中國(guó)粉體網(wǎng)訊 3D打印技術(shù)于上世紀(jì) 80 年代誕生于美國(guó)，其突破了傳統(tǒng)的加工模式，被認(rèn)為是近 20 年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。3D 打印技術(shù)是依據(jù) CAD 三維建模、通過材料的逐層疊加堆積直接獲得實(shí)體部件的技術(shù)，也被稱之為“增量技術(shù)”、“堆積技術(shù)”等 。
與傳統(tǒng)的陶瓷制造技術(shù)相比，陶瓷 3D 打印技術(shù)不依賴復(fù)雜模具和機(jī)械加工，并可根據(jù)材料不同的性能要求，能夠開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的陶瓷骨架，會(huì)大大拓寬陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。
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主要陶瓷 3D 打印技術(shù)盤點(diǎn)
目前已經(jīng)商業(yè)化的 3D 打印技術(shù)多達(dá)幾十種，比較常見的有激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）、三維打印技術(shù)（3DP）和噴墨打印技術(shù)（IJP）等。
1、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）主要通過壓輥、激光器、工作臺(tái)3個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來實(shí)現(xiàn)。其具體原理是通過壓輥將粉末鋪在工作臺(tái)上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺(tái)下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復(fù)操作同一步驟，最后打印成品。
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。由于成型過程中需要激光的引入，粉末需要預(yù)熱和冷卻，成型周期較長(zhǎng)，后續(xù)處理工藝復(fù)雜。同時(shí)由于所采用的原料粉需要能在激光作用下粘結(jié)并且高溫完全燒成，因而能夠制備的產(chǎn)品種類有限。
2、熔融沉積成型技術(shù)
熔融沉積成型技術(shù)的原料是熱熔性陶瓷材料，多數(shù)被制作成便于存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)慕z狀。熔融沉積打印設(shè)備主要是由配合送料輥、導(dǎo)套和噴頭三個(gè)部分組成的。開始時(shí)，熱熔絲狀材料通過送料輥，在從動(dòng)輥與主動(dòng)輥的共同運(yùn)作下進(jìn)入導(dǎo)向套，導(dǎo)套的摩擦系數(shù)較低，使絲狀物料準(zhǔn)確、連續(xù)地進(jìn)入噴嘴。物料在噴頭內(nèi)受熱熔化，根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字模型進(jìn)行打印。
熔融沉積成型技術(shù)不需要激光技術(shù)的幫助，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是打印過程需要支撐結(jié)構(gòu)，在堆積打印的過程中，隨高度增加，上部分質(zhì)量增加，下部材料強(qiáng)度不足以支撐和固定上部材料。
3、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）
分層實(shí)體制造是利用激光切割陶瓷薄膜片材，采用背面涂有熱熔膠的薄膜片材為原料，層與層間依靠加熱和加壓粘結(jié)，各層形狀累積疊加起來成為實(shí)體件。熱熔膠里含有樹脂，有機(jī)粘結(jié)劑等，通過熱熔膠機(jī)送到被粘合物表面，熱熔膠冷卻后即完成了粘合。分層實(shí)體制造技術(shù)利用陶瓷薄片的切割累加成型，是直接由面到體的成型方式，省略了其他技術(shù)由點(diǎn)到線、由線及面的加工過程，這是分層實(shí)體制造技術(shù)與其他3D打印技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)。
4、三維打印技術(shù)（3DP）
三維打印技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制精密噴頭先將粘結(jié)劑溶液按照零件界面形狀噴射在鋪平的陶瓷粉末上，再將粉末粘結(jié)在一起形成零件輪廓，如此層層堆積，最后進(jìn)行后期處理得到所需零部件。
三維打印技術(shù)成型原理簡(jiǎn)單，能適應(yīng)打印多種陶瓷材料，如氧化鋯陶瓷、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等。
5、噴墨打印技術(shù)（IJP）
噴墨打印技術(shù)是從三維打印成型技術(shù)發(fā)展而來，該技術(shù)將陶瓷粉體與各種有機(jī)物和溶劑配制成陶瓷墨水，通過計(jì)算機(jī)指令將陶瓷墨水逐層噴打到平臺(tái)上，形成所需形狀和尺寸的陶瓷坯體。陶瓷墨水的配制是噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵，要求陶瓷粉體在墨水中具有良好的均勻分散度，合適的表面張力、黏度及電導(dǎo)率，較快的干燥速率和較高的固相含量。
陶瓷3D打印市場(chǎng)及發(fā)展前景
