陶瓷3D打印模型設(shè)計(jì)技術(shù)回顧與展望

彭子鈞 ，羅旭東 ,，謝志鵬

(1.遼寧科技大學(xué) 高溫材料與鎂資源工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.清華大學(xué) 材料學(xué)院新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引 言

先進(jìn)陶瓷的設(shè)計(jì)和開發(fā)最早從汽車領(lǐng)域開始，并逐漸向高性能領(lǐng)域發(fā)展?，F(xiàn)階段先進(jìn)陶瓷在航空航天、國土防御、能源及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都得到了發(fā)展與應(yīng)用。陶瓷制品需經(jīng)過原料粉體處理、坯體制備成型、固體制品燒結(jié)和最終加工處理四個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中，陶瓷制品的成型是一個(gè)耗時(shí)且較為昂貴的過程。節(jié)約制備材料、縮短加工周期、降低制造成本及實(shí)現(xiàn)制品量產(chǎn)化是先進(jìn)陶瓷所面臨的問題。為解決先進(jìn)陶瓷面臨的問題，無模陶瓷成型制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

近年來，3D打印(也稱為增材制造(Additive Manufacturing，AM)或快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，RP) )作為一種無模成型技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。以逐層堆積或分層打印方式將3D模型通過可固化粘合的原料制備成型[1]。理論上，通過3D打印技術(shù)可將任意物品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。故3D打印技術(shù)被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一[2]。

3D打印發(fā)展可追溯至上世紀(jì)80年代。1986年3月11日，以立體光刻技術(shù)為基礎(chǔ)理論的3D打印技術(shù)的專利“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography”正式發(fā)布。隨著3D 打印技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，衍生出熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)和選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)成型技術(shù)[3]，為3D打印技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新奠定了理論基礎(chǔ)。此后，3D打印技術(shù)不斷更新、發(fā)展和應(yīng)用，在國防軍事、汽車制造、航天航空和機(jī)械加工等領(lǐng)域[4]以及生物工程方面均發(fā)揮著極大的作用[5]。

相比于傳統(tǒng)的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)具有高效率、制造快、無?；涂蓮?fù)雜化等優(yōu)勢[6-7]。3D打印技術(shù)成型工藝多種多樣，其不同點(diǎn)在于將每一層材料制備成整體部件的方式技術(shù)不同[8]。常見的陶瓷3D打印技術(shù)成型工藝有：熔融沉積成型、激光選區(qū)燒結(jié)成型、光固化的立體光刻成型、三維打印成型、噴墨打印成型技術(shù)、熱壓分層實(shí)體成型等工藝[9-10]。但是無論哪種3D打印成型技術(shù)都需要依賴可以成功打印的3D模型。設(shè)計(jì)符合成型技術(shù)的3D模型是能否成功打印的重要一環(huán)。所以在打印之前必須了解每一種陶瓷3D打印成型技術(shù)的原理、特點(diǎn)及注意事項(xiàng)，設(shè)計(jì)出符合所使用的成型工藝的3D模型。

本文主要闡述現(xiàn)階段幾種常見的陶瓷3D打印技術(shù)的成型工藝的原理和特點(diǎn)，并針對不同的成型工藝下陶瓷3D模型的建立進(jìn)行了綜述。

1 常見陶瓷3D打印成型技術(shù)及3D模型建立介紹

3D模型建立軟件常用maya和3dsmax。設(shè)計(jì)的3D模型都需要轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)通用的stl文件格式[11-13]。然而，并非所有的3D模型都能成功地被打印出來。由于陶瓷3D打印成型技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，所以對陶瓷3D模型的建立需要有新的要求并且不斷優(yōu)化[14]。以下結(jié)合不同成型工藝介紹建立3D模型的設(shè)計(jì)要求。

1.1 陶瓷熔融沉積成型技術(shù)及其模型設(shè)計(jì)

