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十、陶瓷3D打印技術綜合分析

通過調研分析，發(fā)現(xiàn)SLA（光固化）和DLP（數(shù)字光處理）有很多相似之處，其工作原理也是利用液態(tài)光敏聚合物在光照下固化的特征。具有成型速度快、自動化程度高、尺寸精度高、表面質量優(yōu)良等優(yōu)點，是當前主流的陶瓷3D打印工藝。但如碳化硅、氮化硅材料的顏色通常為灰色或深色，具有高吸光度和高折射率，限制了漿料的固化厚度、固含量等參數(shù)。而且精度高的設備和樹脂材料比較昂貴。

▲氧化鋁陶瓷樣件（圖片來源：中科院沈陽自動化所）

SLS（激光選區(qū)燒結）能夠在無需額外設計支撐的條件下實現(xiàn)陶瓷件的制備。而陶瓷3D打印與金屬打印不同的是，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印。直接SLS激光燒結后，陶瓷粉末只是形成了具有所要求形狀的零件坯體，其強度較低，內部組織和性能也不均勻，而且在燒結過程中產生的熱應力難以避免產生裂紋，導致最終產品力學性能較差。還需再經(jīng)過高溫燒結等后處理工藝，才能得到可以實際應用的陶瓷件。

▲Al2O3和SiC陶瓷樣件（圖片來源：3ders）

3DP（三維打?。┕に嚳梢钥焖俅蛴碗s形狀，同時保持打印精度，而且無需激光器等高成本元器件，投入成本較低。然而該工藝限制了粉末的填充密度，導致材料體積分數(shù)受限。產品力學性能差，強度、韌性相對較低，通常只能做樣品展示，無法適用于功能性試驗。

▲3dp-ceramics（圖片來源：Engineers rule）

IJP（噴墨打?。┘夹g是將陶瓷粉末與各種有機物混合，制成陶瓷墨水，然后通過打印機將其打印到成形平面上形成陶瓷坯體。目前，該技術的難點是墨水中的固相含量太低，這會導致陶瓷坯體致密度較低。打印要求漿料均勻、穩(wěn)定、剪切稀化、不結塊。同時，還需要具有快速固化能力，特別是對于無支撐的斜面印刷，與上述SLA和SLS相比，分辨率一直是一個問題。并且無法制備具有內部多孔結構的陶瓷產品。

▲墨水直寫3D打印過程示意圖（圖片來源：U.S. LawrenceLivermore National Laboratory）

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，上述3D打印技術在制備陶瓷件都存在一定的不足。而（粉末擠出打?。┘夹g是在(FDM)熔融沉積成型技術的基礎上，結合粉末冶金工藝形成的一種3D打印方法。采用陶瓷粉體加粘結劑混煉成顆粒材料，然后通過擠出機構3D打印制備出具有一定密度和強度的生坯，再經(jīng)過脫脂燒結后處理工藝，獲得最終致密的陶瓷件。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)顯示，目前該工藝制備的陶瓷件密度可達到相應材料密度的最高理論值，以下為不同陶瓷打印材料及產品性能對照表：

▲不同陶瓷打印材料產品性能表（來源：升華三維）

PEP技術成形工藝簡單，無需激光器件，打印設備、材料投入成本較低；具有低溫成形、高溫成性的特性，在打印過程中可以通過溫控消除應力，打印樣品在常溫下強度大；可打印粉體，打印材料制備方便，適用于粉末冶金所用的粉末材料；可實現(xiàn)高性能結構陶瓷、內部多孔復雜結構陶瓷和陶瓷基復合材料等應用開發(fā)；打印材料可循環(huán)利用，綠色環(huán)保。

而且升華三維是目前國內為數(shù)不多的具備陶瓷材料開發(fā)制備、陶瓷3D打印設備研發(fā)生產、切片軟件開發(fā)，到3D打印、脫脂、燒結等一整套陶瓷間接3D打印工藝解決方案的供應商。

