Prodways携手美国HRL实验室，在聚合物衍生陶瓷（PDCs）3D打印领域取得突破。研究利用ProMaker L5000 DLP系统成功制备碳硅烷基复合材料，并在转化为SiOC陶瓷过程中监测裂纹与孔隙的形成规律。结果明确了颗粒尺寸、形貌、体积分数及壁厚的临界范围，实现无缺陷打印与优异力学性能。该成果为陶瓷增材制造在航空航天、能源与国防应用中的推广提供了重要技术支持。
Prodways与加州的HRL实验室合作，研究如何在不引入关键缺陷的情况下增材制造聚合物衍生陶瓷（PDCs）。 使用ProMaker L5000数字光投影（DLP）系统，HRL科学家制造了碳硅烷基复合材料，并监测其向氧碳化硅（SiOC）陶瓷的转化过程。研究建立了增强颗粒的尺寸和几何阈值，确定了无缺陷打印的工艺边界，并测量了力学性能，使得增材制造的复合材料能够与常规工艺陶瓷相媲美。
HRL研究人员利用同步加速器X射线计算机断层成像，在氩气中将打印样品加热至约1000℃的过程中实时观察热解。大于约60微米的增强颗粒在收缩基体中持续产生径向微裂纹，而小于约5微米的夹杂物不会引发损伤。颗粒形貌也被证明具有决定性作用。片状夹杂物比球形夹杂物产生更强的拉伸应力场，这一结论也通过有限元分析得到了强化。研究结果表明，颗粒的尺寸和形状共同决定了增强体是否能在从聚合物到陶瓷的转化过程中幸存。
对基于硅氧烷的前驱体树脂的实验定义了更多工艺极限。当增强体体积分数超过约20%时，在热解过程中会形成颗粒间空隙，从而降低力学完整性。在更低的体积分数下，填料的加入减少了收缩并改善了质量保持，从而在转化过程中稳定了打印件。未填充的SiOC部件厚度超过约1毫米时，由于挥发性气体的积聚会形成内部孔隙，而掺有10%莫来石的复合材料在接近3毫米厚度时仍能容忍扩散受限的孔隙出现。这些结果表明，必须同时控制增强体含量和壁厚才能实现致密部件。
CERAM PRO 365工业级DLP打印机。图片来源：Prodways。
力学测试量化了这些条件对性能的影响。未增强的SiOC的断裂韧性接近1 MPa·m^1/2，表现出脆性玻璃的特征。增强样品在10–15%填充时的断裂韧性超过3 MPa·m^1/2，而在更高体积分数下，由于孔隙形成，韧性再次下降。三点弯曲测试显示，在低于临界厚度的样品中，强度超过300 MPa。密度比强度在110至160 MPa/(g/cm³)之间，与技术氧化铝相当，而威布尔模数为10，表明其强度离散性与常规工艺陶瓷一致。
聚合物衍生陶瓷长期以来因在高温应用（如推进和能源生产）中的潜力而受到关注。早期的加工方法依赖于长硅化物纤维与聚合物浸渍和热解循环相结合。虽然这些复合材料的断裂韧性接近30 MPa·m^1/2，但受纤维约束的基体在转化过程中常常开裂，需要多次浸渍步骤。切换为不连续增强体，如颗粒和须晶，使几何控制更加精细并与增材制造更兼容，但同时也带来了孔隙和开裂的挑战。研究表明，亚微米颗粒可完全抑制缺陷，而较大的夹杂物始终充当裂纹起始源。
在HRL 2020年使用ProMaker L5000打印的聚合物衍生复合材料研究中，添加0.1体积分数的莫来石颗粒可使韧性提高一倍且不产生孔隙，但当填充超过0.2时则引入空隙。2024年的后续研究确认，尺寸小于约5微米的夹杂物可以无损加入，而大于60微米的颗粒则总会引发微裂纹。这些研究共同建立了增材制造SiOC复合材料的明确工艺窗口：增强体体积分数低于20%，颗粒尺寸小于5微米，且壁厚限制在几毫米之内。
由聚合物衍生复合材料3D打印的测试件。图片来源：Prodways。
Prodways还扩展了其技术基础，推出了如Ceram Pro 365这样的陶瓷专用平台，用于新配方和几何结构的研发。与HRL实验中使用的ProMaker L5000一起，这些系统展示了工业级DLP打印设备既可作为生产工具，也可作为材料研究平台的作用。
通过明确导致开裂和孔隙的条件，Prodways与HRL的合作展示了增材制造系统如何推动陶瓷科学的发展。高分辨率DLP打印实现了增强体的精确分布，而同步加速器断层成像和有限元分析揭示了驱动失效的应力和收缩机制。在确定的工艺范围内加工时，所获得的复合材料在强度和韧性上可与常规陶瓷相匹配。
聚合物衍生陶瓷的增材制造仍受限于厚度和填料阈值，但能够直接从前驱体聚合物制备致密且增韧的SiOC部件，代表了重要进步。这项工作为设计结合3D打印几何自由度与航空航天、能源和国防部件所需的热学与力学韧性的陶瓷复合材料提供了框架。
