3D打印陶瓷在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

周俊良，常鴻祥，陳相序

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100010)

0 引 言

近年來(lái)，3D打印技術(shù)日趨成熟，可以實(shí)現(xiàn)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。

陶瓷材質(zhì)具有高強(qiáng)度、高硬度以及耐腐蝕、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；但是陶瓷產(chǎn)品制作周期長(zhǎng)(交貨周期至少為8-12周)，不適合制作復(fù)雜的幾何形體，比如鏤空的球體，或者是特殊的幾何形體；在設(shè)計(jì)中，某些部分往往不適合機(jī)械加工，需要進(jìn)行后續(xù)的處理(特定花紋或造型必須使用昂貴的碳化物或鉆石等工具才能加工)，成本昂貴。近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的迅速崛起，首先通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，再利用配套的自動(dòng)化裝備進(jìn)行3D逐層打印，使陶瓷材料能夠快速成形，并在航空航天、汽車(chē)制造、數(shù)碼產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)技術(shù)相比較，陶瓷3D打印技術(shù)能節(jié)省90%的時(shí)間，交貨周期甚至可縮短至5天。3D打印技術(shù)還可讓設(shè)計(jì)人員突破傳統(tǒng)陶瓷的形狀束縛，展開(kāi)更為廣闊的想象空間?？蓱?yīng)用于陶瓷3D打印技術(shù)中的陶瓷材料多種多樣，包括從硬度稍弱的氧化鋁陶瓷到堅(jiān)硬抗磨的氧化鋯陶瓷。這些陶瓷可耐受1500-1700 ℃的高溫，介電強(qiáng)度可達(dá)150 伏特/毫米。氧化鋁陶瓷材料不僅耐磨，也耐腐蝕，并且是理想的機(jī)械制造原料。

1 3D打印陶瓷材料

目前我國(guó)用于3D打印的陶瓷材料還十分有限，尚處于研制狀態(tài)的3D打印陶瓷材料主要有以下幾種：

氧化鋁陶瓷(Al2O3)，氧化鋁陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、結(jié)構(gòu)緊密、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕度強(qiáng)、耐磨性佳、介電強(qiáng)度出色等優(yōu)點(diǎn)，是目前產(chǎn)量最大、用途最廣的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷主要用作高磨擦環(huán)境(比如噴砂處理)中的噴頭、高溫環(huán)境(比如焊接設(shè)備)中的氣槍保護(hù)蓋，腐蝕環(huán)境(比如汽車(chē)制造的敲擊感應(yīng)器安裝)中的基座。如果采用傳統(tǒng)陶瓷工藝，生產(chǎn)過(guò)程繁瑣，耗時(shí)耗力，成本昂貴，采用3D打印技術(shù)，將氧化鋁陶瓷作為打印材料制作零部件，將會(huì)具有節(jié)約成本、縮短周期、規(guī)模量產(chǎn)、造型豐富等優(yōu)點(diǎn)。

磷酸三鈣陶瓷(見(jiàn)圖1)是一種多孔生物陶瓷，具有生物相容、親水性好、原料的化學(xué)成分接近骨的無(wú)機(jī)成分、無(wú)毒無(wú)致癌不良反應(yīng)、生命力學(xué)強(qiáng)度佳、體內(nèi)降解吸收性能好、組織傳導(dǎo)作用強(qiáng)等特點(diǎn)。將其作為3D 打印材料制作人工骨骼，作為骨修復(fù)三維支架，在醫(yī)療領(lǐng)域里具有較好的應(yīng)用前景。

圖1 多孔生物陶瓷Fig.1 Porous bioceramics

有機(jī)前驅(qū)體基陶瓷材料不但能夠承受特別高的使用溫度(＞2000 ℃)，而且具有低密度、優(yōu)異的抗氧化抗燒蝕性能、良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，成為制備陶瓷的新材料。

