密度分布均匀,直接加工这样的坯体不存在上述快速成型加工技术在逐层添加材料过程中所带来的界面结合等问题,而且加工周期显著缩短,效率明显提高,烧结过程中变形很小,是一种先进的陶瓷成型加工新工艺。这种技术与金属部件的加工工艺有些类似,首先选择合适的毛坯,然后编制加工工艺,通过CAD软件控制经过三维激光选择性地将有机物烧失,从而制备精密尺寸的陶瓷坯体,再经过烧结得到近终形的陶瓷部件,使最后的机加工减少到最少,显著降低陶瓷的制造成本。这种三维激光加工陶瓷坯体技术无需制造模具,流程短,效率高,可以真正的近净尺寸成型,显著降低机加工成本,无疑将会对结构陶瓷的产业化进程起到至关重要的促进作用,是一种非常理想的陶瓷加工成型新工艺,拥有自主知识产权,有着广泛的推广价值和产业化前景。

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