中國粉體網訊 陶瓷作為一種結構材料，因具有高的彎曲強度、良好的蠕變性能、高硬度和耐高溫等特點而廣泛應用在航空航天、工業制造和生物醫療等方面。然而，采用傳統方法制備的陶瓷，普遍存在加工困難，難以制備復雜形狀制品的問題。新興的3D打印技術在高性能陶瓷的成型制造領域具有巨大的發展潛力，有望突破傳統陶瓷加工和生產的技術瓶頸，為陶瓷關鍵零部件的應用開辟新的途徑，為解決傳統制造問題和挑戰提供了全新的可能性。
圖片來源：十維科技
1、陶瓷3D打印技術
3D打印技術（又稱增材制造）的出現突破了傳統制造技術的約束，為實現復雜結構件制造提供了一種可能。相對于傳統的減材、等材制造方式，增材制造技術具有不增加成本，無需模具，就可制備出異形產品的特點。其最大的優勢是能制備出傳統加工方式無法制備的復雜結構，實現材料的結構化設計，從而高效實現材料與結構的一體化、結構與功能的一體化。
陶瓷3D打印技術是一種通過離散材料逐層制造并疊加得到三維復雜結構陶瓷零件的先進制造技術，具有材料利用率高、制造靈活性強、數字化程度高等優勢，適用于小批量、復雜結構的陶瓷零件制造。
3D打印復雜陶瓷結構（圖片來源：硅酸鹽學報）
2、主流的陶瓷3D打印技術
目前主流的陶瓷3D打印技術有：熔融沉積成型技術（FDM）、光固化3D打印技術（SLA）、墨水直寫成型（DIW）、粉末床激光燒結（SLS）等。
1.1熔融沉積成型技術（FDM）
FDM技術是采用混有陶瓷粉末的噴絲作為原材料，使用高分子熔點以上的溫度將噴絲中的高分子材料融化后擠出噴嘴，擠出后的陶瓷高分子復合材料冷卻固化。
FDM技術設備原料成本低、材料利用率高、可選材料豐富，但精度較低，難以構建結構復雜的構件、與截面垂直的方向強度低且成型速度較慢。
1.2光固化3D打印技術（SLA）
光固化3D打印技術被認為是最著名和最受歡迎的3D打印技術，并已在全球廣泛使用，是將陶瓷粉體與光敏樹脂及其他添加劑混合成光敏陶瓷漿料，紫外光在程序控制下逐點掃描漿料引發光敏樹脂交聯，使得漿料固化成型。漿料固化一層，成型臺下降一定高度以補充漿料，新一層漿料在紫外光作用下繼續固化。陶瓷漿料逐層固化得到陶瓷生坯，經脫脂和燒結處理后得到陶瓷材料。
SLA技術具有成型速率快、制品表面質量好、尺寸精度高等優勢。與其他技術相比，SLA技術適合制備高精度、形狀復雜的小型零件。該技術不限陶瓷基材（氧化鋁、氧化鋯、磷酸鈣等），致密度可高達96%以上。
1.3墨水直寫成型（DIW）
墨水直寫成型(DIW)是指在程序控制下，將陶瓷粉末與各種有機物混合，制成陶瓷墨水，然后通過打印機將其打印到成形平面上形成陶瓷坯體。
陶瓷墨水的配置是關鍵，要求陶瓷粉體在墨水中能夠良好均勻地分散，并具有合適的粘度、表面張力及電導率，以及較快的干燥速率和盡可能高的固相含量。DIW技術需要在高溫爐中進行脫脂和燒結，具有成型速度快、可成型原料廣等優點，在制備深色陶瓷制品方面有很大優勢，但是制品表面精度差、致密度低。
1.4選區激光燒結技術（SLS）
選區激光燒結技術(SLS)是將陶瓷粉體和其它低熔點粉體鋪在粉床上，在程序控制下激光按照設定路徑移動。低熔點粉體在激光作用下熔化并將陶瓷粉體連接，完成一層后，成型臺下降一定高度，經過逐層堆積最終得到三維實體。
SLS具有成型速率快、可成型尺寸跨度大等優勢，但由于有機高分子粘結劑含量較高，因而所得坯體密度較低，疏松多孔，故通常需進行后續處理提高致密度，如等靜壓處理、浸滲技術。
3、3D打印用陶瓷材料
目前已經開發出的可用于3D打印的陶瓷材料主要包括以下幾種：
