Khi nhắc đến gốm sứ, điều đầu tiên người ta nghĩ đến là gốm sứ truyền thống, như những chiếc bình được làm từ đất sét và cát, trộn với chất lỏng (thường là nước). Hoặc chúng ta có thể nghĩ đến sứ, là một loại gốm, được sử dụng như một chất cách điện.
Nhưng lĩnh vực gốm sứ kể từ đó đã được mở rộng bằng cách tạo ra các vật liệu tổng hợp gốm khác nhau để sử dụng trong các ứng dụng công nghệ phức tạp hơn nhiều.
Những đồ gốm công nghiệp hiện đại này có thể được chế tạo để trở nên cứng như kim loại cứng nhất, hoặc biến thành chất siêu dẫn, hoặc có thể được chế tạo thành các cấu trúc xốp cho công nghệ màng và lọc.
Những vật liệu này được gọi là gốm kỹ thuật, tiên tiến, hoặc công nghiệp.
Chúng là loại gốm sứ đặc biệt được sử dụng cho nhiều ứng dụng chuyên biệt trong các ngành công nghiệp khác nhau. Từ ô tô, hàng không, vũ trụ, điện tử, năng lượng đến lĩnh vực y sinh.
Gốm oxit và gốm không oxit
Trong lớp gốm sứ này, chúng ta có thể phân biệt hai nhóm chính: ôxít và không ôxít. Ngoài ra, chúng ta sẽ xác định các loại vật liệu tổng hợp khác nhau.
Nhóm đầu tiên bao gồm các oxit kim loại nhôm, zirconia và silica. Nhóm còn lại, gốm sứ không oxit, được tạo thành từ các vật liệu như silic cacbua, silic borid và silic nitrit trong số những loại khác.
Điều làm cho những đồ gốm kỹ thuật này một nhóm vật liệu thú vị cho các ứng dụng công nghiệp là chúng có các đặc tính cơ, điện, nhiệt, sinh học và hóa học cao hơn so với hầu hết các kim loại và polyme.
Những đặc tính này là: độ bền cao, độ ổn định kích thước cao (hệ số giãn nở nhiệt thấp), mật độ thấp, khả năng chống mài mòn và ăn mòn cao và độ ổn định hóa học cực cao cũng như khả năng chịu nhiệt.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn một số loại gốm sứ này, vì mỗi chất liệu có những đặc điểm và thế mạnh riêng.
Bạn tò mò về chi phí in 3D gốm sứ kỹ thuật?
Tải lên tệp của bạn để biết giá và thời gian bán hàng. Nó miễn phí và dễ dàng. Các bác sĩ cho biết:
Ôxít
Trong nhóm này, các sợi ôxít được cho thêm vào hỗn hợp gốm để cung cấp thêm độ bền và gia cố, đồng thời làm cho thành phần cuối cùng chịu được ôxy hóa.
Alumina
Alumina (nhôm oxit) được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại gốm kỹ thuật, nó cũng là vật liệu hiệu quả nhất (rẻ nhất) trong loại này. Alumina có nhiều đặc tính tuyệt vời, quan trọng nhất là: độ cứng cao (gần gấp ba lần độ cứng của thép không gỉ) cũng như khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ tốt.
Các thành phần được làm từ alumin có khả năng cách điện và chống thủng do đó thích hợp cho nhiều ứng dụng, chẳng hạn như chất nền trong ngành công nghiệp điện tử.
Alumina để in 3D
Zirconia
Zirconia (zirconium dioxide) dựa trên zirconium là một nguyên tố kim loại. Đặc điểm chính của Zirconia là: độ dẫn nhiệt thấp với khả năng cách nhiệt tuyệt vời và khả năng chống lan truyền vết nứt rất cao.
Chúng mang lại sự thỏa hiệp rất tốt giữa độ cứng và độ dẻo dai, điều này làm cho chúng rất hữu ích cho nhiều ứng dụng. Gốm sứ Zirconia ít giòn hơn các loại gốm sứ khác. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để làm dao gốm.
Zirconia cũng có thể được tìm thấy trong các ứng dụng nha khoa như phục hình răng và các thiết bị y tế khác.
