陶瓷3D打印如何改变航空航天?

发布日期:2022-04-14 浏览数:646 次

    根据预测,到2030年,陶瓷3D打印市场将在全球产生高达48亿美元的销售额。陶瓷3D打印的一大重要客户,就是航空航天行业。位于维也纳的Lithoz公司是陶瓷3D领域的一家知名公司,该公司专注于航空航天领域的陶瓷3D打印。Lithoz成功开发了基于光刻技术的陶瓷制造(LCM)的制造系统。陶瓷3D打印和为其开发的材料有哪些具体的应用领域?它们如何有助于改善迄今为止的航空航天要求?

    太空船搭载3D打印陶瓷部件起飞

    更快、更简单、更具成本效益是航空航天领域行业追求的原则。几乎没有任何其他行业像航空航天这样,对额外制造的零件的要求和期望如此之高。其部件面临的最大挑战可能不仅包括极端负载,还包括加热和过热。特别是,涡轮叶片的移动速度使其产生的热量高于金属涡轮叶片的熔点,这一事实将传统制造工艺推向了极限。然而,单个部件不仅必须能够承受过热而不会出现问题,还必须能够承受严寒。如果有人认为太空中的外部温度会迅速下降到–200°C以上,那么很快就会清楚:航空航天部门需要一种前瞻性的制造工艺替代方案。零件的性能决不能在任何极端条件下受到影响,稳定性和孔隙率在太空旅行中至关重要。推进器的尺寸至关重要:如果零件制造过大,可能会导致不必要的热损失;如果零件太小,则不会导致推进剂的最大分解。这两种情况的结果都是性能降低和成本增加。

    陶瓷3D打印如何解决这些拦路虎呢?陶瓷具备优秀的耐热性和机械性能,陶瓷3D打印具备生产高质量的精细部件的能力。因此,增材制造可以在降低成本和交付周期的同时实现复杂形状的设计,而这在传统制造中是无法实现的。因此,陶瓷3D打印对于像航空航天这种要求苛刻的行业来说是一个非常理想的解决方向。Lithoz通过开发一种氮化硅(Si3N4)迅速将自己定位在这一市场上,氮化硅具备最佳性能:即使在高温下也具有极高的强度、出色的耐温变能力,以及极高的硬度。为了证明这些性能,奥地利Lithoz公司用Si3N4制成的喷嘴在极端条件下进行了测试,结果非常好。

Lithoz团队希望使用3D打印氮化硅喷嘴测试其材料的抗热抗震性。因此,他们将其加热至900°C,然后立即用水淬火将其冷却至室温。尽管存在较高的热应力,但3D打印喷嘴在测试中没有受到任何损坏。根据Lithoz的说法,这种材料甚至可以承受高于900°C的温度。

这款Lithoz喷嘴能够承受最高温度(图片来源:Lithoz GmbH

 

    这对航空航天业意味着什么?3D打印氮化硅零件具有高抗热震性、优秀的强度和韧性,而3D打印这种生产方式具备可以生产复杂陶瓷组件的绝对优势。对于航空航天部门来说,这使得微型涡轮机、叶轮和刀具能够快速、精准地生产,并在能够在高达1200°C的温度下使用,这些,使用传统工艺来生产,既耗时又昂贵。Si3N4也被广泛应用于其他行业:由于其优秀的抗菌和抗病毒能力,以及其优异的生物相容性,Si3N4在医疗领域广受欢迎。氮化硅特别适用于牙科、骨科和颅颌面植入物领域。氮化硅也是对抗冠状病毒的理想材料,因为它的表面特性使它能够抵抗病毒和细菌。

 

    月球3D打印:事实还是虚幻?

