可实现复杂航空航天结构的陶瓷3D打印技术未来前景如何？

南极熊导读：航空航天行业需要创新和高效解决方案，3D打印技术成为理想选择。根据研究报告，航空航天和国防市场对3D打印的需求不断增长，预计增长率将超过24%。增材制造技术带来了许多优势，如生产轻量、高强度、复杂的零件，设计自由度，减少原材料浪费，提高成本和资源效率。这些变化将推动航空航天领域的发展和进步。

△3D打印陶瓷部件示例

2023年5月15日，南极熊获悉，奥地利制造商Lithoz专注于陶瓷3D打印技术，通过光刻陶瓷制造（LCM）技术满足工业和航空航天应用对复杂零件的高要求。它在2022年实现了陶瓷3D打印解决方案收入翻倍，表明医疗和航空航天等多个行业市场对该技术表现出了兴趣。

△陶瓷基材料具有耐高温的特性

在航空航天应用中使用陶瓷的好处

根据“3D打印陶瓷2022-2032：技术和市场展望”的研究报告指出，陶瓷3D打印市场价值预计将显著增长，到2023年预计达到4亿美元（约为27亿人民币）。

航空航天、国防、牙科和化学工程等行业对陶瓷3D打印用于生产小批量零件表现出了兴趣。陶瓷因卓越的性能，在航空航天工业中备受关注，如高耐热性、抗氧化性、耐磨性和机械稳定性。这使得陶瓷成为在极端条件下高效使用的理想材料，尤其是在高应力环境下的部件。一些高级陶瓷材料如氧化铝、氮化硅、碳化硅和氧化锆也备受关注。通过3D打印技术，甚至可以制造超高温陶瓷。

在航空航天工业中，陶瓷可逐渐取代传统材料如金属等。虽然金属仍然是常用材料，但在某些应用中受到限制。陶瓷提供了可行的解决方案，减少磨损率。结合3D打印制造技术，陶瓷能够实现更精细的零件制造。

△3D打印的气塞发动机喷嘴

以Lithoz公司在航空航天领域的LCM技术举例，使用氮化硅制造了3D打印气动塞式发动机喷嘴，展示了先进陶瓷卓越性能的典型应用。这些喷嘴经过所有压力测试，证明它们能够承受显著的热冲击，即使在超过1200°C的高温环境下也能保持稳定。

△Lithoz的CeraFab系列3D打印机器

使用LCM技术的高分辨率和复杂性

Lithoz的光刻陶瓷制造（LCM）技术基于光聚合原理，通过CeraFab 3D打印机将陶瓷浆料分布到透明的液槽中。利用数字微镜设备和先进的投影系统，逐层生成生胚对象，并进行后续热处理和烧结，得到高密度的耐用陶瓷组件。

该技术具有高度的曝光精度，可在整个构建平台上实现一致性和准确性，使得制造复杂微结构成为可能。Lithoz目前提供多种不同的CeraFab 3D打印解决方案，每个都具有独特的优势，例如CeraFab S65专为高分辨率精度达到25μm而设计。

Lithoz的技术不仅适用于小批量生产，还可用于大规模生产。例如，Steinbach AG使用Lithoz的CeraFab系统解决方案进行大量生产手术导管。该管件的复杂设计需要使用增材制造技术从原型制作到最终生产。Steinbach每年能够生产1.2万个零件，证明了3D打印技术在扩大到批量生产方面的有效性。

△左边是射频滤波器，右边是3D打印的陶瓷谐振器。谐振器可以打印成不同的尺寸

使用陶瓷3D打印实现航空航天优化结构

将陶瓷的特性与3D打印的灵活性相结合，在航空航天领域应用中具有重要优势。通过陶瓷3D打印，可以精确定制设计、修改结构以及添加特定功能，满足复杂零件的需求。其中一个实际应用是为航空航天创建RF滤波器。这些滤波器对于提高信号质量、减少干扰至关重要。陶瓷3D打印可以创造各种形状、顺序和带宽的高度工程化的谐振器，并将其集成到单个组件中，从而优化性能、可靠性和耐久性。

陶瓷作为材料具备理想特性，能够满足航空航天工业中对高频段可靠通信的要求。其高性能和可靠性使其适用于恶劣环境，并且可以实现滤波器的小型化，减轻重量。此外，陶瓷过滤器在温度和时间方面表现出良好的稳定性，确保长期可靠性和一致性的性能。这些特点使得陶瓷3D打印在航空航天领域的应用具有重要意义，并为专业的3D打印人群带来了新的研究和发展机遇。

△具有致密到多孔结构的陶瓷3D打印样件，可适用于各种领域的应用，例如催化剂、过滤器或骨骼植入物等应用

如何控制陶瓷部件的微观结构

Lithoz表示，它的陶瓷3D打印解决方案在更复杂的应用中具有显著优势，通过精确控制材料的微观结构和孔隙率，超越了其他传统制造技术的限制。该公司的LCM技术还具备多材料3D打印和功能分级陶瓷的能力。通过其双缸系统，可以在每一层使用不同的材料，实现高度复杂的氧化铝零件和单个零件内的致密和多孔梯度。这种增材制造的应用提高了陶瓷部件的性能和复杂性，为航空航天工业带来了新的研究可能性。