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十、陶瓷3D打印技術(shù)綜合分析

通過調(diào)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(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)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(shè)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(jié)）能夠在無需額外設(shè)計(jì)支撐的條件下實(shí)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(jié)后，陶瓷粉末只是形成了具有所要求形狀的零件坯體，其強(qiáng)度較低，內(nèi)部組織和性能也不均勻，而且在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差。還需再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)等后處理工藝，才能得到可以實(shí)際應(yīng)用的陶瓷件。

▲Al2O3和SiC陶瓷樣件（圖片來源：3ders）

3DP（三維打印）工藝可以快速打印復(fù)雜形狀，同時(shí)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(dǎo)致材料體積分?jǐn)?shù)受限。產(chǎn)品力學(xué)性能差，強(qiáng)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(yàn)。

▲3dp-ceramics（圖片來源：Engineers rule）

IJP（噴墨打?。┘夹g(shù)是將陶瓷粉末與各種有機(jī)物混合，制成陶瓷墨水，然后通過打印機(jī)將其打印到成形平面上形成陶瓷坯體。目前，該技術(shù)的難點(diǎn)是墨水中的固相含量太低，這會導(dǎo)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(jié)塊。同時(shí)，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(gè)問題。并且無法制備具有內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)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(shù)在制備陶瓷件都存在一定的不足。而（粉末擠出打?。┘夹g(shù)是在(FDM)熔融沉積成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)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(jié)劑混煉成顆粒材料，然后通過擠出機(jī)構(gòu)3D打印制備出具有一定密度和強(qiáng)度的生坯，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)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(dá)到相應(yīng)材料密度的最高理論值，以下為不同陶瓷打印材料及產(chǎn)品性能對照表：

▲不同陶瓷打印材料產(chǎn)品性能表（來源：升華三維）

PEP技術(shù)成形工藝簡單，無需激光器件，打印設(shè)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(yīng)力，打印樣品在常溫下強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)陶瓷、內(nèi)部多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)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(nèi)為數(shù)不多的具備陶瓷材料開發(fā)制備、陶瓷3D打印設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)、切片軟件開發(fā)，到3D打印、脫脂、燒結(jié)等一整套陶瓷間接3D打印工藝解決方案的供應(yīng)商。

十一、陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢

陶瓷3D打印有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：復(fù)雜的生產(chǎn)程序變得簡單化，極大減少了人力和物力的投入，縮短了產(chǎn)品制造的時(shí)間，節(jié)約了材料，降低了成本，解決結(jié)構(gòu)復(fù)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(gè)方面：

(1)與傳統(tǒng)陶瓷工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的快速生產(chǎn)。一般陶瓷制品如日用陶瓷產(chǎn)業(yè)，須應(yīng)對多樣化的市場需求，應(yīng)加快產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)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(shí)需要不同的模具，無法同時(shí)滿足定制客戶對于時(shí)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(zhuǎn)型中脫穎而出。

(2)生物陶瓷制品的制造。生物陶瓷主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面，生物陶瓷特有的可降解性使其主要應(yīng)用于醫(yī)用支架等。生物陶瓷3D打印將帶動高端醫(yī)療領(lǐng)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(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能，例如高強(qiáng)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(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，如可在航天飛機(jī)上應(yīng)用的耐高溫陶瓷片等，陶瓷3D打印技術(shù)的應(yīng)用將使陶瓷零件在高精尖領(lǐng)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(shù)、陶瓷3D打印設(shè)備、材料的研究及其應(yīng)用已受到了國內(nèi)外學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，發(fā)展迅速，涉及諸多陶瓷材料體系和應(yīng)用領(lǐng)域。新興的3D打印在高性能陶瓷的成型制造領(lǐng)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(chǎn)的技術(shù)瓶頸，3D打印為陶瓷關(guān)鍵零部件的應(yīng)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(shí)，陶瓷3D打印的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還未全面成型，比如在實(shí)現(xiàn)其高效率、高品質(zhì)和高致密度的大型復(fù)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(shí)現(xiàn)陶瓷3D打印開展大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將是我國乃至世界的發(fā)展目標(biāo)。

十二、陶瓷3D打印的發(fā)展前景

3D打印陶瓷市場當(dāng)前最大的客戶群體來源都來自航空航天和國防高新技術(shù)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(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng)域陶瓷多被應(yīng)用于制造像假牙、手術(shù)器械、人體假肢、植入體等醫(yī)療產(chǎn)品，因?yàn)橥ㄟ^3D打印技術(shù)可以準(zhǔn)確地為患者定制符合自身人體構(gòu)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(jī)）

由于3D打印的陶瓷漿料制備難度較大，陶瓷粉體與結(jié)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(shù)的應(yīng)用成熟度還需進(jìn)行有效提升。陶瓷3D打印技術(shù)有著傳統(tǒng)技術(shù)所無可替代的優(yōu)勢，相信隨著該技術(shù)的不斷提升，3D打印技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越深入與廣泛。