中國粉體網訊 陶瓷材料具有優良高溫性能、高強度、高硬度、低密度、好的化學穩定性，在航天航空、汽車、生物等行業得到廣泛應用，而陶瓷難以成型的特點又限制了它的使用，尤其是復雜陶瓷制件的成型均借助于復雜模具來實現。3D打印的出現為陶瓷制件成型提供了新的途徑。3D打印，又名增材制造，是一種以數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。
圖片來源：中國粉體網
陶瓷3D打印的技術分析
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、燒結等工藝過程。利用3D打印技術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、陶瓷前驅體等，其打印技術主要有噴墨打印技術（IJP）、熔化沉積成形技術（FDM/FDC）、光固化成形技術（SLA/DLP）、分層實體制造技術（LOM）、激光選區熔化技術/激光選區燒結技術（SLM/SLS）、三維打印成形技術（3DP）、漿料直寫成形技術（DIW）等。
其中IJP技術原理簡單，打印頭成本低，易產業化，但是墨水配制需要求粉末粒徑均勻，不發生凝聚，流動性好，高溫化學性能穩定，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構。
3DP技術能夠大規模成形出陶瓷部件，成本較低，但粘結劑強度導致部件強度有限，難以制備機械性能優良的陶瓷部件。
與SLA技術相比，DIW技術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定的陶瓷懸浮液，燒結后可獲得高致密化燒結體，但是水基陶瓷懸浮液穩定性差，保存周期短，有機物基陶瓷料漿穩定性高，但增加低溫排膠過程，提高了制造成本。
SLS技術無需支撐就可制備復雜陶瓷零件，但因受粘結劑鋪設密度限制，導致陶瓷制品密度不高。
SLA技術成形精度極高，可制備極其復雜幾何形狀的零件，得到的陶瓷件燒結后密度高，性能優異，但需設置支撐結構，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。
LOM成形速率高，無需設計支撐，但后處理工序繁瑣，成形坯體各向機械性能差別大。
不同3D打印成形方法各有利弊，在實際生產制備過程中需平衡周期、經濟成本、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打印陶瓷材料國內外研究現狀
在國外，3D陶瓷打印已經發展了相當長的一段時間，在工藝技術等方面的研究與產業進展十分迅速。
2012年10月，土耳其伊斯坦布爾的Unfold設計室科研人員利用其自行研發的3D打印設備成功打印出造型各異的日用陶瓷制品，有些產品經表面上釉并燒制后，質量很好。
奧地利的3D打印公司Lithoz開發了基于光刻的陶瓷制造技術（LCM）。借助LCM技術開發的最新型3D打印機CeraFab7500能夠打印高精確度、高密度、高強度的陶瓷，材質包括氧化鋁、氧化鋯等，成為陶瓷材料3D打印的領導者。
波蘭的Ｔytan3D開發團隊成員成功研發了可以自由選擇打印材料的Ｄelta3D打印機。打印機采用鋁質框架，所有的機械元件都是專業級零件，電機和電子控制系統安裝于打印機上方。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材料。
國內的研究領域更多以高校為發源地，如：西北工業大學以硅粉為原料，糊精為粘結劑，采用3D打印技術制備出多孔硅坯體，通過反應燒結得到高孔隙率的螺釘、螺母等氮化硅陶瓷部件。西安交通大學進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打印技術成功進行了陶瓷零件的制備。2013年，我國華中科技大學研制出全球最大的“3D打印機”，可以用于1.2ｍ×1.2ｍ零件的加工，其加工技術處于國際領先水平。
目前，雖然3D打印陶瓷市場發展前景較好，但在我國處于起步階段，原創技術缺乏、產業規模小、產業鏈不健全等因素制約了國內3D打印陶瓷市場的進一步發展，在技術與設備上還不如一些發達國家。但是國內的企業與高校正在積極地研制適用于3D陶瓷打印機和打印的專用原料，在向國內外客戶提供服務的同時，自身也取得飛速的發展。2021年8月6日上午10點，中國粉體網旗下粉體公開課平臺邀請到中國科學院福建物質結構研究所高級工程師王劍磊作《陶瓷3D打印的技術發展及其應用》報告。報告將主要闡述3D打印的技術發展和陶瓷3D打印的關鍵技術特點，為3D打印陶瓷的應用提供了新的思路。
專家介紹
王劍磊，1989年5月生，博士，高級工程師，碩士生導師。2011年于華東理工大學獲學士學位；2014年于華東理工大學獲碩士學位；2018年于中國科學院福建物質結構研究所獲博士學位，同年評上副高和碩導。主要從事高分子材料和纖維增強復合材料的開發。在3D打印方面，以第一作者或通訊作者發表13篇SCI學術論文，以第一發明人申請中國發明專利30項，授權9項。在復合材料方面，開發建筑模板用纖維增強復合材料和動力電池箱體用SMC復合材料，在福建海源新材料科技有限公司得到應用，已完成產業化投產并已經實現創收。主持5項福建省科技廳、發改委、工信廳項目和多項企業橫向合作項目。
參考來源：
【1】張文毓.3D打印陶瓷材料的研究與應用.陶瓷.2020.
【2】孫志雨，等.金屬/陶瓷粉末3D打印技術及其應用.精密成形工程.2018.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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