陶瓷熔融沉積成型技術(shù)(簡稱FDC)于1995年首次提到[15]，該技術(shù)是以熔融堆積成型技術(shù)為基礎(chǔ)。在20世紀(jì)90年代美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室和Rutgers大學(xué)首次將陶瓷材料與計(jì)算機(jī)融合并在機(jī)械裝置內(nèi)進(jìn)行沉積打印。與傳統(tǒng)的熔融沉積成形相比，陶瓷熔融沉積成型技術(shù)的特點(diǎn)是將陶瓷粉體摻入有機(jī)結(jié)合劑中，并加入無定性基料結(jié)合劑，將復(fù)合材料放入擠出機(jī)中在稍高于其熔點(diǎn)的溫度下熔化，通過計(jì)算機(jī)控制制備陶瓷生坯。通過脫脂處理后，在適宜的高溫條件下燒制成部件。適用于FDC工藝的材料須具備一定的熱性能和機(jī)械性能。現(xiàn)階段可以進(jìn)行小規(guī)模訂購生產(chǎn)，如過濾器、小型精密實(shí)驗(yàn)儀器、催化劑載體等。未來可向生物材料、光子帶隙結(jié)構(gòu)和電磁帶隙結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)展[16]。

陶瓷熔融沉積成型技術(shù)(FDC)的3D模型需設(shè)計(jì)注意模型不能過于小巧，內(nèi)部不能過于致密。一般可設(shè)計(jì)為高孔隙率、管狀支撐的多孔3D模型[17]。因?yàn)樵贔DM成型中，當(dāng)前打印層在其下面的打印層上堆積而成，同時(shí)前一層打印層對當(dāng)前打印層提供定位和支撐的作用。在建立模型時(shí)盡量減少懸空部位，若缺少有效支撐會(huì)導(dǎo)致打印失敗。由于該技術(shù)需要先加熱后冷卻成型，若3D模型設(shè)計(jì)過于小巧或設(shè)計(jì)成小巧的實(shí)心物體時(shí)，很容易出現(xiàn)前一層打印層未完全冷卻，但當(dāng)前打印層已經(jīng)打印上去的情況，由于當(dāng)前打印層為高溫層會(huì)使前一層打印層出現(xiàn)二次融化的現(xiàn)象，導(dǎo)致3D打印的制備發(fā)生變形導(dǎo)致打印失敗。因此FDM技術(shù)對3D模型設(shè)計(jì)的要求是模型需要有骨骼支架，同時(shí)模型不宜過于小巧、內(nèi)部不宜過于致密以便能正常打印。

1.2 陶瓷立體光刻成型技術(shù)及模型設(shè)計(jì)介紹

立體光刻(SLA)是基于用UV激光或另一類似電源固化光反應(yīng)樹脂的3D印刷技術(shù)，并且以其高精度和優(yōu)異的表面精加工而聞名[18-20]。陶瓷立體光刻(CSL)是一種擴(kuò)展的立體光刻方法。在直接CSL中，固化填充有大量陶瓷填料的光固化液體，并且將所得生坯體熱處理以產(chǎn)生用于所需陶瓷結(jié)構(gòu)的生坯體[21-25]。CSL自20世紀(jì)90年代面世以來已經(jīng)變得越來越重要。如今，CSL用于牙科和骨愈合應(yīng)用的醫(yī)學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、傳感器、壓電元件和光子晶體的微技術(shù)，并大規(guī)模應(yīng)用于渦輪葉片或機(jī)械耐用結(jié)構(gòu)中[25-30]。

在CSL領(lǐng)域的最新研究發(fā)現(xiàn)，光固化的生坯由諸如氦鎘氣體激光器，氬離子激光器或固態(tài)激光器的UV激光器形成。然而，Griffith和Halloran[31]證明當(dāng)應(yīng)用掩模在光固化液體上轉(zhuǎn)印所需圖案時(shí)，可以用LED或鹵素?zé)舸婕す馄鱗32-33,29]。與UV照射下的光固化活性相比，光固化液體的光固化活性(或量子產(chǎn)率)降低。