碳硅化鈦陶瓷(Ti3SiC2)具有層狀的六方晶體結(jié)構(gòu)，在生物、醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用。該材料兼具金屬材料的高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、良好的延展性、塑性和陶瓷材料的高強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳硅化鈦陶瓷的制備已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，制備碳硅化鈦陶瓷的方法主要有自蔓 延 高 溫 合 成 法 (SHS)、熱等靜壓法 (HIP)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、固相反應(yīng)(SR)、放電等離子燒結(jié)(SPS)和熱壓法(HP)等。但是采用這些制備方法都需要在前期制作相應(yīng)的成形模具，成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、靈活性差，不利于制作性狀復(fù)雜、中空的零件。利用3D打印技術(shù)制備Ti3SiC2陶瓷則可以有效地克服上述缺點(diǎn)。

綜上所述，3D打印陶瓷技術(shù)可以克服傳統(tǒng)陶瓷技術(shù)的缺點(diǎn)，具有成本低、周期短、規(guī)模量產(chǎn)、造型豐富等優(yōu)點(diǎn)。

2 陶瓷在現(xiàn)代產(chǎn)品中的運(yùn)用

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，材質(zhì)是一個(gè)非常重要且關(guān)鍵的因素，直接影響產(chǎn)品本身的使用觸感；什么類(lèi)型的產(chǎn)品，適合什么類(lèi)型的材質(zhì)，在什么樣的情景模式下與使用者發(fā)生怎樣的關(guān)系，都是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者需要考慮的因素。一般而言，一件好的陶瓷產(chǎn)品以其功能效用、工藝技術(shù)和形式美為其基礎(chǔ)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，材質(zhì)主要分為金屬、塑料、木竹、陶瓷、纖維、皮革、玻璃等；相比而言，陶瓷產(chǎn)品往往以藝術(shù)品的形象停留在人們的印象中，因?yàn)樘沾僧a(chǎn)品價(jià)格高昂、所需成本較高、工藝流程繁瑣、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且陶瓷材質(zhì)的韌性、抗摔性等都受制約，所以陶瓷材質(zhì)的科技產(chǎn)品并不多見(jiàn)。

因?yàn)樗芰喜馁|(zhì)在手機(jī)市場(chǎng)的過(guò)氣，金屬的機(jī)身不能實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，玻璃機(jī)身的一體性不好等原因，陶瓷手機(jī)(見(jiàn)圖2)的流行好像是順理成章的。小米公司的陶瓷手機(jī)使用的是“Unibody全陶瓷”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一體成型機(jī)身工藝，將陶瓷擠壓成板材，然后通過(guò)數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工技術(shù)一體成型。但是這種技術(shù)機(jī)床精度要求高，初期設(shè)備投入大。每一塊Unibody全陶瓷都要經(jīng)過(guò) 1400 ℃高溫 7天燒結(jié)；兩層樓高的設(shè)備，240 噸沖壓成型；金剛砂刀頭0.01 mm反復(fù)雕琢，每加工一部手機(jī)，都要更換刀頭。這種“Unibody 全陶瓷”雖然在技術(shù)上較傳統(tǒng)陶瓷有了突破，但是周期還是較長(zhǎng)，抗摔性也不是很好。

圖2 陶瓷后蓋的手機(jī)Fig.2 Mobile phone with ceramic rear battery cover

近年來(lái)，陶瓷材質(zhì)取得進(jìn)一步發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐步變成了可消費(fèi)的技術(shù)。比如3D打印陶瓷材質(zhì)的手機(jī)，省去了傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝的多個(gè)流程(練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、彩繪、釉色變化等)，只需將產(chǎn)品數(shù)字建模出來(lái)，使用前述的材質(zhì)進(jìn)行3D打印，一件產(chǎn)品很快就可以出現(xiàn)在我們的面前，不需要傳統(tǒng)的燒制、晾曬等多個(gè)步驟，即可得到所需的產(chǎn)品，并且這個(gè)形狀可以是有機(jī)的，可以是精確的，可以是讓設(shè)計(jì)師反復(fù)修改的。

