中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷3D打印作為增材制造行業(yè)的新興技術(shù)，在熔模鑄造、骨科、齒科、化工、藝術(shù)等領(lǐng)域，開始發(fā)揮越來越大的作用，目前成熟的陶瓷增材制造技術(shù)包括以下幾種：光固化成型（SL）、三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實體制造（LOM）和擠出成型（EFF）等，其中，光固化成型是目前增材制造技術(shù)中分辨率最好、成型精度最高的成型方式。
陶瓷光固化打印產(chǎn)品圖（圖片來源：十維科技）
1 光固化3D打印優(yōu)勢
陶瓷光固化3D打印技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，盡管與聚合物和金屬材料相比，陶瓷光固化產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，國內(nèi)外越來越多的研究者進(jìn)行陶瓷光固化3D打印設(shè)備及材料的研究。不僅因為陶瓷材料的性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣泛，也因為光固化陶瓷3D打印技術(shù)相比于其他陶瓷增材制造方法，打印精度高，并且在制備復(fù)雜形狀以及高精度大型零部件方面有很大的優(yōu)勢。
2 陶瓷光固化工藝過程
陶瓷光固化技術(shù)是將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通過高速攪拌使陶瓷粉末在溶液中分散均勻，制備高固相含量、低粘度的陶瓷漿料，然后使陶瓷漿料在光固化成型機(jī)上直接逐層固化，累加得到陶瓷零件素坯，再通過后續(xù)的加熱脫脂工藝，將坯體零件中作為粘接劑的有機(jī)成分通過高溫排除，得到零件素坯后，進(jìn)行燒結(jié)工藝，得到致密化的陶瓷零件，如下圖所示。
光固化3D打印陶瓷制備流程圖
陶瓷光固化體系漿料一般由陶瓷粉體、光固化單體、光引發(fā)劑、分散劑、稀釋劑等組成，由于微納米陶瓷粉體的加入，使得陶瓷漿料的打印比普通樹脂更加地困難。陶瓷粉體的加入不僅使陶瓷漿料的粘度增加造成打印過程困難，也容易引起缺陷，同時陶瓷顆粒會對光產(chǎn)生散射作用，引起打印精度降低。因此陶瓷漿料的制備特性和光固化成型特性成為目前研究的熱點(diǎn)。
3 陶瓷光固化3D打印成型的研究現(xiàn)狀
（1）陶瓷漿料制備方面研究現(xiàn)狀
想要獲得理想質(zhì)量的打印零件需要提高陶瓷漿料中的固含量，同時需要有良好的固化特性。漿料的穩(wěn)定性指標(biāo)要求漿料能長期儲存而不沉淀、基體材料不變質(zhì)不揮發(fā)。
漿料制備過程包括光敏樹脂、陶瓷粉體、分散劑含量等多種標(biāo)準(zhǔn)。有許多關(guān)于漿料制備過程的研究，Goswami等研究了氧化鋁陶瓷漿料的光固化，通過沉降速率實驗優(yōu)化了陶瓷漿料中分散劑的添加量，根據(jù)流變性測試數(shù)據(jù)說明了陶瓷漿料固含量的影響，通過加熱處理降低了高固含量漿料的粘度，實現(xiàn)了高精度零件成型；周偉召等研究了陶瓷漿料的體積分?jǐn)?shù)對光固化成型工藝的影響，陶瓷漿料的體積分?jǐn)?shù)必須大于40vol.%才能夠滿足成型、脫脂和燒結(jié)工藝的要求，陶瓷漿料的粘度越小打印固化厚度就越大。此外，陶瓷顆粒的表面改性也可以有效提高陶瓷顆粒在光敏樹脂中的分散效果。
（2）光固化成型工藝方面研究現(xiàn)狀
光固化成型階段在整個陶瓷成型工藝中是核心步驟，決定了陶瓷零件的形狀大小與誤差精度。在陶瓷光固化成型工藝過程中，比爾-朗伯定律能夠準(zhǔn)確地描述出打印參數(shù)與成型尺寸的關(guān)系，比爾-朗伯定律適用于SLA和DLP成型技術(shù)。Griffith等在1996年首次提出利用光固化成型制備陶瓷零件的工藝，分別研究了氧化硅、氧化鋁和氮化硅三種陶瓷的光固化中的打印參數(shù)，制備了固含量為50vol.%的陶瓷漿料，使用比爾-朗伯定理分析了曝光時間與固化厚度的關(guān)系，并對比了不同陶瓷胚件經(jīng)過脫脂與燒結(jié)后的陶瓷零件的致密度。
為了提高成型尺寸精度，研究人員進(jìn)行了相關(guān)實驗，如Xing等使用SLA光固化成型技術(shù)的打印了氧化鋯試樣，測試了它們的表面質(zhì)量、尺寸精度與機(jī)械強(qiáng)度。
4 光固化技術(shù)研究難點(diǎn)
由于光固化技術(shù)在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高精度陶瓷零部件方面具有明顯優(yōu)勢，因此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，也取得了突破性的成果，但是在材料制備、工藝優(yōu)化等方面仍存在很多棘手的問題迫切需要解決。制備高精度高性能的陶瓷零部關(guān)鍵在于高固含量和低粘度的陶瓷漿料配制，這也是目前存在的難題之一。對于高折射率陶瓷粉末，降低散射效應(yīng)提高打印精度是亟需解決的另一難題。
5 光固化陶瓷應(yīng)用案例
光固化陶瓷打印技術(shù)及產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。
5.1 光固化技術(shù)制備陶瓷型芯
渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)中最關(guān)鍵的零件之一，鑄造渦輪葉片的關(guān)鍵是先制造出能形成葉片復(fù)雜內(nèi)腔的陶瓷型芯。陶瓷型芯是一種犧牲材料，一旦合金熔化到芯上,它將用作負(fù)極材料。到目前為止,型芯的制造一直是耗時且昂貴的過程。傳統(tǒng)陶瓷型芯制備方法復(fù)雜，在制造過程中處理錯誤的風(fēng)險很大，并且會產(chǎn)生大量次品。
