最好的陶瓷

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陶瓷部件的增材制造加快了原型零件的生产并开辟了新的可能性。

“有什么比钢更耐磨，可以变成我们行星齿轮箱的轴和轴，使它们更加精确和可靠？”这是驱动专家 Maxon Motor GmbH 的人在 20 多年前问自己的问题。位于 Sexau 的 CIM/MIM 能力中心的业务开发和质量工程主管 Stefan Zilm 知道答案：采用陶瓷注塑成型生产的陶瓷部件，该工艺类似于金属注塑成型。

如今，该公司在技术陶瓷领域拥有广泛的专业知识。使用 CIM，可以批量生产数万个组件。然而，尽管有这么多经验，即使使用了最先进的工程方法，如 CAD、有限元计算和模拟，现实仍然是决定一个新想法是否合理或是否合理的终极测试。完全可以生产陶瓷部件并按计划运行。

从创意到真正的陶瓷组件的常规路径是漫长而昂贵的。需要昂贵的模具来制造要烧结的生坯。随后，在工作密集型工艺中对其进行车削和切割、烧结和打磨。 Zilm 承认：“对于第一个样品，这非常复杂，需要花费大量时间和金钱。”

陶瓷出打印机

但还有另一种选择：使用 3D 打印提供的捷径，这种捷径已经在塑料部件中得到了很好的应用，并且也越来越多地用于金属。尽管塑料和金属的印刷多年来一直是工业生产的一部分，但陶瓷印刷仍处于从实验室到工厂大厅的冒险过程中。但是这些优势非常诱人，以至于 maxon 五年前就已经开始了试点测试，目的是更快地将陶瓷部件的原型交付给客户——并做一些真正的开创性工作。 Zilm：“有了这样的打印机，前两到三个开发循环可以更轻松、更快地完成。”

经过深入的市场调查，maxon 决定购买法国制造商 3DCeram 的打印机，该打印机已根据公司自身的要求进行定制。 “对我们来说，主要卖点是精度和 300 x 300 毫米的相当大的打印区域，”Zilm 解释说。该打印机基于立体光刻法，其中激光固化由粘合剂和陶瓷粉末组成的乳液，从而从下到上逐层构建组件。这些层的厚度在 0.025 和 0.125 毫米之间。在应用了每一层之后，打印机床向下移动一个步骤。这确保了凝固过程中的均匀收缩，以及高精度和非常精细的细节渲染。不需要支撑结构。 3DCeram 系统的特殊优势在于它还可以制造非常小的零件，体积仅为 50 立方毫米。

根据要求，陶瓷部件通常由锆和氧化铝制成。这些是技术陶瓷领域的“面包和黄油”材料。两者都可用作 3D 打印机的乳液。脱脂和烧结技术对应于 CIM 程序，因此在 3D 打印机中创建的生坯可以通过与系列零件相同的制造系统进行。根据所需组件的复杂性和所需的公差水平，小批量也是可能的，并且是陶瓷注射成型 (CIM) 的良好替代品。

据 Zilm 称，该程序确实有其局限性，因为紫外激光束的直径决定了可以生产的最小壁厚。使用压缩空气和添加剂清洁组件，以从组件中去除多余的材料。尺寸为 0.5 毫米或更小的孔无法像注塑成型那样完美地制成圆形，但对于原型，通常就足够了。

从一开始就是发展伙伴

如今，客户只需以标准化的 STEP 格式（产品模型数据交换标准）发送文件，该格式已在 3D 打印中变得司空见惯，此后不久即可获得报价。订单确认后仅 10 到 14 天，客户就已经可以将第一个原型零件拿到手中。 “在过去，这需要几周甚至几个月的时间，而且模具成本很高，”Zilm 回忆道。

理想情况下，客户从一开始就参与 maxon。 “我们从一开始就是开发合作伙伴，因此可以影响设计，使其尽可能适用于陶瓷，”Zilm 解释道。因此，例如，可以将多个组件组合成具有优化功能的单个组件。 Zilm 认为，这种优化非常重要，因为陶瓷所需的一公斤商品的价格大约是钢材的十倍。 “我们必须通过提供明显更好的功能来证明这一点，例如通过耐磨性、温度稳定性或不需要润滑剂。”

但增材制造的极限尚未达到。 CIM/MIM 能力中心负责人 Andreas Philipp 确信：“我们必须从 3D 开始思考，而不是像以前那样以经典方式思考。”然后将开辟全新的可能性，使 3D 打印可以成为现有工艺的真正替代品。

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