中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷材料具有優(yōu)良高溫性能、高強(qiáng)度、高硬度、低密度、好的化學(xué)穩(wěn)定性，在航天航空、汽車、生物等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，而陶瓷難以成型的特點(diǎn)又限制了它的使用，尤其是復(fù)雜陶瓷制件的成型均借助于復(fù)雜模具來實(shí)現(xiàn)。3D打印的出現(xiàn)為陶瓷制件成型提供了新的途徑。3D打印，又名增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。
圖片來源：中國粉體網(wǎng)
陶瓷3D打印的技術(shù)分析
陶瓷件的3D打印包括配制陶瓷漿料、繪制三維模型并切片、3D打印成形、燒結(jié)等工藝過程。利用3D打印技術(shù)研究的陶瓷材料包括氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣、碳化硅、碳硅化鈦、陶瓷前驅(qū)體等，其打印技術(shù)主要有噴墨打印技術(shù)（IJP）、熔化沉積成形技術(shù)（FDM/FDC）、光固化成形技術(shù)（SLA/DLP）、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）、激光選區(qū)熔化技術(shù)/激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLM/SLS）、三維打印成形技術(shù)（3DP）、漿料直寫成形技術(shù)（DIW）等。
其中IJP技術(shù)原理簡單，打印頭成本低，易產(chǎn)業(yè)化，但是墨水配制需要求粉末粒徑均勻，不發(fā)生凝聚，流動性好，高溫化學(xué)性能穩(wěn)定，且噴墨打印頭易堵塞，墨水液滴大小限制打印最大高度，很難制備z軸方向具有不同高度的三維結(jié)構(gòu)。
3DP技術(shù)能夠大規(guī)模成形出陶瓷部件，成本較低，但粘結(jié)劑強(qiáng)度導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限，難以制備機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷部件。
與SLA技術(shù)相比，DIW技術(shù)無需紫外光和激光輻射，常溫可成形，且可配制高含量均勻穩(wěn)定的陶瓷懸浮液，燒結(jié)后可獲得高致密化燒結(jié)體，但是水基陶瓷懸浮液穩(wěn)定性差，保存周期短，有機(jī)物基陶瓷料漿穩(wěn)定性高，但增加低溫排膠過程，提高了制造成本。
SLS技術(shù)無需支撐就可制備復(fù)雜陶瓷零件，但因受粘結(jié)劑鋪設(shè)密度限制，導(dǎo)致陶瓷制品密度不高。
SLA技術(shù)成形精度極高，可制備極其復(fù)雜幾何形狀的零件，得到的陶瓷件燒結(jié)后密度高，性能優(yōu)異，但需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，后處理麻煩，同時考慮二次固化問題，且折射率較高材料難以使用該技術(shù)。
LOM成形速率高，無需設(shè)計(jì)支撐，但后處理工序繁瑣，成形坯體各向機(jī)械性能差別大。
不同3D打印成形方法各有利弊，在實(shí)際生產(chǎn)制備過程中需平衡周期、經(jīng)濟(jì)成本、精度、尺寸等多方面因素、選擇合適的陶瓷3D打印成形方法，不同3D打印陶瓷粉末比對見表1。
表1 不同3D打印陶瓷粉末制備方法比對
3D打印陶瓷材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在國外，3D陶瓷打印已經(jīng)發(fā)展了相當(dāng)長的一段時間，在工藝技術(shù)等方面的研究與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展十分迅速。
2012年10月，土耳其伊斯坦布爾的Unfold設(shè)計(jì)室科研人員利用其自行研發(fā)的3D打印設(shè)備成功打印出造型各異的日用陶瓷制品，有些產(chǎn)品經(jīng)表面上釉并燒制后，質(zhì)量很好。
奧地利的3D打印公司Lithoz開發(fā)了基于光刻的陶瓷制造技術(shù)（LCM）。借助LCM技術(shù)開發(fā)的最新型3D打印機(jī)CeraFab7500能夠打印高精確度、高密度、高強(qiáng)度的陶瓷，材質(zhì)包括氧化鋁、氧化鋯等，成為陶瓷材料3D打印的領(lǐng)導(dǎo)者。
波蘭的Ｔytan3D開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員成功研發(fā)了可以自由選擇打印材料的Ｄelta3D打印機(jī)。打印機(jī)采用鋁質(zhì)框架，所有的機(jī)械元件都是專業(yè)級零件，電機(jī)和電子控制系統(tǒng)安裝于打印機(jī)上方。墨盒可以存儲不同的陶瓷材料，甚至可以使用能硬化的砂質(zhì)材料。
國內(nèi)的研究領(lǐng)域更多以高校為發(fā)源地，如：西北工業(yè)大學(xué)以硅粉為原料，糊精為粘結(jié)劑，采用3D打印技術(shù)制備出多孔硅坯體，通過反應(yīng)燒結(jié)得到高孔隙率的螺釘、螺母等氮化硅陶瓷部件。西安交通大學(xué)進(jìn)行了陶瓷料漿的擠出成形、陶瓷漿料的光固化成形及陶瓷粉末粘結(jié)成形等3D打印成形陶瓷材料的研究工作，并使用3D打印技術(shù)成功進(jìn)行了陶瓷零件的制備。2013年，我國華中科技大學(xué)研制出全球最大的“3D打印機(jī)”，可以用于1.2ｍ×1.2ｍ零件的加工，其加工技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。
目前，雖然3D打印陶瓷市場發(fā)展前景較好，但在我國處于起步階段，原創(chuàng)技術(shù)缺乏、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)鏈不健全等因素制約了國內(nèi)3D打印陶瓷市場的進(jìn)一步發(fā)展，在技術(shù)與設(shè)備上還不如一些發(fā)達(dá)國家。但是國內(nèi)的企業(yè)與高校正在積極地研制適用于3D陶瓷打印機(jī)和打印的專用原料，在向國內(nèi)外客戶提供服務(wù)的同時，自身也取得飛速的發(fā)展。2021年8月6日上午10點(diǎn)，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺邀請到中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所高級工程師王劍磊作《陶瓷3D打印的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用》報(bào)告。報(bào)告將主要闡述3D打印的技術(shù)發(fā)展和陶瓷3D打印的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)，為3D打印陶瓷的應(yīng)用提供了新的思路。
專家介紹
王劍磊，1989年5月生，博士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師。2011年于華東理工大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；2014年于華東理工大學(xué)獲碩士學(xué)位；2018年于中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所獲博士學(xué)位，同年評上副高和碩導(dǎo)。主要從事高分子材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā)。在3D打印方面，以第一作者或通訊作者發(fā)表13篇SCI學(xué)術(shù)論文，以第一發(fā)明人申請中國發(fā)明專利30項(xiàng)，授權(quán)9項(xiàng)。在復(fù)合材料方面，開發(fā)建筑模板用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和動力電池箱體用SMC復(fù)合材料，在福建海源新材料科技有限公司得到應(yīng)用，已完成產(chǎn)業(yè)化投產(chǎn)并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收。主持5項(xiàng)福建省科技廳、發(fā)改委、工信廳項(xiàng)目和多項(xiàng)企業(yè)橫向合作項(xiàng)目。
參考來源：
【1】張文毓.3D打印陶瓷材料的研究與應(yīng)用.陶瓷.2020.
【2】孫志雨，等.金屬/陶瓷粉末3D打印技術(shù)及其應(yīng)用.精密成形工程.2018.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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