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陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及水平分析之——陶瓷3D打印技術(shù)綜合對(duì)比和發(fā)展前景

升華三維 2022-12-03 | 閱讀：3010

十,、陶瓷3D打印技術(shù)綜合分析

通過調(diào)研分析,，發(fā)現(xiàn)SLA（光固化）和DLP（數(shù)字光處理）有很多相似之處,，其工作原理也是利用液態(tài)光敏聚合物在光照下固化的特征,。具有成型速度快,、自動(dòng)化程度高,、尺寸精度高,、表面質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),，是當(dāng)前主流的陶瓷3D打印工藝。但如碳化硅,、氮化硅材料的顏色通常為灰色或深色,，具有高吸光度和高折射率，限制了漿料的固化厚度,、固含量等參數(shù),。而且精度高的設(shè)備和樹脂材料比較昂貴。

▲氧化鋁陶瓷樣件（圖片來源：中科院沈陽自動(dòng)化所）

SLS（激光選區(qū)燒結(jié)）能夠在無需額外設(shè)計(jì)支撐的條件下實(shí)現(xiàn)陶瓷件的制備,。而陶瓷3D打印與金屬打印不同的是,，陶瓷材料不能通過激光加熱陶瓷粉末直接打印。直接SLS激光燒結(jié)后,，陶瓷粉末只是形成了具有所要求形狀的零件坯體,，其強(qiáng)度較低,，內(nèi)部組織和性能也不均勻，而且在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋,，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差,。還需再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)等后處理工藝，才能得到可以實(shí)際應(yīng)用的陶瓷件,。

▲Al2O3和SiC陶瓷樣件（圖片來源：3ders）

3DP（三維打?。┕に嚳梢钥焖俅蛴?fù)雜形狀，同時(shí)保持打印精度,，而且無需激光器等高成本元器件,，投入成本較低。然而該工藝限制了粉末的填充密度,，導(dǎo)致材料體積分?jǐn)?shù)受限,。產(chǎn)品力學(xué)性能差，強(qiáng)度,、韌性相對(duì)較低,，通常只能做樣品展示，無法適用于功能性試驗(yàn),。

▲3dp-ceramics（圖片來源：Engineers rule）

IJP（噴墨打?。┘夹g(shù)是將陶瓷粉末與各種有機(jī)物混合，制成陶瓷墨水,，然后通過打印機(jī)將其打印到成形平面上形成陶瓷坯體,。目前，該技術(shù)的難點(diǎn)是墨水中的固相含量太低,，這會(huì)導(dǎo)致陶瓷坯體致密度較低,。打印要求漿料均勻、穩(wěn)定,、剪切稀化,、不結(jié)塊。同時(shí),，還需要具有快速固化能力,，特別是對(duì)于無支撐的斜面印刷，與上述SLA和SLS相比,，分辨率一直是一個(gè)問題。并且無法制備具有內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)品,。

▲墨水直寫3D打印過程示意圖（圖片來源：U.S. LawrenceLivermore National Laboratory）

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),，上述3D打印技術(shù)在制備陶瓷件都存在一定的不足。而（粉末擠出打?。┘夹g(shù)是在(FDM)熔融沉積成型技術(shù)的基礎(chǔ)上,，結(jié)合粉末冶金工藝形成的一種3D打印方法,。采用陶瓷粉體加粘結(jié)劑混煉成顆粒材料，然后通過擠出機(jī)構(gòu)3D打印制備出具有一定密度和強(qiáng)度的生坯,，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)后處理工藝,，獲得最終致密的陶瓷件。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,，目前該工藝制備的陶瓷件密度可達(dá)到相應(yīng)材料密度的最高理論值,，以下為不同陶瓷打印材料及產(chǎn)品性能對(duì)照表：

▲不同陶瓷打印材料產(chǎn)品性能表（來源：升華三維）

PEP技術(shù)成形工藝簡單，無需激光器件,，打印設(shè)備,、材料投入成本較低；具有低溫成形,、高溫成性的特性,，在打印過程中可以通過溫控消除應(yīng)力，打印樣品在常溫下強(qiáng)度大,；可打印粉體,，打印材料制備方便，適用于粉末冶金所用的粉末材料,；可實(shí)現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)陶瓷,、內(nèi)部多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用開發(fā)；打印材料可循環(huán)利用,，綠色環(huán)保,。

而且升華三維是目前國內(nèi)為數(shù)不多的具備陶瓷材料開發(fā)制備、陶瓷3D打印設(shè)備研發(fā)生產(chǎn),、切片軟件開發(fā),，到3D打印、脫脂,、燒結(jié)等一整套陶瓷間接3D打印工藝解決方案的供應(yīng)商,。