十一、陶瓷3D打印技術的發(fā)展趨勢

陶瓷3D打印有諸多優(yōu)點，例如：復雜的生產程序變得簡單化，極大減少了人力和物力的投入，縮短了產品制造的時間，節(jié)約了材料，降低了成本，解決結構復雜零件難以加工的問題。目前，陶瓷3D打印的市場需求主要包括以下3個方面：

(1)與傳統(tǒng)陶瓷工藝相結合，實現(xiàn)陶瓷制品的快速生產。一般陶瓷制品如日用陶瓷產業(yè)，須應對多樣化的市場需求，應加快產品的開發(fā)、生產速度，滿足客戶的定制要求。傳統(tǒng)陶瓷制造工藝周期長，后期再加工工藝繁瑣，且在制作特殊形狀制品時需要不同的模具，無法同時滿足定制客戶對于時間及式樣的雙重需求。陶瓷3D打印滿足市場發(fā)展需要，有望在陶瓷工業(yè)的升級轉型中脫穎而出。

(2)生物陶瓷制品的制造。生物陶瓷主要應用于醫(yī)學方面，生物陶瓷特有的可降解性使其主要應用于醫(yī)用支架等。生物陶瓷3D打印將帶動高端醫(yī)療領域的突破發(fā)展。

(3)高性能陶瓷功能零件。陶瓷具有優(yōu)良的化學性能、物理性能和力學性能，例如高強度、高硬度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、防潮、良好的絕緣性、一定的抗急冷急熱等。高性能陶瓷零件在航空航天、高端武器、船舶、汽車、電子等領域具有良好的應用前景，如可在航天飛機上應用的耐高溫陶瓷片等，陶瓷3D打印技術的應用將使陶瓷零件在高精尖領域具有極大的發(fā)展前景。

▲特種陶瓷渦輪葉片、天線罩等（來源：升華三維）

目前，陶瓷3D打印技術、陶瓷3D打印設備、材料的研究及其應用已受到了國內外學者和產業(yè)界的廣泛關注，發(fā)展迅速，涉及諸多陶瓷材料體系和應用領域。新興的3D打印在高性能陶瓷的成型制造領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?D打印有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產的技術瓶頸，3D打印為陶瓷關鍵零部件的應用開辟新的途徑，為解決傳統(tǒng)制造問題和挑戰(zhàn)提供了全新3D打印的可能性。

同時，陶瓷3D打印的產業(yè)化應用還未全面成型，比如在實現(xiàn)其高效率、高品質和高致密度的大型復雜零件的制造也是亟待解決的問題。近年來我國對增材制造的發(fā)展愈加重視，實現(xiàn)陶瓷3D打印開展大規(guī)模產業(yè)化應用將是我國乃至世界的發(fā)展目標。

十二、陶瓷3D打印的發(fā)展前景

3D打印陶瓷市場當前最大的客戶群體來源都來自航空航天和國防高新技術行業(yè)，兩者均對陶瓷制品（例如航天器的隔熱瓦）有著大量的需求；其次就是生物健康醫(yī)療領域，這個領域陶瓷多被應用于制造像假牙、手術器械、人體假肢、植入體等醫(yī)療產品，因為通過3D打印技術可以準確地為患者定制符合自身人體構造的醫(yī)療用品，生物兼容性非常好。

▲陶瓷隔熱瓦（來源：美國X-37B飛機）

由于3D打印的陶瓷漿料制備難度較大，陶瓷粉體與結合劑的比例、pH值、顆粒尺度和漿料的流變性等都對陶瓷制品的性能有著很大的影響，因此陶瓷3D打印技術的應用成熟度還需進行有效提升。陶瓷3D打印技術有著傳統(tǒng)技術所無可替代的優(yōu)勢，相信隨著該技術的不斷提升，3D打印技術在陶瓷領域的應用會越來越深入與廣泛。