Các vật liệu tổng hợp hoặc biến thể của các vật liệu này cũng có sẵn, ví dụ:
Alumina cường lực zirconia: tính tương hợp sinh học tuyệt vời và khả năng chống mài mòn và sốc nhiệt, được khuyến nghị cho các ứng dụng y sinh và công nghiệp.
Zirconia để in 3D
Silica
Silica (SiO2) nổi tiếng với khả năng chống sốc nhiệt và khả năng rò rỉ (hòa tan hóa học). Vì những lý do này, nó thường được sử dụng để sản xuất vỏ và lõi trong quá trình đúc theo mẫu chảy cho các ứng dụng năng lượng và hàng không vũ trụ.
Và vật liệu dựa trên silica để đúc lõi được sử dụng để sản xuất lõi trong quá trình đúc theo mẫu chảy.
Silica để in 3D
Gốm sứ không oxit
Gốm không oxit hoạt động tốt hơn trong môi trường khắc nghiệt, ví dụ như nhiệt độ cao, hơn gốm oxit. Cacbua silic và nitrua silic, hai loại gốm sứ không oxit thường được sử dụng, có thể chịu được nhiệt độ lên đến 2400 độ C.
Ngoài ra chúng còn cho thấy khả năng chống ăn mòn, độ cứng và khả năng chống oxy hóa cao.
Cacbua silic
Nó nhẹ và cứng hơn nhiều so với các loại gốm sứ khác và có khả năng chống lại axit. Cacbua silic, là loại gốm chống ăn mòn cao nhất. Nó được sử dụng trong bộ phận làm kín cơ khí và các bộ phận bơm, phanh ô tô, ly hợp ô tô và các tấm gốm trong áo chống đạn được làm từ vật liệu này.
Boron cacbua
Boron cacbua đặc biệt thú vị trong các ứng dụng nhiệt độ cao do nhiệt độ nóng chảy cực cao (> 3000 ° C), khả năng chống oxy hóa cao, và độ dẫn nhiệt và điện cao. Vật liệu này có thể là ứng cử viên sáng giá cho nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như lớp lót chịu lửa, điện cực, thiết bị vi điện tử và dụng cụ cắt cũng như các ứng dụng cho quân sự và quốc phòng như áo giáp xe tăng, áo chống đạn, v.v.
Nitrua nhôm
Đặc tính cơ học cao của loại gốm này, kết hợp với độ dẫn nhiệt và cách điện cao, rất được khuyến khích sử dụng trong ngành điện tử.
Silicon nitride
Silicon Nitride là một trong những loại gốm kỹ thuật bền và cứng nhất. Nó có mật độ rất thấp, độ bền chống gãy cao, độ bền uốn tốt và khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời. Ứng dụng của nó được tìm thấy trong các thành phần của máy bơm, van và chất bán dẫn, trong số những thành phần khác.
Gốm kỹ thuật trong các ứng dụng hàng không và y tế
Như chúng ta đã thấy, gốm sứ kỹ thuật được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, trong hóa học, máy móc, điện tử, chất bán dẫn cũng như trong lĩnh vực hàng không và y sinh.
Hai ngành công nghiệp cuối cùng đặc biệt thú vị đối với việc sử dụng những đồ gốm tiên tiến này, vì những đặc tính tuyệt vời của chúng được săn đón trong các ngành công nghiệp này. Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ rất ưa chuộng các vật liệu nhẹ, cứng, chịu nhiệt, trong khi đó, tính tương hợp sinh học, tính trơ hóa học và chống ăn mòn có lợi cho các ứng dụng y tế.
Đối với các ứng dụng y tế như cấy ghép hông, đầu gối và nha khoa, gốm sứ được coi là một giải pháp thay thế cho kim loại như titan vì tính trơ hóa học vượt trội của vật liệu.
Nhưng có thể phải mất một thời gian nữa để điều này trở thành hiện thực.
Vì cả hai ngành này đều được quản lý chặt chẽ và các bộ phận cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn cao về an toàn. Để đạt được và đáp ứng các chứng chỉ và trình độ có thể là một thách thức.