十一、陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

陶瓷3D打印有諸多優(yōu)點(diǎn),，例如：復(fù)雜的生產(chǎn)程序變得簡單化,，極大減少了人力和物力的投入，縮短了產(chǎn)品制造的時(shí)間,，節(jié)約了材料,，降低了成本，解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件難以加工的問題,。目前,，陶瓷3D打印的市場(chǎng)需求主要包括以下3個(gè)方面：

(1)與傳統(tǒng)陶瓷工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的快速生產(chǎn),。一般陶瓷制品如日用陶瓷產(chǎn)業(yè),，須應(yīng)對(duì)多樣化的市場(chǎng)需求,，應(yīng)加快產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)速度,，滿足客戶的定制要求,。傳統(tǒng)陶瓷制造工藝周期長，后期再加工工藝繁瑣,，且在制作特殊形狀制品時(shí)需要不同的模具,，無法同時(shí)滿足定制客戶對(duì)于時(shí)間及式樣的雙重需求。陶瓷3D打印滿足市場(chǎng)發(fā)展需要,，有望在陶瓷工業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型中脫穎而出,。

(2)生物陶瓷制品的制造。生物陶瓷主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面,，生物陶瓷特有的可降解性使其主要應(yīng)用于醫(yī)用支架等,。生物陶瓷3D打印將帶動(dòng)高端醫(yī)療領(lǐng)域的突破發(fā)展。

(3)高性能陶瓷功能零件,。陶瓷具有優(yōu)良的化學(xué)性能,、物理性能和力學(xué)性能，例如高強(qiáng)度,、高硬度,、耐磨、耐高溫,、耐腐蝕,、防潮、良好的絕緣性,、一定的抗急冷急熱等,。高性能陶瓷零件在航空航天、高端武器,、船舶,、汽車、電子等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,，如可在航天飛機(jī)上應(yīng)用的耐高溫陶瓷片等,，陶瓷3D打印技術(shù)的應(yīng)用將使陶瓷零件在高精尖領(lǐng)域具有極大的發(fā)展前景。

▲特種陶瓷渦輪葉片,、天線罩等（來源：升華三維）

目前,，陶瓷3D打印技術(shù)、陶瓷3D打印設(shè)備,、材料的研究及其應(yīng)用已受到了國內(nèi)外學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,，發(fā)展迅速，涉及諸多陶瓷材料體系和應(yīng)用領(lǐng)域。新興的3D打印在高性能陶瓷的成型制造領(lǐng)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(shù)瓶頸,，3D打印為陶瓷關(guān)鍵零部件的應(yīng)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,。

同時(shí),，陶瓷3D打印的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還未全面成型，比如在實(shí)現(xiàn)其高效率,、高品質(zhì)和高致密度的大型復(fù)雜零件的制造也是亟待解決的問題,。近年來我國對(duì)增材制造的發(fā)展愈加重視，實(shí)現(xiàn)陶瓷3D打印開展大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將是我國乃至世界的發(fā)展目標(biāo),。

十二,、陶瓷3D打印的發(fā)展前景

3D打印陶瓷市場(chǎng)當(dāng)前最大的客戶群體來源都來自航空航天和國防高新技術(shù)行業(yè)，兩者均對(duì)陶瓷制品（例如航天器的隔熱瓦）有著大量的需求,；其次就是生物健康醫(yī)療領(lǐng)域,，這個(gè)領(lǐng)域陶瓷多被應(yīng)用于制造像假牙、手術(shù)器械,、人體假肢,、植入體等醫(yī)療產(chǎn)品，因?yàn)橥ㄟ^3D打印技術(shù)可以準(zhǔn)確地為患者定制符合自身人體構(gòu)造的醫(yī)療用品,，生物兼容性非常好,。

▲陶瓷隔熱瓦（來源：美國X-37B飛機(jī)）

由于3D打印的陶瓷漿料制備難度較大，陶瓷粉體與結(jié)合劑的比例,、pH值,、顆粒尺度和漿料的流變性等都對(duì)陶瓷制品的性能有著很大的影響，因此陶瓷3D打印技術(shù)的應(yīng)用成熟度還需進(jìn)行有效提升,。陶瓷3D打印技術(shù)有著傳統(tǒng)技術(shù)所無可替代的優(yōu)勢(shì),，相信隨著該技術(shù)的不斷提升，3D打印技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越深入與廣泛,。