♦氧化鋁陶瓷：目前應用最為廣泛的工業陶瓷，其耐受的溫度高達1700℃，并且在高溫下性能依然良好。在陶瓷３Ｄ打印材料的技術中，采用改性得到的陶瓷粉末材料進行３Ｄ打印，生產時間短、成本低、加工方便、可操作性強，因此氧化鋁陶瓷３Ｄ打印材料廣泛地應用在建筑、航空航天和電子產品等領域。
♦氧化鋯陶瓷：有相變增韌和微裂紋增韌，所以有很高的強度和韌性，被譽為“陶瓷鋼”，高硬度、高強度和高韌性就保證了氧化鋯陶瓷比其它結構陶瓷具有不可比擬的耐磨性；同時經過打磨的氧化鋯陶瓷有著類似金屬的光澤，并且可以調配不同的色彩，因此在珠寶奢侈品領域深受歡迎。
♦碳化硅陶瓷：碳化硅（SiC）陶瓷具有高的抗彎強度、優良的抗氧化性與耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦因數等高溫力學性能。SiC陶瓷在已知陶瓷材料中具有最佳的高溫力學性能（強度、抗蠕變性等），其抗氧化性在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。
♦多孔氮化硅陶瓷：多孔氮化硅陶瓷（Si3N4）結合了多孔陶瓷和Si3N4陶瓷兩者的優點，熱導率好、透過性均勻、物理化學性能穩定。在3Ｄ打印多孔氮化硅陶瓷方面，西北工業大學的翁作海等以粒徑為7.2μｍ的高純硅粉為原料，糊精為粘結劑，采用造粒手段制備了粒徑小于200μｍ的Si3N4粉料。
♦碳硅化鈦陶瓷：碳硅化鈦陶瓷（Ti3SiC2）具有層狀的六方晶體結構，在生物、醫療等方面有著廣泛的應用。利用３Ｄ打印技術制備Ti3SiC2陶瓷則可以完全克服成本高、耗時長、靈活性差的缺點。
4、陶瓷3D打印現狀與發展特點
相關媒體針對96家陶瓷3D打印企業做了市場調研，調查結果顯示，陶瓷3D打印市場在2020年產生的大約1.54億美元（約9.93億人民幣）收益，通過專有預測模型，集成了多個影響系數，預計陶瓷3D打印市場將從2020年的1.54億美元增長到2030年的超過34億美元（約219億人民幣）。
♦工業級陶瓷3D打印技術和設備門檻較高，成本較高，需要從原材料燒結后處理等多方面研究；
♦打印效率需要進一步提升，生產流程往簡單化、自動一體化發展；
♦光固化3D打印技術是目前較優的陶瓷打印技術，具有良好的成型效果；
♦目前，3D打印陶瓷制品還存在表面質量不夠理想、精度較低等問題，可以從材料成型理化規律入手，研究更多新型陶瓷3D打印技術；
♦針對新型應用，要研發更多高性能陶瓷材料。
5、小結
目前，陶瓷3D打印技術及其應用已受到了科研院所和產業界的廣泛關注，發展迅速，涉及諸多陶瓷材料體系和應用領域。新興的3D打印在高性能陶瓷的成型制造領域具有巨大的發展潛力，3D打印有望突破傳統陶瓷加工和生產的技術瓶頸，3D打印為陶瓷關鍵零部件的應用開辟新的途徑，為解決傳統制造問題和挑戰提供了全新3D打印的可能性。
參考來源：
【1】 南極熊3D打印.
【2】 吳甲民.方興未艾的陶瓷增材制造.2021.
【3】 王志永，等.陶瓷增材制造的研究現狀與發展趨勢.真空.2020.
【4】 殷德政，等.基于增材制造的陶瓷材料點陣結構研究現狀與挑戰.硅酸鹽學報.2021.
【5】王劍磊.陶瓷3D打印的技術發展及其應用.中國粉體網.2021.
【6】十維科技官網.
【7】張文毓.3D打印陶瓷材料的研究與應用.陶瓷.2020.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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