像碳化硅这样的技术陶瓷被 3D 打印成复杂的形状，可以增强能量偏转或吸收等特性。 （所有图片均由 Desktop Metal 提供）随着增材制造技术在许多行业的一系列应用中得到越来越多的采用，很多焦点都集中在 3D 打印金属或聚合物材料上。然而，随着工程师们越来越多地转向技术陶瓷材料的卓越性能，陶瓷 3D 打印正在走向成熟并达到一个转折点。
传统的陶瓷成型工艺需要昂贵的工具且交货时间长。由于现代组件的复杂形状使脱模变得越来越复杂，因此该过程也很低效。增材制造的设计自由度在这些 t 中构建了新的优化形状传统上难以加工的材料，这些材料针对重量或形状进行了优化以实现特殊性能目的，例如偏转或吸收能量。
随着 3D 打印使设计人员能够推动零件几何形状的复杂性，新材料的可能性正在导致真正的应用突破。
下一个 3D 打印材料前沿
几个世纪以来，陶瓷一直用于建筑业，现已发展成为尖端制造材料。例如，硅砂是一种用于金属铸造的陶瓷。铸造厂定期使用这种材料制造工具，并在最近几十年采用砂型 3D 打印来批量生产越来越复杂的设计，周转速度更快，所有这些都不会偏离铸造工作流程来生产最终用途的金属零件。
如今，一系列结合了氧化物、碳化物或氮化物的技术陶瓷材料用于环境和性能要求高于其他材料的应用。技术工程师碳化硅 (SiC)、氧化铝和氧化锆等合金因其生物相容性、高硬度、超高温稳定性或耐化学反应等特性而被用于最极端的应用和最恶劣的环境。
粘合剂喷射在将这些陶瓷成型为传统技术无法构建的复杂、高分辨率几何形状方面具有先天优势。打印速度、打印尺寸和材料灵活性允许以最快的速度处理最广泛的材料。这是一项经过高度研究的技术，被广泛认为是制造 SiC 的最佳工艺，甚至与其他增材技术一样，因为深色粉末不能进行紫外线固化，而且熔点高，因此无需激光工艺。生产接近最终形状的零件还减少了困难且昂贵的机加工和抛光后处理步骤。多孔生坯可以烧结、浸渍或渗透实现特定于应用的多功能材料特性。
增材制造的新设计范式与最先进的技术陶瓷材料相结合，使粘合剂喷射处于应用开发的前沿。
用碳化硼推进中子研究
准直器是中子成像中使用的组件，使研究人员能够通过吸收杂散中子来绘制材料的特性图。它们在实验中提高分辨率并减少背景信号，以将数据捕获到原子级别。
JJ X 射线富集碳化硼 10B4C 准直器，使用桌面金属粘合剂喷射 3D 打印，实现了中子研究的新范例。碳化硼(B4C) 是一种技术陶瓷，具有坚固但重量轻的特性，以及特别适用的能量吸收特性用于中子散射仪器。过去的制造局限性导致准直器由涂有高吸收性材料（例如浓缩碳化硼 (10B4C)）的叶片制成，其排列本质上仅在一个维度上准直。这些传统设计的受限形状限制了可以使用它们进行的研究类型。
JJ X-Ray 的研究人员，该公司是一家丹麦的 X 射线、同步加速器辐射和中子散射实验解决方案制造商，利用 3D 打印的设计自由度开发更复杂的 2D 准直组件。桌面金属 X 系列粘合剂喷射系统使用 10B4C 粉末打印 3D 立方体。 20 立方毫米的准直器原型具有 5×5 毫米的直壁通道，这是其他任何技术都无法生产的。
JJ X 射线团队期望通过 3D 打印准直器实现的先进设计能够开启新的研究随着未来实验范式转变的机会。团队续有助于突破弯曲结构、薄壁部件和锥形窄通道的设计限制。
使用碳化硅 3D 打印新的核未来
太阳能等可再生能源风能将继续增长，但能源界的传统观点认为核能是最可靠、便携和绿色的基本负荷能源之一，可以支持全面的现代能源网络。对三哩岛和福岛等备受瞩目的事故的负面看法凸显了在先进材料及其制造方法不可用时过时的核技术。
Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 等组织使用先进的制造，使安全、可控和可靠的核能成为现实。粘合剂喷射 3D 打印在 USNC 的创新燃料设计中发挥着重要作用。这种设计使公司能够控制核裂变并完全防止事故发生。
USNC 结合具有先进燃料系统的安全微型模块化反应堆 (MMR) 系统设计。其方法的关键是采用桌面金属粘合剂喷射技术制造的全陶瓷微封装 (FCM) 燃料，可以 3D 打印碳化硅 (SiC)。
SiC 是一种具有极端环境稳定性的技术陶瓷材料。核反应堆内的条件是所有工业中最严酷的条件之一，但 SiC 不会像传统的石墨矩阵那样收缩或过度膨胀。它还耐氧化和腐蚀，在核反应堆堆芯的苛刻条件下提供稳定性。
3D 打印碳化硅 (SiC) 矩阵围绕着 Ultra Safe Nuclear 创新的全陶瓷微封装 (FCM) 燃料，实现了提供可靠和安全的创新核能。然而，碳化硅制造起来很麻烦到复杂的部分。几十年来，尽管业界希望使用这种材料，但没有可行的制造工艺将高纯度、结晶、核级 SiC 转化为核应用所需的形状。如今，Desktop Metal X 系列将 SiC 粉末 3D 打印成独特的几何形状，可以安全地包围现代核燃料。
粘合剂喷射技术将粘合剂喷射到粉末颗粒床中，例如金属、沙子或陶瓷创建实体零件，一次一层薄薄的一层。重要的是，对于 3D 打印 SiC，整个过程是在低温下进行的。
“当时有很多增材制造方法，但其中很大一部分依赖于高温过程USNC 核心部门执行副总裁 Kurt A. Terrani 博士说。这位国际公认的技术领导者解释说：“对于金属，他们正在熔化颗粒以将它们连接起来在一起，但你不能用碳化硅的高熔点做到这一点。粘合剂喷射技术是独一无二的，因为它真正依赖于粉末的物理特性，并且基本上与材料的化学和相结构无关。因此，我们可以选择高纯度、高结晶度的碳化物原料粉末、核级粉末，然后形成这些非常复杂的几何形状，这在以前是不可能的。”
通过将粘合剂喷射与化学气相结合通过渗透，用更高纯度的结晶碳化硅填充多孔 SiC 结构，USNC 无需烧结、施加任何压力或引入第二相即可创建复杂的近净形状。与加工技术陶瓷的传统方式（包括制造浆料的混合器、注塑机和熔炉）相比，Terrani 表示，粘合剂喷射 3D 打印是一种优雅的解决方案，是一种“具有成本效益且可靠的工艺”。
利用 3D 打印集体创建独特设计的能力还让 USNC 为其安全、负责任的核能使命增加了一层质量保证。 “我们在这些部件上打印了一个 ID，因此从诞生那一刻起，我们就在整个生产、运行寿命和放电过程中跟踪反应堆的制造 DNA，”Terrani 说。 “粘合剂喷射使我们能够创造一种安全、可靠、无碳核能的新范式，供工业和偏远社区使用。”
这种利用先进制造突破的方法创造了被动安全反应堆的设计将几十年前的技术转变为在 21 世纪提供更安全、更高效的核反应堆。
