高效陶瓷面曝光成型技术与装备

负责人: 连芩

所在学院：机械工程学院

一、 项目简介

现阶段陶瓷复杂结构成型技术已成为高性能陶瓷行业瓶颈问题，目前市场上常用的是利用模具或数控加工技术成型结构。传统的利用模具将陶瓷浆料成形为素坯的方法存在技师手工操作多，影响成形精度的工艺因素多等问题，而且还需要数控加工和渗透加工进一步提高成型精度和力学性能，造成制作成本高、制造周期长，无法满足单件小批制件的加工需求。本项目提供一种应用于陶瓷零件的光固化增材制造设备与工艺技术,包括数字光处理(DLP)装置、浆料存储与转换装置、打印台承载装置、在线检测装置和PLC 控制装置。陶瓷面曝光成型技术突破了现有陶瓷零件以模具和数控加工成型的技术瓶颈，在常温下工作,可直接一次性固化成型复杂结构，成型速度快；成型精度可达微米级，成型零件变形小，便于实现精细结构；成型后零件的密度与应力均匀性好，大大提高了陶瓷复杂结构件的打印质量和烧制后的力学稳定性；而且设备结构和工艺更加简单，成本低；特别适合于硬脆性陶瓷的复杂结构成型，应用场景为航天航空、国防军事的高精密陶瓷零件、齿科与骨科的陶瓷义齿或假体，是未来小型复杂结构高性能陶瓷行业制造技术的主要趋势。目前，该项技术已经获得国家重点研发项目支持、多项发明专利授权，并在多家合作单位得到实际应用。

二、 产品性能优势

该项目使用基于数字光处理(DLP)的光固化原型技术，实现陶瓷零件的快速复杂结构成型，可解决目前高性能陶瓷行业及其相关生物医疗器械中存在的一些问题：

(一) 大幅缩减制造成本。传统陶瓷素坯的结构成型方法需要多种设备，例如模具及制造模具设备、浇注与固化装备、昂贵的数控加工设备，并且通常放置在不同的车间。陶瓷面曝光成型设备将陶瓷素坯成型加工集中在一台设备上完成，大幅缩减工艺流程与加工周期；且陶瓷设备长度、高度都在 1-2 米左右，加工空间小，设备成本和制造成本低。

(二) 大幅提升成型效率与质量。传统制造方法中，需要利用陶瓷粉制备的浆料或标准结构坯体，分别利用模具或数控加工成型复杂结构，再经过烧制完成功能件。此时，不仅模具和标准结构素坯会增加加工周期和质量调控难度，而且材料损耗率甚至高达 90%以上。而陶瓷面曝光成型技术直接利用陶瓷粉制备陶瓷浆料，利用浆料成型素坯，且浆料使用率近 100%。

(三) 陶瓷面曝光成型技术具有成型速度快、零件变形小，便于实现精细结构；同时由于陶瓷密度与应力均匀性好，大大提高了陶瓷复杂结构件的打印质量和烧制后的力学稳定性。

(四) 陶瓷面曝光成型技术对开发新型功能陶瓷浆料的促进作用极大。因面曝光波长仅影响陶瓷浆料中的聚合物等材料，不影响陶瓷成分，因此该技术非常适合在功能陶瓷的多行业应用开发。

三、 市场前景及应用

(一)项目现状

1.陶瓷面成形技术与设备现状研制完成了基于氧阻原理的陶瓷面成形系统，完成 1 台样机，制订企业标准 2 项。提出了具有氧阻效应的增材制造陶瓷浆料的制备方法，开发了 1 种氧化铝基增材制造陶瓷浆料.建立了 1 套陶瓷面成形工艺及其成型精度评估方法。

2.定制化全瓷骨骼应用现状氧阻工艺陶瓷素坯内外结构完整，内部无断层情况，最大截面积比基本工艺下扩大了 5 倍以上。开发了 1 种钙磷基骨陶瓷增材制造浆料，建立了一套大尺寸骨骼的陶瓷面成型工艺。

3.定制化牙齿修复体应用现状，提出了定制化牙齿修复体的三段式辅助支撑设计方法开发了 1 种氧化锆基义齿增材制造陶瓷浆料，建立了定量化打印-烧结的工艺模型缩放比例公式，形成了烧结陶瓷件的结构收缩控制方法，适用于义齿结构件的定制化制造需求。建立了 1 套基于面成形和烧制技术的氧化锆牙冠桥工艺模型方法与制造工艺方法。

（二）项目应用

目前本项目所研发的复杂型面陶瓷制件、专用的陶瓷浆料、高效率陶瓷面成形技术与设备等技术主要应用于全瓷骨（大关节骨软骨缺损修复）制造与全瓷牙制造。同时也可以广泛应用于军工、工业制造、建筑、运输、考古和教育等领域。可见，陶瓷在许多行业中的应用是十分具有意义的，增材制造陶瓷正在迅速取代传统的陶瓷零件。目前市面上广泛应用着增材制造陶瓷：

1.航天

陶瓷的尺寸稳定性和低密度使其成为火箭和卫星以轴承、密封和热屏蔽的形式送入太空的理想材料。

2.航空

同样的特性在地球大气中同样有帮助，陶瓷具有很高的抗磨损和耐热性能，因此可以在各种飞机部件中找到它，包括装甲、电绝缘和燃料喷嘴。

3.汽车

陶瓷的硬度和韧性在汽车制造领域特别有用。从火花塞，刹车，传感器和过滤器等等。

4.能量

发电和配电系统要求很高而且很关键，陶瓷有助于这些系统的可靠性。它的耐磨性、电绝缘性和刚性的力学性能使它能够在恶劣的发电厂环境中生存下来。

5.化学和医药

合成化学品和药物需要涉及快速温度变化、压力和腐蚀的过程，定制陶瓷可以比工业中使用的特种机械金属更耐用。

6.医学

陶瓷是一种重量轻、耐用、生物相容性好的材料，是医疗行业重要的材料，可用于种植体，手术工具和导轨，以及诊断设备。其中，医学领域的应用是本项目市场应用发展的重点。中国已成为全球口腔业和人工关节发展速度最快的国家，可以了解到中国是全球口腔义齿生产大国，而且对义齿需求正处于快速增长期。因此本项目所研发的定制化牙齿修复体的制造与设备具备了显著的市场需求。同时，因为陶瓷增材制造技术本身是一个极具潜力及高回报的高新产业技术，由此可见它将会成为推动临床医疗行业的发展的一股重要力量。由此可见，作为一个被十分看好的新兴市场，其市场空间正在不断增大，而由于该市场极高的技术壁垒与进入条件，在未来的一段时间内，将出现供不应求的情况，市场空间充足，市场机会充裕。因此，根据本公司核心技术的水平，可以很容易进入到骨科植入物市场中，而且由于该市场的技术壁垒等，可以快速占有足够的市场份额，在取得相关产品的医疗器械注册证之前，本公司可以优先利用技术与案例优势，抢占市场制高点，增大品牌影响力，进行相应的市场布局，当取得注册证之后，本公司可以在短时间内垄断相关市场，获取最大化利益。在注册期间，本公司将会利用自身的技术优势与特点，去占有一定增材制造高端工业市场，获取可观利润。