據(jù)相關(guān)研究報(bào)告《2020年陶瓷增材制造》預(yù)測(cè)，隨著3D打印技術(shù)及材料的相繼成熟，3D打印市場(chǎng)將在2025年進(jìn)入拐點(diǎn)，之后會(huì)迅速發(fā)展，到2030年，包括所有硬件、材料和相關(guān)零件收入，陶瓷的3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到31億美元。整個(gè)陶瓷市場(chǎng)，包括所有與傳統(tǒng)陶瓷（砂和水泥）相關(guān)的收入，到同年可能達(dá)到48億美元，這將是一個(gè)非常龐大的市場(chǎng)。
總的來說，陶瓷3D技術(shù)與傳統(tǒng)陶瓷成型方式相比具有無需模具、縮短制備周期、且在結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)上更加靈活等優(yōu)點(diǎn)。但是陶瓷3D打印技術(shù)的研究與應(yīng)用總體還不夠成熟，在材料和設(shè)備性能等方面都有提升的空間和很多需要迫切解決的問題。
此外，該領(lǐng)域也缺乏訓(xùn)練有素的專業(yè)人員和工程師，更缺乏該領(lǐng)域相關(guān)的課程和人才培養(yǎng)方式。不過市場(chǎng)激發(fā)需求，陶瓷3D打印制造商、供應(yīng)商和陶瓷產(chǎn)品的終端用戶的需求將快速推動(dòng)人才培養(yǎng)的完善。
為給3D打印企業(yè)資源有效整合、實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”緊密結(jié)合提供一個(gè)良好的交流平臺(tái)，中國(guó)粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將于2021年5月18日舉辦“2021首屆3D打印粉體材料制備及檢測(cè)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”。來自深圳大學(xué)的陳張偉教授將走進(jìn)本次粉體公開課的直播間，給大家?guī)眍}為《陶瓷增材制造與應(yīng)用》的報(bào)告。屆時(shí)，陳張偉教授向大家詳解各種陶瓷3D打印技術(shù)，同時(shí)對(duì)深圳大學(xué)在陶瓷3D打印研究與應(yīng)用的相關(guān)案例進(jìn)行詳細(xì)分析。
專家介紹：
陳張偉，深圳大學(xué)教授、增材制造研究所執(zhí)行所長(zhǎng)、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院博士、博士后、帝國(guó)理工校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金獲得者，帝國(guó)理工年度唯一John Kilner Prize優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)獲得者，2020年度中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)特陶分會(huì)“特陶優(yōu)秀青年”獎(jiǎng)獲得者。至今從事高性能材料增材制造與創(chuàng)新應(yīng)用研究10余年。受邀擔(dān)任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)分會(huì)理事、特陶分會(huì)青年委員、中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)激光應(yīng)用分會(huì)青年委員等，擔(dān)任包括SCI收錄的中科院2區(qū)期刊《Journal of Advanced Ceramics》、EI期刊《材料工程》等7家中英文期刊編委。作為發(fā)起人并任主席組織承辦《首屆全國(guó)陶瓷增材制造創(chuàng)新論壇》。受邀擔(dān)任國(guó)內(nèi)外重要陶瓷增材制造會(huì)議共同發(fā)起人和共同主席等多次，并做特邀報(bào)告10余次。受邀擔(dān)任三十余本SCI期刊審稿人，以及國(guó)家自然科學(xué)基金、新加坡A STAR政府項(xiàng)目、新西蘭政府項(xiàng)目和廣東、北京、深圳等多個(gè)省市項(xiàng)目評(píng)審專家。2017年以來主持和參與陶瓷增材制造相關(guān)國(guó)家省市級(jí)項(xiàng)目近20項(xiàng)，并與華為等知名企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作，累計(jì)經(jīng)費(fèi)1000余萬元。在Acta Materialia、Additive Manufacturing、Virtual and Rapid Prototyping、Materials Research Letters、Journal of the European Ceramic Society、Ceramics International等頂級(jí)期刊發(fā)表高水平論文近60篇，包括中科院大一區(qū)論文20余篇，入選ESI高被引和熱點(diǎn)論文1篇，特色論文和封面論文各1篇，單篇最高SCI被引超200次。申請(qǐng)和授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng)。研究成果獲得央媒《科技日?qǐng)?bào)》的長(zhǎng)篇專訪報(bào)道以及新華網(wǎng)、人民網(wǎng)、環(huán)球網(wǎng)等媒體平臺(tái)轉(zhuǎn)載報(bào)道。
參考來源：
[1]邸浩翔等.3D打印陶瓷技術(shù)的研究進(jìn)展
[2]李伶等.陶瓷部件 3D 打印技術(shù)的研究進(jìn)展
[3]宋發(fā)成等.3D打印技術(shù)在陶瓷制造中的應(yīng)用
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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