中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷作為一種結(jié)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(yè)制造和生物醫(yī)療等方面,。然而，采用傳統(tǒng)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(fā)展?jié)摿�,，有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產(chǎn)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(tǒng)制造問題和挑戰(zhàn)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(xiàn)突破了傳統(tǒng)制造技術的約束，為實現(xiàn)復雜結(jié)構件制造提供了一種可能,。相對于傳統(tǒng)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(chǎn)品的特點。其最大的優(yōu)勢是能制備出傳統(tǒng)加工方式無法制備的復雜結(jié)構,，實現(xiàn)材料的結(jié)構化設計,，從而高效實現(xiàn)材料與結(jié)構的一體化、結(jié)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(jié)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(shù)字化程度高等優(yōu)勢,，適用于小批量、復雜結(jié)構的陶瓷零件制造,。
3D打印復雜陶瓷結(jié)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(jié)（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(jié)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(fā)光敏樹脂交聯(lián),，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(xù)固化,。陶瓷漿料逐層固化得到陶瓷生坯，經(jīng)脫脂和燒結(jié)處理后得到陶瓷材料,。
SLA技術具有成型速率快,、制品表面質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)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(jié),，具有成型速度快、可成型原料廣等優(yōu)點,，在制備深色陶瓷制品方面有很大優(yōu)勢,，但是制品表面精度差、致密度低,。
1.4選區(qū)激光燒結(jié)技術（SLS）
選區(qū)激光燒結(jié)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(jīng)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(yōu)勢，但由于有機高分子粘結(jié)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(xù)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(jīng)開發(fā)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(yè)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(chǎn)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(chǎn)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(jié)構陶瓷具有不可比擬的耐磨性,；同時經(jīng)過打磨的氧化鋯陶瓷有著類似金屬的光澤,，并且可以調(diào)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(yōu)良的抗氧化性與耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦因數(shù)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(jié)合了多孔陶瓷和Si3N4陶瓷兩者的優(yōu)點，熱導率好,、透過性均勻,、物理化學性能穩(wěn)定。在3Ｄ打印多孔氮化硅陶瓷方面,，西北工業(yè)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(jié)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(jié)構,，在生物、醫(yī)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(xiàn)狀與發(fā)展特點
相關媒體針對96家陶瓷3D打印企業(yè)做了市場調(diào)研，調(diào)查結(jié)果顯示,，陶瓷3D打印市場在2020年產(chǎn)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(shù),，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(yè)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(jié)后處理等多方面研究,；
♦打印效率需要進一步提升，生產(chǎn)流程往簡單化,、自動一體化發(fā)展,；
♦光固化3D打印技術是目前較優(yōu)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(zhì)量不夠理想,、精度較低等問題，可以從材料成型理化規(guī)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(fā)更多高性能陶瓷材料,。
5,、小結(jié)
目前，陶瓷3D打印技術及其應用已受到了科研院所和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注,，發(fā)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(fā)展?jié)摿Γ?D打印有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產(chǎn)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(tǒng)制造問題和挑戰(zhàn)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(xiàn)狀與發(fā)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(jié)構研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn).硅酸鹽學報.2021.
【5】王劍磊.陶瓷3D打印的技術發(fā)展及其應用.中國粉體網(wǎng).2021.
【6】十維科技官網(wǎng).
【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(wǎng)編輯整理/星耀）
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