3D打印鑄造陶瓷型芯流程圖（圖片來源：十維科技）
而光固化3D打印技術(shù)是一次成型制造工藝，型芯型殼一體化的打印，無需提前制造模具，極大縮短了制造周期。目前，我國十維科技和3DCERAM均已研制出符合航空業(yè)和熔模鑄造行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的3D打印陶瓷芯。
5.2 陶瓷光固化技術(shù)制備透波材料
雷達(dá)天線罩選透波材料的依據(jù)是高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)異的耐候性和介電性能等，陶瓷(氧化鋁、氧化硅、氮化硅和氮化硼等)自身具有良好的介電性能，在力學(xué)性能以及耐高溫等方面有著無可比擬的優(yōu)勢。透波陶瓷材料已成為高超聲速飛行器天線罩、天線窗等部件的關(guān)鍵候選材料。
中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心采用高固含量Al2O3陶瓷膏體為原料，使用陶瓷光刻3D打印裝備打印設(shè)備獲得雷達(dá)天線罩模擬件，如下圖所示。何汝杰等將高陶瓷產(chǎn)率的聚硅氮烷和丙烯酸樹脂混合，并采用光固化工藝進(jìn)行成型經(jīng)燒結(jié)后制備獲得了長方體、蜂窩結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷。王功等采用氮化硅和二氧化硅混合的陶瓷漿料作為原料，采用光固化工藝制備了氮化硅/氧化硅復(fù)相陶瓷。
氧化鋁雷達(dá)天線罩模擬件（圖片來源：硅酸鹽學(xué)報）
5.3 陶瓷光固化技術(shù)制備吸波材料
雷達(dá)吸波材料是指能夠吸收并損耗雷達(dá)波，減少目標(biāo)雷達(dá)散射截面，降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率，賦予目標(biāo)雷達(dá)隱身功能的一種功能材料。研究表明，多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計和多層層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計是制備結(jié)構(gòu)/功能一體化吸波材料的有效方法。
Mei等采用微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合方法，采用光固化技術(shù)與化學(xué)氣相滲透技術(shù)相結(jié)合的方法制備不同孔斜蜂窩角度的Al2O3/SiC晶須(SiCw)蜂窩復(fù)合陶瓷。陶瓷光固化技術(shù)為制備具有更廣、更高微波吸收率的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提供了新的有效途徑。
5.4 陶瓷光固化技術(shù)用于太空制造
太空制造作為一項航天領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新技術(shù)，已成為各航天強(qiáng)國的新研究熱點(diǎn)�？臻g任務(wù)中的特殊應(yīng)用場景對制造精度、制造裝置的功耗和尺寸及智能化等提出的要求也面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心王功等2019年開發(fā)了基于光固化技術(shù)的在軌精細(xì)成型裝置，隨長征五號B火箭搭載的新一代載人飛船試驗船一起進(jìn)入太空，并完成打印任務(wù)，下圖是在太空環(huán)境下打印獲得的樣品。
太空環(huán)境下打印的陶瓷樣品圖
5.5 陶瓷光固化技術(shù)用于其他方面
陶瓷光固化技術(shù)除了以上應(yīng)用外，還應(yīng)用于很多其他功能材料方面，例如，Duan等通過DLP技術(shù)制備了具有導(dǎo)熱性和力學(xué)強(qiáng)度的氮化鋁陶瓷。另外，由于3D打印技術(shù)成型的靈活性、結(jié)構(gòu)可控性和材料浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的研究將3D打印技術(shù)應(yīng)用于電池領(lǐng)域。Pang等研究了3D打印技術(shù)在電池和能源方面的應(yīng)用，如電池、超級電容器和太陽能電池。
6 光固化設(shè)備
目前國內(nèi)已有一些企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)陶瓷光固化打印設(shè)備，其中科技型、生產(chǎn)型、工業(yè)型設(shè)備等均已經(jīng)投入使用。這些設(shè)備適應(yīng)于各種產(chǎn)品，如，大尺寸、高精度陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，陶瓷材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型，精密陶瓷產(chǎn)品小批量生產(chǎn)等。
高精度工業(yè)級光刻3D打印裝備（圖片來源：乾度高科）
參考來源：
【1】王偉偉，等.光固化3D打印低溫共燒陶瓷制備技術(shù)研究.
【2】楊娜娜，等.基于光固化3D打印的陶瓷快速無模成型技術(shù)的研究進(jìn)展.隴東學(xué)院學(xué)報.2021.
【3】顧玥，等.陶瓷光固化成型技術(shù)的應(yīng)用與展望.硅酸鹽學(xué)報.2021.
【4】史卜輝.基于約束面投影的陶瓷光固化成型工藝研究.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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