    这听起来像是科幻电影剧本中的一些东西,但在Lithoz公司,已经成功使用月球尘埃作为材料来做陶瓷3D打印。LithozLCM技术使航空航天部件能够以高精度尺寸由月球表土制成。这意味着,在未来的太空任务中,必要的备件和工具可以在太空现场按需生产。

    月球一直以来被认为对人类来说是可用且无毒安全的,利用月球上的这些资源来做陶瓷3D打印,我们需要更进一步的研究。与欧洲航天局(ESA)的密切项目合作,使得在Lithoz3D打印方面能够持续研究和进一步开发月球尘埃。自20世纪60年代以来,致癌物质联氨在太空行业中发挥了重要作用。作为欧盟地平线2020项目的一部分,人们已经在研究能够替代联氨的解决方案。通过使用CeraFab 7500 3D打印机(Lithoz公司的基于DLP(数字光处理)的添加剂制造系统)以及在该项目中得到应用的专有光固化粘合剂,研究人员能够在改善空间应用方面取得重大进展。为了探索月球尘埃使用的更多的可能性,Lithoz目前也正在积极参与几个项目。

由月球尘埃打印的3D零件可以有不同的尺寸和形状(图片来源:Lithoz GmbH

 

    Lithoz助力轻型飞机涡轮的生产

    飞机能够起飞,涡轮至关重要。涡轮内部最重要的零件之一是涡轮叶片,传统上是通过熔模铸造制造的。然而,这里有一个严重的问题:对于传统的注塑型芯,合并多叶片、复杂和狭窄的结构是有极限的。从长远来看,使用传统方式生产不仅代价高昂,还会带来安全风险。如何在不增加成本的情况下更高效、更创新地制造涡轮?Lithoz的专有材料LithaCore 450解决了这个问题,这是一种硅基材料,非常适合使用LCM技术生产铸铁芯。极低的热膨胀系数和极高的孔隙率使该材料成为精密陶瓷型芯制造的理想材料,能够生产具有复杂的结构的零件,非常适用于航空航天应用。

 

    通过增材制造的方法来制作,不仅可以防止高成本和巨大的工作量,LithozLCM技术还可以缩短生产时间。因此,模具和产品可以在更短的时间内完成,从而大大缩短上市时间。铸造型芯的精细度可以至少为200μm,即使是具有复杂的形状,也可以完成最大尺寸为30 cm的打印。使用专有的CeraFab系统,Lithoz甚至成功地生产了几个尺寸为50 cm的铸造型芯——这是以前在这种形式下从未做过的事情,从而展示了Lithoz在工业涡轮机生产大型型芯方面的前瞻性的解决能力。

陶瓷型芯在CeraFab S230上打印,使用了LithaCore 450材料,用于工业燃气轮机(照片来源:Lithoz GmbH

 

    Lithoz开发的最新材料

    虽然目前市面上通用的材料已经通过了多年使用的验证,但Lithoz在陶瓷材料的可选择面上又新增加了两种。首先,硅渗透碳化硅(SiSiC)是一种轻质而坚硬的陶瓷材料,具有非常好的导热性和最小的热膨胀系数。在这方面,SiSiC陶瓷通常用作热交换器、喷嘴或不同类型燃烧器的端件。另一方面,氮化铝(AlN)是利用DLP制造技术开发的,和SiSiC一样,氮化铝具有很高的导热性。另一方面,AlN的弯曲强度(在研究样品期间测量得到)在320498 MPa之间。总之,这些特性使生产高度复杂且无裂纹的零件成为可能,从而在热管理领域创造了新的应用可能性。

碳化硅使形状和尺寸超出想象(图片:Lithoz GmbH

 

    以上各种材料的使用,清晰地说明了陶瓷3D打印在航空航天领域已经取得了多大的成果,以及它带来了什么新的可能性。除了可以生产结构复杂的零件外,Lithoz还具备极高的设计自由度。多材料,高精度,无论3零件的尺寸是几毫米还是几十厘米,CeraFab系统都能保证一流的材料质量和稳定高精的曝光精度,即使是批量生产零件也不是问题。

 

    Lithoz目前在航空航天领域有哪些项目?

    LithozPoTiener大学(法国)、FoTEC Fursungs- UND技术转让有限公司(奥地利)和应用科学大学维纳纽斯塔特有限公司(奥地利)的研究人员一起,探讨并实验了整体式催化剂涂层的制作方法,并与传统的整体式催化剂涂层进行了比较。关于高浓度过氧化氢的分解,可以注意到,孔隙有很大的不同。一般来说,3D打印结构的孔隙率远远大于挤压结构的孔隙率。孔隙率越高,瞬态温度的问题也会随着孔隙率的升高而改善。这些使陶瓷3D打印能够为航空航天提供更多帮助。

 

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