3D打印技术助力碳化硅陶瓷实现快速轻量一体化制造

轻量化的实现途径主要有三大方面：一是材料的优化设计和应用；二是产品结构的优化设计；三是先进制造技术的开发应用。三者相辅相成以实现最终产品的轻量化制造。

碳化硅（SiC）陶瓷凭借其比刚度大、热导率高、热变形系数小以及稳定性好等综合品质，广泛应用于航空航天、汽车工业等高端制造的电子设备、散热解决方案以及光学系统等领域。

▲轻量化设计的碳化硅反射镜（来源：升华三维）

碳化硅陶瓷在具有低密度的同时具有高机械强度，是作为轻量化设计的理想材料；再通过轻量化构型设计思路，不仅可以降低对材料的使用要求，还能减少昂贵材料的使用量、改进强度重量比、缩短加工时间；结合增材制造(3D打印)技术成形复杂异型构件的独特优势，将是SiC陶瓷材料与结构设计相结合的重点方向。

3D打印技术具有智能、无模、精密、高复杂度的制造能力，它能够完成传统工艺不可能完成的制造。不过相对于塑料或金属有固定的熔点，通过加热融化后就可以进行粘贴。而碳化物陶瓷没有熔点，如碳化硅会在高温下氧化成二氧化硅，或者是其他的气体、激光的作用下直接分解，导致无法直接3D打印，需打印出一个素坯再去烧结。而基于烧结的3D打印复杂结构、轻量一体化制备碳化硅已成为重要应用趋势。

PEP工艺为SiC快速制备提供3D打印解决方案

在SiC陶瓷制备方面，升华三维的粉末挤出3D打印（PEP）工艺具有3D打印与粉末冶金工艺相结合的双重优势，可从SiC的素坯成型工艺入手，并结合适宜的烧结工艺，使烧成的碳化硅陶瓷毛坯达到近净成型，以减少后续加工量，并保证了产品性能满足使用需求，这为实现高性能碳化硅陶瓷构件大尺寸、轻量化、一体化制备提供了解决方案。

▲不同晶格结构填充的碳化硅样品（样品来源：升华三维）

晶格结构是一种最典型的轻量化设计结构。基于其复杂的结构形态，使用水射流切割、铸造、化学镀和电沉积等传统的制造技术制造，耗时、昂贵，并且无法达到高分辨率，而采用3D打印的数字化制造方式，可实现以较低的成本和时间来制造高分辨率和复杂形状的薄支柱和晶格几何形状，这一显著的优势让其成为了理想的填充成形方式。目前，除了在消费品、体育用品、工业设备等领域备受青睐之外，超轻和多功能特性的晶格结构也在再生医学、汽车设计、航空航天等领域有着深度的应用。

▲晶格结构填充实现碳化硅的轻化量（样品来源：升华三维）

升华三维结合PEP技术特性及自主切片软件优势能力，开发了20多种自定义“晶格填充结构”模式，可对产品的实体区域进行便捷的晶格填充结构设置，自动规划打印路径，均衡结构内部应力。每种模式都有其独特的优势，适用于特定的应用工况，实现快速轻量化、孔隙间距、孔形设计调整等需求。有助于客户快速实现产品的轻量化设计和制备。

升华三维通过自主PEP技术独特优势与反应烧结工艺相结合，已实现了碳化硅复杂结构制造 。PEP采用基于蜡基体系的碳化硅颗粒喂料（UPGM-SiC），具有高强度、高硬度、高热导率、高化学稳定性等优异性能的陶瓷材料，适应于航空航天、微电子、汽车工业等领域，且可支持客户自定义开发。

▲ 升华三维碳化硅3D打印材料

通过3D打印设备利用颗粒熔融挤出成型方式先打印生坯，然后再经过成熟的粉末冶金工艺脱脂和烧结，得到结构性能优良的碳化硅结构件。这为实现碳化硅陶瓷部件的 近净尺寸 、轻量一体化制备提供了全新方法。

而采用的反应烧结碳化硅工艺，具有处理温度低、时间短、不需要特殊及昂贵的设备、反应烧结胚件不收缩，尺寸几乎不变、烧结过程无需加压，可以制备大尺寸、形状复杂的制品。

升华三维为碳化硅制造提供高价值服务

在应用案例中，上海硅酸盐研究所利用升华三维大尺寸独立双喷嘴打印机UPS-556系统的颗粒熔融沉积工艺结合反应烧结制备SiC陶瓷新方法，成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件。基于PEP的颗粒熔融打印方法避免了微重力条件下粉体打印潜在的危害，为未来空间3D打印提供了可能。PEP工艺为该案例中的复杂结构、大尺寸、轻量一体化碳化硅元件的成功制备提供了支持，可有力地支撑国家遥感卫星发展和空间基础设施建设，提升了我国在遥感探测技术的核心竞争力。

该团队制备的SiC陶瓷最新研究数据显示：密度可达3.12g·cm 3 ，硅含量降低至10vol%左右，抗弯强度和弹性模量分别达到465MPa和426GPa，力学性能与常压固相烧结SiC陶瓷相当，可提高SiC陶瓷环境使用温度。 相关研究成果发表在《欧洲陶瓷学会杂志》(Journal of the European Ceramic Society)上，并申请中国发明专利2项（其中1项已授权）。

▲采用气相和液相联用渗硅得到的SiC陶瓷力学性能

随着碳化硅应用领域的不断扩展，将进一步推动碳化硅市场的高速发展。3D打印技术作为高端装备制造领域的重要技术手段，始终致力于解决传统制造工艺提出的挑战，在实现特种陶瓷无模成形、缩减产品设计周期、精细陶瓷微结构等方面发挥着极其重要的作用。

升华三维将深化先进陶瓷的开发与研究，加强对大尺寸、高性能、复杂结构层的设计与制造能力，实现对层内各种穿插、交织、多孔等三维结构达到强度、刚度、韧性、耐久性等多性能的完美平衡，结合实际应用开发更多实用的晶格填充结构。该公司现已建成完备的粉末挤出3D打印工艺链，支持从材料配方开发、打印设备定制、到脱脂烧结工艺适配的灵活解决方案，为客户快速实现理想产品的设计和制造提供高价值服务。

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