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眾所周知，陶瓷材料是伴隨著人類發展的一類重要材料。人們既可以基于其出色的美學效果，制作花瓶、燭臺等工藝美術品；又能借助其優良的力學性能，制造各種實用的生產和生活用品。

歷史上，用來制備陶瓷材料的方法非常多。不過，陶瓷材料具有較強的硬度和脆性，采用傳統的成型工藝，無法快速、精密地制備出形狀復雜的陶瓷部件。

光固化陶瓷3D打印技術興起

近年來，增材制造方法的出現，推動了復雜陶瓷材料朝著結構和功能一體化的方向發展。陶瓷材料的應用范圍也因此得到了極大擴展，諸如機械、航空航天、生物醫學、電子等行業領域，都少不了陶瓷材料的存在。

其中，光固化陶瓷3D打印技術作為一種先進的制造工藝，在制備航空發動機渦輪葉片熔模鑄造用陶瓷型芯方面展現出巨大的潛力和優勢。航空發動機渦輪葉片是發動機中的核心部件，其性能直接影響發動機的性能和壽命。陶瓷型芯作為熔模鑄造過程中的關鍵部件，對于渦輪葉片的制造至關重要。

光固化陶瓷3D打印技術具有什么優勢？

傳統的陶瓷型芯制備方法存在著模具制作難度大、生產周期長、成本高等問題，而光固化陶瓷3D打印技術的出現，為解決這些問題提供了新的途徑。光固化陶瓷3D打印技術基于數字光處理（DLP）或立體光刻（SLA）技術，通過逐層打印的方式制造出三維實體。在制備陶瓷型芯時，使用特殊的陶瓷材料作為打印材料，通過精確的光固化技術，逐層堆積形成復雜形狀三維結構。整個過程自動化程度高，可以快速、準確地制造出復雜形狀的陶瓷型芯。

相比于傳統制備方法，光固化陶瓷3D打印技術具有以下優勢：1. 高精度與復雜形狀制造能力：能夠制造出具有復雜內部結構和精確尺寸的陶瓷型芯，滿足渦輪葉片的精密鑄造要求；2. 縮短生產周期：大幅減少了模具制作和后處理的時間，加快了產品迭代速度。3.降低成本：簡化了生產流程，減少了原材料浪費，降低了生產成本。4. 優化設計靈活性：可以根據實際需求快速調整陶瓷型芯的設計，實現定制化生產。

復雜異形陶瓷型芯成型創新技術

復雜異形陶瓷型芯的成型和制造非常困難，傳統方法逐漸難以實現如多層壁型芯等復雜異形陶瓷型芯的成型。3D打印技術為復雜異形陶瓷型芯的成型提供了創新技術途徑。與傳統制造方式不同，3D打印制造方式能極大簡化制造流程，大大縮短開發周期，同時還具有高精度、低成本、材料浪費少、設計性強等優點。然而目前3D打印的陶瓷型芯距離實際工程應用仍存在一定差距，較多關鍵技術仍需突破、相關機理亟待揭示，需要進一步對其發展面臨的關鍵挑戰進行分析。

3D打印陶瓷型芯制造渦輪葉片的新機遇

簡化復雜

航空事業的迅速發展對高推重比航空發動機提出了迫切需求。其中，空心渦輪葉片一般使用復雜異形的鑄造型芯，通過熔模精密鑄造而成。陶瓷型芯由于具有高熔點、耐腐蝕、化學穩定等優點，成為高熔點金屬鑄造采用的最主要型芯材料。然而，復雜異形陶瓷型芯的成型于制造卻極其困難。3D打印(3D printing)技術為復雜異形陶瓷型芯的成型提供了創新技術途徑。

3D打印陶瓷型芯的精度與效率通常相互制衡。陶瓷型芯作為空心渦輪葉片精密鑄造過程中必不可少的關鍵部件，結構極其復雜且對精度要求極高。目前實際應用最多的為二氧化硅基陶瓷型芯和氧化鋁基陶瓷型芯。

傳統上，渦輪葉片是通過熔模鑄造工藝制造的，世界上只有少數鑄造廠可以處理，這中間涉及到加工極其復雜的金屬模具以創建陶瓷模具，然后用熔融的超級合金鑄造以形成葉片。

提高效率與精度

霍尼韋爾航空航天公司利用3D打印技術在制造領域取得了顯著進展，特別是在鑄造模具的制作上。Brian Baughman和他的團隊通過使用基于光固化技術的3D打印技術，能夠直接將陶瓷漿料打印成所需的模具形狀，這大大提升了制造效率和精度。

