各行各业都在越来越多地寻找新的和先进的材料和工艺来改进他们的产品，航空航天领域也不例外。随着更严格的要求的引入，该行业的需求正在迅速发展。因此，他们需要能够提供创新和高效解决方案的新技术。添加剂制造正在成为航空航天应用的理想解决方案。根据 Research and Markets 的一份报告，2021 年航空航天和国防市场的 3D 打印价值估计为 19 亿美元，预计 2022 年至 2027 年的复合年增长率将超过 24%。增材技术正在为该领域带来重大变化和优势航空航天工业，例如生产更轻、更强、更复杂的零件，设计自由度，将多个零件组合成一个单元的能力，减少昂贵原材料的浪费，以及成本和资源效率。
如果我们看看可以通过 3D 打印使用的创新材料，最成功的材料是陶瓷。这已被证明具有满足工业需求和航空航天应用所需高标准的必要特性。奥地利制造商Lithoz是专注于陶瓷增材制造的公司之一，该公司开发了用于高分辨率复杂零件的基于光刻的陶瓷制造 (LCM) 技术。该公司在 2022 年将其陶瓷 3D 打印解决方案的销售额和营业额翻了一番，表明包括医疗和航空航天在内的多个行业对该技术的市场兴趣。
在航空航天应用中使用陶瓷的好处
题为“3D 打印陶瓷 2022-2032：技术和市场展望”的研究报告强调了陶瓷 3D 打印市场价值的显着增长，预计到 2023 年将达到 4 亿美元。报告称，航空航天、国防、牙科和化学工程行业对用于生产小批量零件的陶瓷制造最感兴趣。陶瓷因其卓越的性能（例如高耐热性、抗氧化性和耐磨性以及机械和尺寸稳定性）而受到航空航天工业的关注。这使得陶瓷非常高效并适合在极端条件下使用，使其成为下一代航天器构造的理想材料，尤其是暴露在高应力下的部件。我们主要指的是“先进陶瓷材料”或“技术陶瓷”，它们具有高强度、耐腐蚀、优良的热绝缘和电绝缘等显着性能。一些最值得注意的高级陶瓷是氧化铝 (Al2O3)、氮化硅 (Si3N4)、碳化硅 (SiC) 和氧化锆 (ZrO2)。通过 3D 打印，甚至可以加工超高温陶瓷 (UHTC)，其材料特性在该行业极为抢手。
陶瓷甚至取代了航空航天工业中使用的一些更传统的材料，例如金属。事实上，即使金属仍然是航空航天工业中最常用的材料，它们在某些应用中的使用也受到质疑。为了制造更高效的空间推进器、减少空间碎片或开发更精确、更复杂的航空铸造核心，人们开始寻找替代材料。陶瓷现在为这些问题提供了切实可行的解决方案，因为它们磨损得更慢。此外，结合增材制造，它们可以实现更精细的零件。
因此，陶瓷3D打印在航空航天领域具有巨大的潜力，Lithoz的LCM技术的各种应用就是明证。该公司采用氮化硅制成的 3D 打印气动塞式发动机喷嘴是先进陶瓷卓越性能的一个典型示例。该喷嘴成功通过了所有压力测试，证明其能够承受显着的热冲击，即使在超过 1200 °C 的温度下也是如此。
使用 LCM 技术的高分辨率和复杂性
在陶瓷行业中，精度和准确度是关键，因为一个小缺陷可能导致零件完全失效，进而影响应用。正是出于这个原因，Lithoz 本身就建立在耐力和精确的价值观之上。在其十多年的经验中，该公司已经能够改进其技术以实现对错误的零容忍。
Lithoz 的光刻陶瓷制造 (LCM) 技术基于光聚合。CeraFab 3D 打印机将装有陶瓷的液体（浆料）分配到透明的大桶中。印版从上到下移动，并有选择地暴露在桶下方的蓝光下。使用数字微镜设备 (DMD) 和最先进的投影系统，生成分层图像，并逐层创建绿色对象。该工艺需要进行热后处理以去除粘合剂并烧结组件，从而产生坚固耐用的高密度陶瓷组件。
此过程的优点是整个表面区域同时暴露，对整个构建平台零容忍。这意味着无论零件打印在平台的哪个位置，零件都可以在整个构建板上以一致和准确的方式进行复制。因此，正是这种曝光精度使得获得极其复杂的微结构成为可能。
Lithoz 目前在市场上有八种不同的 3D 打印解决方案，CeraFab 机器的所有变体，并且都具有自己的特殊优势——例如，CeraFab S65 专为精确到 25µm 的高分辨率而设计。有趣的是，Lithoz 的技术现在不仅用于小批量生产，还用于大规模生产。例如，Steinbach AG 使用 Lithoz 的 CeraFab 系统解决方案来批量生产手术管。管子的复杂设计需要使用增材制造从原型制作到最终生产。Steinbach 每年能够生产 12,000 个零件，证明了增材制造在将生产扩大到批量生产方面的有效性。
使用陶瓷 3D 打印实现航空航天优化结构
如前所述，将陶瓷的特性与 3D 打印的灵活性相结合的可能性是在航空航天领域使用该技术的主要优势之一。能够精确地定制组件的设计、修改其结构甚至添加特定功能，是业内人士在生产复杂零件时所寻求的。
这方面的一个实际例子是为航空航天应用创建 RF 滤波器。RF 滤波器是至关重要的电子电路，可提高信号质量并最大限度地减少卫星通信、雷达和航空电子设备等通信系统中的干扰。陶瓷 3D 打印允许创建具有各种形状、顺序和带宽的高度工程化的谐振器，这些谐振器可以集成到单个组件中，从而优化性能、可靠性和耐用性。
为什么要用陶瓷 3D 打印它们？在航空航天工业中，RF 滤波器在确保高频段的可靠和准确通信方面发挥着关键作用。由于它们必须承受恶劣的环境条件，因此这些过滤器必须具有高性能并满足严格的可靠性和性能要求。陶瓷的理想材料特性使其非常适合满足这些要求，同时还可以轻松实现这些过滤器的小型化以减轻重量——这是航空航天应用中的一个关键因素。最重要的是，陶瓷过滤器在温度和时间方面表现出良好的稳定性，确保长期可靠和一致的性能。
控制陶瓷部件的微观结构
Lithoz 陶瓷 3D 打印解决方案通过允许更精确地控制材料的微观结构和孔隙率，为更复杂的应用提供显着优势，这是目前可用的任何其他 AM 或传统制造技术的局限性。借助 Lithoz 的 LCM 技术，由于其双缸系统，多材料 3D 打印和功能分级陶瓷也可以实现。该系统在新开发的多材料 LCM 打印机设置中，不仅可以将一种材料分配给任何所需的层，还可以通过将相应的材料分配给层图像的选定像素来在每一层中使用不同的材料。例如，Lithoz 和 Fraunhofer IGD 使用高度复杂的氧化铝制造零件，并在单个零件内定义致密和多孔梯度。
所有这些例子都表明，通过利用增材制造来增强陶瓷部件的性能，可以增加它们的复杂性，进而提高它们的效率。这种方法也为航空航天工业开辟了新的研究可能性。与市场上的其他工艺相比，Lithoz LCM 技术可以实现更高的复杂性和分辨率，从而完美满足航空航天部件不断增长的几何形状要求。您可以在此处找到有关 Lithoz 及其技术的更多信息。
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