在醫(yī)療領(lǐng)域，可以根據(jù)人體的各種數(shù)據(jù)，利用3D技術(shù)進(jìn)行私人訂制植入型的骨骼或者牙齒等。通過(guò)3D 打印個(gè)體化制備的植入物進(jìn)行組織缺損的修復(fù)，可以大大提高外科手術(shù)的精確性與安全性。奧地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印設(shè)備可以打印出滿(mǎn)足這一醫(yī)療需求的骨骼植入體?；谠霾闹圃焖枷?，Lithoz公司研發(fā)了獨(dú)特而優(yōu)秀的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的方法。LCM技術(shù)(基于光刻技術(shù)的陶瓷3D打印)使得快速經(jīng)濟(jì)的高性能陶瓷功能件生產(chǎn)成為可能，產(chǎn)品性能不低于使用傳統(tǒng)模式大批量生產(chǎn)的部件。Lithoz的LCM技術(shù)3D陶瓷打印設(shè)備可以制備出多種孔尺度與復(fù)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷制品，例如可以制備出作為骨骼植入體的生物陶瓷支架磷酸三鈣樣件，仍然具有很好的生物相容性，其各種性能上達(dá)到傳統(tǒng)工藝制造出的同樣部件。

在歐洲，Lithoz公司與蘇黎世醫(yī)科大學(xué)合作研究，打印用于治療骨腫瘤的可降解的TCP支架，并進(jìn)行植入實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物體內(nèi)的支架在植入10天后被結(jié)締組織包裹住，沒(méi)有炎癥發(fā)生。通過(guò)高精度陶瓷3D打印設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高精度 (最小特征尺寸：＜ 150 μm)、高純度 (＞ 99.4% T.D.)、高強(qiáng)度、高時(shí)效、高性?xún)r(jià)比；可以實(shí)現(xiàn)無(wú)工具成本、無(wú)成型成本，達(dá)到快速生產(chǎn)的目的。這不僅成功地解決了傳統(tǒng)3D打印生物陶瓷支架的孔尺度與孔結(jié)構(gòu)可控性不高的問(wèn)題，而且可以通過(guò)設(shè)備軟件精確計(jì)算出需放大的燒結(jié)尺寸，保證樣品進(jìn)行燒結(jié)收縮后，達(dá)到符合原始設(shè)計(jì)的尺寸。LCM技術(shù)對(duì)于陶瓷打印制品沒(méi)有形狀限制，可以實(shí)現(xiàn)新的形狀設(shè)計(jì)和產(chǎn)品功能蜂窩細(xì)胞結(jié)構(gòu)，也可生產(chǎn)薄壁結(jié)構(gòu)(低于150 μm)。

3 3D陶瓷的未來(lái)發(fā)展

目前，雖然3D 打印陶瓷市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊，但是我國(guó)3D陶瓷打印產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，原創(chuàng)技術(shù)不夠、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)鏈不夠健全等因素制約了國(guó)內(nèi) 3D 打印陶瓷市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，技術(shù)與設(shè)備也比不上一些發(fā)達(dá)國(guó)家。不過(guò)，國(guó)內(nèi)企業(yè)與高校已經(jīng)意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，正在積極研制專(zhuān)用3D陶瓷打印機(jī)和打印專(zhuān)用原料；在向國(guó)內(nèi)外客戶(hù)提供服務(wù)的同時(shí)，自身也取得飛速的發(fā)展。因此，3D打印陶瓷產(chǎn)業(yè)正在成為熱門(mén)產(chǎn)業(yè)，3D技術(shù)與陶瓷的交會(huì)產(chǎn)生的火花也將愈加燦爛。在未來(lái)，掌握了3D打印技術(shù)的核心，就等于抓住了未來(lái)制造業(yè)的命脈，3D打印將帶我們邁向新的工業(yè)時(shí)代。