光固化3D打印技術，又稱為光敏樹脂固化技術，是一種利用特定波長的光照射光敏樹脂，使其在特定區域固化形成模型層的技術。這種技術可以打印出高精度和復雜形狀的部件，非常適合用于制作精密的鑄造模具。

霍尼韋爾使用的Prodways公司的3D打印機采用了名為MovingLight的專有技術，這種技術涉及到使用移動的光源來逐層固化材料，從而實現3D打印過程。這種3D打印機已經在航空航天工業中得到應用，用于制造飛機發動機等關鍵部件，顯示出其在高性能制造領域的潛力。

通過3D打印技術，霍尼韋爾能夠實現更快的設計迭代，縮短產品開發周期，并提高制造過程的靈活性和成本效益。同時，這種技術還有助于減少材料浪費，符合現代制造業對可持續發展的要求。

根據霍尼韋爾首席研發科學家 Mike Baldwin，使用傳統的熔模鑄造工藝，生產開發過程所需的渦輪葉片可能需要一到兩年的時間，增材制造讓研發人員能夠從設計、3D打印模具、鑄造模具、測試模具，并獲得真實數據來驗證研發人員開發的模型——所有這些只需七到八周的時間。如果需要調整設計，可以立即進行更改，并在大約六周內獲得另一個葉片。在3D打印之前，即使對葉片設計進行微小的更改也可能非常昂貴，增材制造可以快速進行原型設計，并提供了更大的靈活性，以加速開發、降低成本并創造最好的產品。縮短開發周期是開發人員的主要目標，并且與使用傳統葉片鑄造工藝相比，還預計可以節省數百萬美元的開發成本。

霍尼韋爾最近的進展為3D打印陶瓷部件打開了一個非常重要的潛在市場的商業機會，但短期內，他們仍對這種應用的3D打印機銷售前景持謹慎態度。小批量生產往往是一個難題，因為渦輪葉片的前期工具成本非常高，制造需要很長的準備時間。在這種情況下，增材制造非常有意義

突破中的技術

目前，國內外已有部分研究機構開展了面向航空發動機渦輪葉片精密鑄造的陶瓷型芯的3D打印研究，包括英國拉夫堡大學、法國3DCERAM公司、奧地利Lithoz公司以及國內清華大學、西北工業大學、華中科技大學、中國科學院金屬研究所、西安國宏天易公司、安徽應流公司等。然而，目前相關研究仍較初步，尤其是，3D打印的陶瓷型芯距離實際工程應用仍存在一定差距，較多關鍵技術仍需突破、相關機理亟待揭示。

關注點

陶瓷模具在渦輪葉片的鑄造過程中扮演著重要角色，當前可以關注的包括以下幾點：

1 增材制造技術在單晶渦輪葉片成形中的應用，特別是與熔模鑄造的結合，提高了制造的靈活性，并加速了葉片的研制和生產過程。

2 陶瓷型芯在熔模精密鑄造中具有獨特優勢，能夠制造出尺寸精度高、表面質量好的復雜結構單晶鑄件。

3 陶瓷型芯的結構復雜性對渦輪葉片的型面尺寸精度有顯著影響，通過數值模擬方法可以分析其影響規律，并為模具優化提供量化依據。

4 一些公司，如Honeywell-霍尼韋爾，正在利用陶瓷3D打印技術生產渦輪葉片模具，這有助于開發下一代渦扇發動機。

5 國內西安國宏天易智能科技有限公司已經將3D打印陶瓷型芯鑄造技術應用于高壓渦輪導向葉片的生產。

6 光固化3D打印技術在制備渦輪發動機空心葉片用的陶瓷型芯方面取得了研究進展，這種技術能夠滿足陶瓷型芯的性能要求并克服制備難點。

7 渦輪葉片制造中，合金與陶瓷模具的界面反應機理對葉片的表面質量和使用性能至關重要，深入研究這一機理有助于提高葉片的質量和生產良率。

文章來源： 3D科學谷，材料material，DeepTech深科技
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來源：賢集網
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霍尼韋爾引領潮流，3D打印陶瓷型芯為渦輪葉片帶來哪些新機遇