陶瓷3D打印在美国SANDIA国家实验室中的应用

作为美国能源部核安保局的三个研发实验室之一，Sandia国家实验室（Sandia NationalLaboratories，SNL）的主要任务是核武器的非核部分的开发、制造与测试。为了实现陶瓷复杂结构产品的快速制备，SNL采用奥地利Lithoz公司开发的基于光固化的陶瓷3D打印（Lithography-Based Manufacturing，LCM）广泛的应用于产品制备中。他们描述道：“陶瓷的增材制造大大降低了开发时间、拓宽了设计可能性并且可以实现定制材料的快速开发”。

图 1陶瓷3D打印将产品开发周期从4-6个月缩短至小于2周

在过去的一年，在陶瓷3D打印技术的帮助下，SNL已经成功实现了实验室内部两三个部门的新型构件的设计与测试工作。例如（如图1所示）：新型超高真空测试固定件的制备(a)、新型耐热陶瓷喷嘴的设计(b)与制备以及新型夹具与模具(c和d)。基于这些工作，结合陶瓷3D打印的下一代构件设计的为期三年的项目已经获批开展。

图 2 Sandia国家实验室使用陶瓷3D打印制备的新型构件

使用LCM技术不仅可以实现多种传统陶瓷材料的3D打印，而且其具有的优异的兼容性可以新型先进陶瓷材料的3D打印制备。SNL已经成功实现了自主开发的玻璃粘接氧化铝陶瓷的3D打印制备，表征与测试显示打印件具有优异的力学性能、热膨胀系数以及致密度。目前SNL正与Lithoz公司合作，致力于新型（氧化铝-钼）金属陶瓷材料的3D打印的技术攻关。

山东中科先进技术研究院微纳米3D打印工程中心作为奥地利Lithoz公司的合作伙伴，是国内最早开展陶瓷3D打印工作的单位之一，工程中心具备光固化的陶瓷3D打印机（可以实现具有高成型精度（打印层厚为10-100 μm、最小壁厚为150 μm、最小孔道200 μm），可以满足复杂传统加工方法无法完成的陶瓷构件制备需求。工程中心同时具备三维扫描，可以陶瓷打印件的制造精度进行快速评估。此外，3D-DIC全场形变表征可以对复杂形状构件在多场耦合条件下下进行力学行为非接触表征，提供复杂结构构件在模拟真实服役条件下的全场应变信息，提供力学性能信息。

图 3微纳米3D打印工程中心的LCM陶瓷3D打印机