中國粉體網訊 3D打印（3D－printing）是基于計算機三維模型技術的一種制造成形方法，通過材料逐層堆積的方式實現生產，融合了材料科學、機電控制技術以及計算機信息技術等多領域的先進科技，改變了傳統制造方式和工藝，是“第三次科技革命”的標志性成果。
常見的3D打印方法包括薄材疊加制造(LOM)、熔融沉積造型(FDM)、光固化(SLA)、激光選區熔化(SLM)、三維打印法(3DP)、激光選區燒結（SLS）等方法。與傳統成型相比，上述幾種3D打印技術在直接成型復雜形狀金屬和高分子零件方面已展現出較大優越性。然而，上述3D技術在陶瓷零件成型時仍存在許多困難。許多學者嘗試通過3D打印技術成型陶瓷零件坯體，結合高溫燒結致密化處理，有的甚至直接通過激光3D打印出致密的陶瓷零件。
3D打印成型技術
1、激光選區熔化(SLM)
SLM方法利用直徑30μm~50μm的聚焦激光束，對粉末逐層選擇性熔化，堆積成一個冶金結合、組織致密的實體，可用于直接3D打印陶瓷件，無需后續致密化處理。SLM成型陶瓷零件過程中溫度變化范圍大、速度快，產生的內應力較大，使陶瓷零件極易產生缺陷。
2、薄材疊加制造技術(LOM)
LOM技術利用激光切割陶瓷薄片，通過熱壓或其他形式層層粘接、疊加獲得三維實體零件。LOM方法制造的陶瓷坯體表面層與層之間的臺階效應明顯，邊界需要進行打磨，水平和高度方向密度差異大，對后續脫脂及燒結過程不利，導致最終的陶瓷零件密度不均勻。
3、光固化(SLA)
SLA工藝利用紫外光固化一種液態光敏樹脂材料，通過高速攪拌使陶瓷粉末在光固化溶液中分散均勻，獲得高固相含量、低粘度的陶瓷漿料，然后使漿料在成型機上逐層固化、堆積成陶瓷零件坯體，最后采用干燥、脫脂及燒結等致密化工藝得到陶瓷零件。但是，光固化方法制造陶瓷零件需設置支撐，對環境也會造成危害，這些都不利于該工藝的應用和發展。
4、熔融沉積造型(FDM)
FDM技術采用加熱融化噴頭使材料轉變為熔融態，并按每層數據指示的路徑擠壓和沉積在預定的方位，逐層累積成型出整個零件。該方法在陶瓷粉中加入有機粘結劑，通過毛細管流變儀或擠出機加工成絲材后用FDM設備成型出陶瓷坯體，最后通過脫脂和高溫燒結獲得較高密度的陶瓷件。
但是，熔融沉積陶瓷強度較差，收縮存在各向異性。同時，由于噴頭口徑較大，成型精度低，另外適合FDM成型的塑料種類少，限制了陶瓷零件FDM成型的發展。
5、三維打印法(3DP)
3DP技術是一種利用微滴噴射技術的3D打印方法，過程類似于打印機，在預先鋪平的粉末上，于需要成型的位置噴射粘結劑形成薄層，逐層堆積成型，最終獲得三維陶瓷零件。然而，3DP方法成型陶瓷時噴印粘結劑零件致密度不高，打印噴頭易堵塞，零件精度也較低。
6、激光選區燒結(SLS)
SLS技術的工作原理是，首先，在工作臺上鋪一薄層粉末，然后，CO2激光按照各層截面的信息對需要粘接的粉末進行激光掃描，被掃描區域的粉末材料由于燒結或熔化粘接在一起，而未被掃描的區域粉末仍呈松散狀，可重復利用，工作臺在加工一層后下降一個層厚的高度，再進行下一層鋪粉和掃描，層與層之間粘結至一起，逐層堆積直到成型出整個零件，最終將零件取出。
陶瓷的SLS/CIP復合成型
通過上述3D打印技術制造的陶瓷零件普遍存在致密度低、力學性能差的缺點，不能直接應用于實際工業生產中，需進一步對3D打印陶瓷坯體進行后續致密化后處理。劉凱團隊將CIP技術與基于粉末床的SLS打印有機結合，然后對SLS/CIP素坯進行排膠及高溫燒結處理，提出了陶瓷零件的SLS/CIP復合成型制造技術。工藝流程如下：
1、粉體制備
用三維混粉機混粉，首先將陶瓷粉末通過噴霧造粒方法覆上一層潤滑劑PVA聚合物，然后將造粒粉末和粘接劑環氧樹脂混合2h左右，即得到均勻的造粒混合復合粉末，該粉末具備良好的SLS粘接性能和CIP壓制性能。
由于SLS坯體需要進行排膠，在保證坯體具有一定強度的前提下，粘接劑含量越少越好。確定粘結劑加入量的基本原則是在不影響SLS成型質量的前提下，粘結劑加入量越小越好。采用造粒混合方法制備的復合粉末SLS成型性好，且制備方法簡便，成本低。
2、激光選區燒結成型
SLS成型過程中激光作用在粉末材料上，粉末受到移動快的點熱源加熱，是一個極其復雜的動態系統。合理的SLS工藝參數可使陶瓷的精度、密度、強度達到較優的組合；反之，若工藝參數不合理，坯體會產生翹曲、變形、強度差等問題，也會影響經后續CIP等其它環節處理后的陶瓷質量。
3、冷等靜壓致密化
在壓力作用下，陶瓷坯體的密度迅速增加。由于SLS試樣內部包含大量孔隙，該過程主要是陶瓷顆粒的重新組合，坯體密度增加速率最大。隨著CIP過程保壓壓力進一步增加，粘接頸破碎并充填孔隙，陶瓷粉末之間相互作用面積變大，陶瓷表面的有機物也增強了粉末間的滑動擠壓，坯體的孔隙更加減少。
4、排膠處理
對排膠試樣進行預燒結，溫度升至800℃時，試樣相對密度增加，這是由于盡管試樣的質量仍然減少了，但試樣在預燒結階段內部氧化鋁顆粒發生固相原子擴散，燒結頸逐步形成，試樣各方向產生明顯收縮，因此其體積也產生了收縮，相對密度增加。增加預熱燒結溫度和延長保溫時間，有利于排膠試樣的致密化。
5、高溫燒結
延長保溫時間和降低升溫速率均有利于氧化鋁試樣致密化。當燒結溫度、升溫速率和保溫時間分別為1650℃、2℃/min和2h時，氧化鋁相對密度可達92%以上。
劉凱團隊利用SLS成型、CIP和高溫燒結致密化，已成功制備出Al2O3、ZrO2、SiC高白土等高性能復雜結構致密陶瓷零件，相關零部件的相對密度達到92%。
參考來源：
[1]劉 凱等.3D打印成型陶瓷零件坯體及其致密化技術
[2]邸浩翔等.3D 打印陶瓷技術的研究進展
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