In 3D bằng gốm kỹ thuật
Sau khi thảo luận về các vật liệu khác nhau, bây giờ chúng ta hãy xem xét các phương pháp in 3D có sẵn và được phát triển để sản xuất các bộ phận bằng gốm kỹ thuật.
Gốm kỹ thuật khó hình thành bằng kỹ thuật sản xuất truyền thống. Việc gia công các bộ phận bằng gốm cực kỳ khó do độ cứng và độ giòn của chúng, điều này đặc biệt đúng đối với các bộ phận lớn hơn. Hơn nữa, để tạo ra các bộ phận phức tạp và chi tiết bằng gốm sứ cũng có thể là một thách thức.
Do đó, sản xuất phụ gia có thể là phương pháp thúc đẩy lĩnh vực sản xuất gốm sứ. Bằng cách sử dụng sản xuất phụ gia, chúng ta có thể sản xuất các bộ phận có hình học phức tạp cao mà bình thường không thể sử dụng các kỹ thuật gia công hoặc quá trình đúc truyền thống.
Gốm sứ có thể được in 3D với nhiều quy trình in 3D khác nhau, từ In li-tô lập thể cho đến thiêu kết Laser chọn lọc đến sản xuất vật thể nhiều lớp. Nguyên liệu gốm có sẵn ở các dạng khác nhau theo yêu cầu cho từng quy trình này.
Quy trình in 3D cho gốm sứ
Keo dán gốm cho In li-tô lập thể
In li-tô lập thể (SLA) sử dụng bùn hoặc bột nhão gốm làm nguyên liệu.
Bùn gốm là một hỗn hợp của nhựa cảm quang và bột gốm rắn.
Các thành phần gốm được tạo nên bởi các lớp kế tiếp nhau bằng cách sử dụng tia laze để trùng hợp một hỗn hợp bao gồm nhựa cảm quang và gốm.
Sau đó, các bộ phận sẽ được xử lý nhiệt để loại bỏ nhựa (tạo màng) và làm đặc (bằng cách nung kết) gốm.
Bột nhão hoặc bùn gốm cũng có thể được in bằng các công nghệ như Direct Light Printing (DLP) và công nghệ Sản xuất gốm dựa trên kỹ thuật in thạch bản (LCM).
Bột gốm cho SLS
Sau đó, chúng tôi có bột gốm cho Selective Laser Sintering (SLS) và Selective Laser Melting (SLM)
Sợi gốm cho LOM và FDM
Và gốm ở thể rắn cho các phương pháp như sản xuất đối tượng nhiều lớp (LOM) và công nghệ in bồi đắp FDM (Fused Deposition Modeling), phương pháp sau sử dụng các sợi gốm của bột liên kết trong một ma trận nhựa nhiệt dẻo.
Trong số các quy trình này, In li-tô lập thể hoặc kỹ thuật tạo quang như DLP được sử dụng nhiều nhất. Chúng ta có thể đạt được bề mặt hoàn thiện đẹp bằng phương pháp này.
Điểm nóng chảy cao của gốm sứ có thể làm cho việc in bằng SLS hoặc SLM trở nên khó khăn.
Cũng lưu ý rằng máy SLA và DLP rẻ hơn nhiều so với hệ thống SLM.
Beamler cung cấp công nghệ SLA, DLP và LCM trên nền tảng BeAM.
Kết luận
Gốm kỹ thuật là vật liệu tuyệt vời cho các ứng dụng đòi hỏi độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao. Những vật liệu này rất khó tạo thành bằng phương pháp truyền thống. Sản xuất phụ gia có thể là động lực để sử dụng rộng rãi hơn vật liệu gốm trong ngành công nghiệp.
Gốm kỹ thuật là vật liệu lý tưởng cho các bộ phận cần chống ăn mòn và chống mài mòn cơ học ngay cả ở nhiệt độ cao. Các loại gốm kỹ thuật phổ biến nhất bao gồm nhôm oxit (alumina), oxit zirconi (zirconia), nhôm nitrit, silic cacbua và silic nitrit. Hiện tại, các bộ phận làm bằng gốm kỹ thuật đặc biệt và tiên tiến này có thể được in bằng 3D. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu sơ lược về một số đồ gốm cao cấp và thảo luận các phương pháp khác nhau để in 3D các vật liệu này.