光固化和熱處理之后要求成品陶瓷結(jié)構(gòu)具有機(jī)械穩(wěn)定性，表面光滑并且與原始3D模型相匹配。故在3D模型的建立上要根據(jù)所制備的陶瓷產(chǎn)品的性能在參數(shù)上進(jìn)行一些縮放。多個(gè)固化的軌跡模型建立必須彼此重疊，以便在多個(gè)固化軌跡之間產(chǎn)生均勻的連接。橫向重疊稱為線寬補(bǔ)償，而垂直重疊確定固化結(jié)構(gòu)的層厚度。然而，在3D模型的建立上要考慮固化軌道輪廓對部件設(shè)計(jì)施加的影響。在3D模型建立時(shí)也要考慮固化層和固化結(jié)構(gòu)的光滑表面之間的互連，以便于二者達(dá)到最佳互聯(lián)效果[34]。

1.3 選擇性激光燒結(jié)(SLS)及模型設(shè)計(jì)介紹

選擇性激光燒結(jié)由Beaman[35]于20世紀(jì)80年代在德克薩斯大學(xué)發(fā)表專利。這是一種基于3D建模數(shù)據(jù)使用粉體床與激光束選擇性地熔合在一起的成型過程。將3D模型切成厚度通常在100 mm范圍內(nèi)的層，但也取決于所使用的材料及其與激光束的相互作用進(jìn)行逐層地構(gòu)建，制造非常復(fù)雜形狀的部件。第一個(gè)通過SLS生產(chǎn)的制造部件為塑料部件，理論上可以使用任何可獲得的粉末形式的材料。熱塑性材料和低熔點(diǎn)金屬由于其低熔點(diǎn)均可用于SLS技術(shù)。但將SLS技術(shù)應(yīng)用到高熔點(diǎn)的材料時(shí)還有一定難度，例如高熔點(diǎn)金屬和陶瓷。通常，這些材料的致密化是固態(tài)擴(kuò)散主導(dǎo)工藝，需要高溫和時(shí)間來實(shí)現(xiàn)致密化。另一個(gè)問題是在使用SLS期間由于加熱速率高和冷卻速率快而引起的熱應(yīng)力。由于陶瓷材料的耐熱沖擊性有限，故在SLS中的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)部件中的裂紋形成。Wilkes[36]發(fā)現(xiàn)粉末床預(yù)熱可以減少熱應(yīng)力，從而減少使用SLS生產(chǎn)的陶瓷部件中的裂紋形成。盡管激光與材料之間相互作用時(shí)間短，但在直接SLS致密化過程中仍存在諸多限制條件。

SLS是由激光與材料在短時(shí)間的相互作用，從而獲得制品。現(xiàn)階段通過提高粉末密度和液相輔助燒結(jié)法來提高制品的致密度。所以在建立3D模型的時(shí)應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以便保證其機(jī)械性能[37]。若是采用固態(tài)擴(kuò)散法進(jìn)行SLS時(shí)，由于其致密化程度不高，3D的外殼不易設(shè)計(jì)過薄以保證其強(qiáng)度便于打印成功。未來SLS領(lǐng)域的制品分辨率從約100微米增加到幾十微米，通常采用亞微米陶瓷粉末和近紅外激光器來完成[38]。所以未來3D模型設(shè)計(jì)需符合上述要求，便于部件可以吸收近紅外光譜實(shí)現(xiàn)成功打印。

1.4 三維打印及模型設(shè)計(jì)介紹

三維打印技術(shù)分為三維打印成型(簡稱為3DP)技術(shù)和噴墨打印成型(簡稱為 IJP)技術(shù)。三維打印成型(簡稱為3DP)以微滴噴射形式的制備部件，主要由美國麻省理工學(xué)院和Soligen公司開發(fā)。通過計(jì)算機(jī)輸出模型，將粉體通過結(jié)合劑層層堆積制備成型?，F(xiàn)階段適用于陶瓷、金屬、復(fù)合材料及高分子材料的成型。成型的陶瓷坯體以粉末狀結(jié)合，結(jié)構(gòu)較為松散，致密度較低難以直接燒結(jié)，需要進(jìn)行后續(xù)處理使其致密化燒結(jié)。

噴墨打印成型(簡稱為 IJP) 技術(shù)以三維打印成型技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來，該技術(shù)預(yù)先將陶瓷粉體與有機(jī)物溶劑配制成陶瓷漿料，通過計(jì)算機(jī)控制打印噴頭將陶瓷漿料逐層噴打到工作面上，制備成陶瓷坯體。目前，陶瓷漿料的配制是噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵，要求陶瓷粉體在漿料中具有良好的均勻分散度，合適的張力、黏度，以及快速干燥的能力。

