【原創(chuàng)】先進(jìn)陶瓷3D打印技術(shù)特點(diǎn)與現(xiàn)狀分析
陶瓷作為一種結(jié)構(gòu)材料，因具有高的彎曲強(qiáng)度、良好的蠕變性能、高硬度和耐高溫等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在航空航天、工業(yè)制造和生物醫(yī)療等方面。然而，采用傳統(tǒng)方法制備的陶瓷，普遍存在加工困難，難以制備復(fù)雜形狀制品的問題。新興的3D打印技術(shù)在高性能陶瓷的成型制造領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，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)提供了全新的可能性。
1、陶瓷3D打印技術(shù)
3D打印技術(shù)（又稱增材制造）的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的約束，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造提供了一種可能。相對于傳統(tǒng)的減材、等材制造方式，增材制造技術(shù)具有不增加成本，無需模具，就可制備出異形產(chǎn)品的特點(diǎn)。其最大的優(yōu)勢是能制備出傳統(tǒng)加工方式無法制備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，從而高效實(shí)現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)的一體化、結(jié)構(gòu)與功能的一體化。
陶瓷3D打印技術(shù)是一種通過離散材料逐層制造并疊加得到三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的先進(jìn)制造技術(shù)，具有材料利用率高、制造靈活性強(qiáng)、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢，適用于小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件制造。
3D打印復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)（圖片來源：硅酸鹽學(xué)報(bào)）
2、主流的陶瓷3D打印技術(shù)
目前主流的陶瓷3D打印技術(shù)有：熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、光固化3D打印技術(shù)（SLA）、墨水直寫成型（DIW）、粉末床激光燒結(jié)（SLS）等。
1.1熔融沉積成型技術(shù)（FDM）
FDM技術(shù)是采用混有陶瓷粉末的噴絲作為原材料，使用高分子熔點(diǎn)以上的溫度將噴絲中的高分子材料融化后擠出噴嘴，擠出后的陶瓷高分子復(fù)合材料冷卻固化。
FDM技術(shù)設(shè)備原料成本低、材料利用率高、可選材料豐富，但精度較低，難以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件、與截面垂直的方向強(qiáng)度低且成型速度較慢。
1.2光固化3D打印技術(shù)（SLA）
光固化3D打印技術(shù)被認(rèn)為是最著名和最受歡迎的3D打印技術(shù)，并已在全球廣泛使用，是將陶瓷粉體與光敏樹脂及其他添加劑混合成光敏陶瓷漿料，紫外光在程序控制下逐點(diǎn)掃描漿料引發(fā)光敏樹脂交聯(lián)，使得漿料固化成型。漿料固化一層，成型臺(tái)下降一定高度以補(bǔ)充漿料，新一層漿料在紫外光作用下繼續(xù)固化。陶瓷漿料逐層固化得到陶瓷生坯，經(jīng)脫脂和燒結(jié)處理后得到陶瓷材料。
SLA技術(shù)具有成型速率快、制品表面質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)勢。與其他技術(shù)相比，SLA技術(shù)適合制備高精度、形狀復(fù)雜的小型零件。該技術(shù)不限陶瓷基材（氧化鋁、氧化鋯、磷酸鈣等），致密度可高達(dá)96%以上。
1.3墨水直寫成型（DIW）
墨水直寫成型(DIW)是指在程序控制下，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。
陶瓷墨水的配置是關(guān)鍵，要求陶瓷粉體在墨水中能夠良好均勻地分散，并具有合適的粘度、表面張力及電導(dǎo)率，以及較快的干燥速率和盡可能高的固相含量。DIW技術(shù)需要在高溫爐中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，具有成型速度快、可成型原料廣等優(yōu)點(diǎn)，在制備深色陶瓷制品方面有很大優(yōu)勢，但是制品表面精度差、致密度低。
1.4選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）
選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)是將陶瓷粉體和其它低熔點(diǎn)粉體鋪在粉床上，在程序控制下激光按照設(shè)定路徑移動(dòng)。低熔點(diǎn)粉體在激光作用下熔化并將陶瓷粉體連接，完成一層后，成型臺(tái)下降一定高度，經(jīng)過逐層堆積最終得到三維實(shí)體。
