3D打印破局陶瓷制造!ORNL使用粘结剂喷射技术,制造不漏液陶瓷部件
2025年9月,美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家将粘结剂喷射增材制造(BJAM)与先进后处理技术相结合,成功生产出不漏液的陶瓷部件,这一成果解决了陶瓷
3D 打印领域长期存在的一项难题。ORNL 表示,这是目前已知首个通过增材制造(AM)技术制成的不漏液接头,为 BJAM
组件的规模化生产奠定基础。
△从左至右,Corson Cramer、Trevor Aguirre 和 Amy Elliott 正在讨论碳化硅螺旋结构部件(通过粘结剂喷射3D打印制造)
参与这项研究的团队成员包括 Dylan Richardson、Corson Cramer、Amy Elliott 和
Kashif Nawaz。他们凭借在增材制造领域的这项贡献,获得了美国制造工程师学会(SME)2025 年度 Dick Aubin
杰出论文奖。该研究的资金支持来自美国能源部先进研究项目局-能源部(ARPA-E)以及能源部太阳能技术办公室。
可规模化、低成本工艺拓展工业应用场景
陶瓷材料因具备耐高温、化学稳定性强和机械强度高的特点,在极端环境中不可或缺。但长期以来,陶瓷增材制造的规模化生产一直面临挑战,这使得该技术在制药、化工等领域的应用受到限制,这些领域的高通量反应器需要结构复杂、尺寸较大且气密性强的部件。ORNL
开发的连接技术能够将多个 3D 打印的小型陶瓷部件组装成更大、更坚固的结构,同时不会影响整体性能。
Trevor Aguirre 是 ORNL 极端环境材料工艺小组的首席研究员,他表示:“陶瓷 3D 打印技术能够制造出传统制造方法难以实现的复杂高性能部件。这项进展提供了一套经过验证的方法来生产高质量部件,还能推动下一代反应器的研发。”
研究团队测试了多种不同的几何结构,以此筛选出能保持气密性的设计方案。同时,他们还优化了后处理工艺,进一步提升陶瓷接头的结合度与密封性。这些陶瓷部件能满足对更大结构的需求,同时依托成本效益高的工艺,这为陶瓷增材制造在航空航天等高性能行业的更广泛应用提供支持。
△某3D打印部件中填充了碳化硅预陶瓷聚合物,经过热处理后形成非晶态碳化硅
全球陶瓷3D打印领域的其他创新进展
除 ORNL 外,多家企业也在不断突破陶瓷增材制造的技术边界:
2025年9月,奥地利公司 Lithoz 正在为兆瓦级飞机的氢电推进系统生产氮化铝(AlN)热交换器。这项工作属于欧盟资助的
TRIATHLON 项目,该项目旨在开发更坚固、低排放、低维护的动力系统,助力航空业实现脱碳目标,同时提升系统可持续性。这些热交换器的设计由
Ergon Research 完成,设计过程采用了热力学驱动的控制系统;生产环节则使用 Lithoz
基于光刻技术的陶瓷制造(LCM)CeraFab 3D 打印机。这些陶瓷部件不再需要高能耗的低温氢泵。氮化铝材料的热导率达 211
W/mK,且热膨胀系数适宜,能够实现紧凑、轻量化的结构设计 ——
这一点对电动化航空领域至关重要。该技术有望减少设备维护需求,为运营商节省数十亿欧元成本。
2025年4月,美国陶瓷增材制造专业企业 Tethon 3D 与先进材料公司 polySpectra 展开合作,推出了一款名为
ThOR 10 的复合光固化树脂。这款树脂专为工业 3D 打印设计,融合了 polySpectra
具备热稳定性和抗冲击性的环烯烃树脂(COR)平台,以及 Tethon 的专有陶瓷填料。最终制成的树脂适用于制造对性能要求严苛的终端应用部件。
点评
ORNL 此次突破极具行业价值,其将 BJAM 与先进后处理结合产出不漏液陶瓷部件,不仅攻克陶瓷 3D
打印长期存在的漏液与规模化难题,还为高通量反应器等工业需求提供解决方案,获 SME 奖项也印证技术认可度。而 Lithoz、Tethon 3D
等企业的同步创新,分别在航空氢电系统、工业树脂领域拓展陶瓷 AM
应用边界。整体来看,这些进展正打破陶瓷增材制造的应用局限,推动其向化工、航空航天等高端领域落地,加速行业产业化进程。
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