3DP技術(shù)與IJP技術(shù)成型過程非常相似。3DP技術(shù)是由粉體層層堆積成最終產(chǎn)物，而IJP技術(shù)是以陶瓷漿料逐層打印層層堆積為主。由于部件都是一層一層建造出來，故部件很容易產(chǎn)生空洞和懸臂結(jié)構(gòu)。因此在建立3D模型時(shí)必須要有支撐結(jié)構(gòu)以便打印成功。IJP技術(shù)由于陶瓷漿料本身為液體，所以在打印時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)局部坍塌的現(xiàn)象。故設(shè)計(jì)成為螺旋狀結(jié)構(gòu)的3D模型不易在IJP技術(shù)中打印出來。提高空間分辨率和準(zhǔn)確性是這兩種技術(shù)未來的發(fā)展目標(biāo)，未來在3D模型的設(shè)計(jì)上也要符合這一目標(biāo)。

1.5 層壓實(shí)體成型技術(shù)及模型設(shè)計(jì)介紹

層壓實(shí)體成型(簡稱為LOM)技術(shù)于1986年由Helisys 公司開發(fā)并應(yīng)用于紙張、塑料和金屬領(lǐng)域。而后轉(zhuǎn)移到陶瓷加工領(lǐng)域時(shí)，主要用于陶瓷建筑和陶瓷齒輪等方面。該工藝?yán)眉す饣虻毒咔懈钐沾杀∑诔尚瓦^程中，首先將片狀材料用激光切割系統(tǒng)切割成自定義的截面作為第一層截面，之后工作臺(tái)下降一級再送進(jìn)新的片材，然后對新層進(jìn)行激光切割，重復(fù)過程依次對片材進(jìn)行切割。最后用熱壓機(jī)將切割層緊壓并粘合起來，直至完成。現(xiàn)階段層壓實(shí)體成型技術(shù)主要以Al2O3和SiO2陶瓷為主。

與其它四種陶瓷3D打印成型技術(shù)不同，層壓實(shí)體成型技術(shù)以層層壓制為主，不需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)[39]。由于是激光切割，激光能量會(huì)導(dǎo)致臨界傾角增大，在每一層模型設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量平整，避免兩個(gè)層的切口重疊區(qū)域增大，保持陶瓷制品的機(jī)械性能。層壓實(shí)體成型技術(shù)還可以制造具有角表面或者中空結(jié)構(gòu)的復(fù)雜部件，在模型設(shè)計(jì)上要避免出現(xiàn)傾斜激光和階梯效應(yīng)。層壓實(shí)體成型技術(shù)未來將會(huì)向氮化物陶瓷和聚合物陶瓷方向發(fā)展，對3D模型的建立還會(huì)有更高的設(shè)計(jì)要求。

2 展 望

設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的3D模型與陶瓷材料組合為3D打印陶瓷提供了可能性，既可以縮短制造時(shí)間又可以降低成本。此外，3D打印陶瓷不僅可以控制陶瓷部件的形狀，而且可以控制整個(gè)部件的組成、微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。但在它替代常規(guī)技術(shù)以前，仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)。目前，雖然已開發(fā)出多種適合陶瓷3D打印的工藝，并且也在材料成型方面取得了一定程度的發(fā)展。但現(xiàn)階段的陶瓷成型工藝還存在些許不足需要加以完善，基于成型工藝建立的3D模型也需要不斷改進(jìn)完善。

提高陶瓷3D打印部件的精度、效率和速度也是現(xiàn)階段陶瓷3D打印技術(shù)有待解決的問題，而解決這些問題就需要改進(jìn)現(xiàn)有成型工藝、建立合理的3D模型。并且3D模型的設(shè)計(jì)也要緊跟3D打印陶瓷的最新發(fā)展方向。以便于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效和快速打印。眾所周知，現(xiàn)階段陶瓷3D打印技術(shù)距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。未來還需要進(jìn)一步提升3D打印技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用，以便實(shí)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)品的直接制造。

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