SLS具有成型速率快、可成型尺寸跨度大等優(yōu)勢，但由于有機(jī)高分子粘結(jié)劑含量較高，因而所得坯體密度較低，疏松多孔，故通常需進(jìn)行后續(xù)處理提高致密度，如等靜壓處理、浸滲技術(shù)。
3、3D打印用陶瓷材料
目前已經(jīng)開發(fā)出的可用于3D打印的陶瓷材料主要包括以下幾種：
?氧化鋁陶瓷：目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)陶瓷，其耐受的溫度高達(dá)1700℃，并且在高溫下性能依然良好。在陶瓷３Ｄ打印材料的技術(shù)中，采用改性得到的陶瓷粉末材料進(jìn)行３Ｄ打印，生產(chǎn)時(shí)間短、成本低、加工方便、可操作性強(qiáng)，因此氧化鋁陶瓷３Ｄ打印材料廣泛地應(yīng)用在建筑、航空航天和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
?氧化鋯陶瓷：有相變增韌和微裂紋增韌，所以有很高的強(qiáng)度和韌性，被譽(yù)為“陶瓷鋼”，高硬度、高強(qiáng)度和高韌性就保證了氧化鋯陶瓷比其它結(jié)構(gòu)陶瓷具有不可比擬的耐磨性；同時(shí)經(jīng)過打磨的氧化鋯陶瓷有著類似金屬的光澤，并且可以調(diào)配不同的色彩，因此在珠寶奢侈品領(lǐng)域深受歡迎。
?碳化硅陶瓷：碳化硅（SiC）陶瓷具有高的抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性與耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦因數(shù)等高溫力學(xué)性能。SiC陶瓷在已知陶瓷材料中具有最佳的高溫力學(xué)性能（強(qiáng)度、抗蠕變性等），其抗氧化性在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。
?多孔氮化硅陶瓷：多孔氮化硅陶瓷（Si3N4）結(jié)合了多孔陶瓷和Si3N4陶瓷兩者的優(yōu)點(diǎn)，熱導(dǎo)率好、透過性均勻、物理化學(xué)性能穩(wěn)定。在3Ｄ打印多孔氮化硅陶瓷方面，西北工業(yè)大學(xué)的翁作海等以粒徑為7.2μｍ的高純硅粉為原料，糊精為粘結(jié)劑，采用造粒手段制備了粒徑小于200μｍ的Si3N4粉料。
?碳硅化鈦陶瓷：碳硅化鈦陶瓷（Ti3SiC2）具有層狀的六方晶體結(jié)構(gòu)，在生物、醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用。利用３Ｄ打印技術(shù)制備Ti3SiC2陶瓷則可以完全克服成本高、耗時(shí)長、靈活性差的缺點(diǎn)。
4、陶瓷3D打印現(xiàn)狀與發(fā)展特點(diǎn)
相關(guān)媒體針對96家陶瓷3D打印企業(yè)做了市場調(diào)研，調(diào)查結(jié)果顯示，陶瓷3D打印市場在2020年產(chǎn)生的大約1.54億美元（約9.93億人民幣）收益，通過專有預(yù)測模型，集成了多個(gè)影響系數(shù)，預(yù)計(jì)陶瓷3D打印市場將從2020年的1.54億美元增長到2030年的超過34億美元（約219億人民幣）。
?工業(yè)級(jí)陶瓷3D打印技術(shù)和設(shè)備門檻較高，成本較高，需要從原材料燒結(jié)后處理等多方面研究；
?打印效率需要進(jìn)一步提升，生產(chǎn)流程往簡單化、自動(dòng)一體化發(fā)展；
?光固化3D打印技術(shù)是目前較優(yōu)的陶瓷打印技術(shù)，具有良好的成型效果；
?目前，3D打印陶瓷制品還存在表面質(zhì)量不夠理想、精度較低等問題，可以從材料成型理化規(guī)律入手，研究更多新型陶瓷3D打印技術(shù)；
?針對新型應(yīng)用，要研發(fā)更多高性能陶瓷材料。
5、小結(jié)
目前，陶瓷3D打印技術(shù)及其應(yīng)用已受到了科研院所和產(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。
參考來源：
【1】 南極熊3D打印.
【2】 吳甲民.3D打印方興未艾的陶瓷增材制造.2021.
【3】 王志永，等.陶瓷增材制造的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.真空.2020.
【4】 殷德政，等.基于增材制造的陶瓷材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn).硅酸鹽學(xué)報(bào).2021.
【5】王劍磊.陶瓷3D打印的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用.中國粉體網(wǎng).2021.
【6】十維科技官網(wǎng).
【7】張文毓.3D打印陶瓷材料的研究與應(yīng)用.陶瓷.2020.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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