3D打印陶瓷技術(shù)與應(yīng)用

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，又稱為增材制造。它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，其具有具有操作簡單、成型速度快、精度高等優(yōu)點。3D打印技術(shù)結(jié)合了材料技術(shù)、數(shù)字建模、信息處理等多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，打破了傳統(tǒng)加工的思維模式，被視為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

陶瓷材料因具有抗壓強度高、硬度高、耐高溫以及電和熱的不良導(dǎo)體等力學(xué)、物理、化學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域。但陶瓷材料難加工，傳統(tǒng)加工工藝成本高、耗時長。

然而用3D打印陶瓷材料，結(jié)合較為先進的燒結(jié)技術(shù)，可以制備出高精度、高強度的陶瓷零件，這相比于傳統(tǒng)的制備工藝，會顯著降低加工成本、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)省原材料，其發(fā)展?jié)摿薮?，將推?D打印陶瓷技術(shù)在航天航空、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

圖1 3D打印陶瓷技術(shù)分類圖

3D打印陶瓷技術(shù)概述

目前，3D打印陶瓷技術(shù)主要有噴墨打印技術(shù)、熔化沉積成型技術(shù)、激光固化成型技術(shù)、分層實體制造技術(shù)和激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)。

按照工藝過程可以分為直接成型法和逐層粘結(jié)法，噴墨打印技術(shù)技術(shù)是將陶瓷粉末和粘結(jié)劑混合制備成陶瓷墨水，通過3D打印直接成型的，屬于直接成型法，其他4種技術(shù)則屬于逐層粘結(jié)法。

噴墨打印技術(shù)（IJP）

原料：由非金屬材料、分散劑、粘結(jié)劑、表面活性材料和其他輔助材料混合而成的“陶瓷墨水”。

原理：由計算機通過CAD等軟件建立三維模型，再由噴頭將陶瓷材料按模型進行逐層的圖案繪制完成打印。

優(yōu)點：用戶按照需求設(shè)計個性化陶瓷，成本大大降低，很大程度上節(jié)約人力物力，同時技術(shù)不需要借助激光技術(shù)的輔助，在日常生活中已經(jīng)得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

缺點：此種打印技術(shù)的核心問題在于其原材料的配置。陶瓷墨水需要有良好的穩(wěn)定性，保證其在打印過程中的形狀和密度的一致性，同時陶瓷墨水中的非金屬顆粒直徑必須足夠的小，以此來保證其在噴射過程中不出現(xiàn)堵塞噴頭的問題。

熔化沉積成型技術(shù)（FDM）

原料：熱熔型絲狀陶瓷材料，其基本由供料輥、導(dǎo)向套和噴頭3個結(jié)構(gòu)組件相互搭配實現(xiàn)。

圖2 熔化沉積成型技術(shù)示意圖

圖3 光固化成型技術(shù)工作原理示意圖

原理：首先熱熔性絲狀材料經(jīng)過供料輥，在從動輥和主動輥的配合作用下進入導(dǎo)向套，利用導(dǎo)向套的低摩擦性質(zhì)使得絲狀材料精準(zhǔn)連續(xù)地進入噴頭。材料在噴頭內(nèi)加熱熔化，按照所需打印的原件造型進行3D打印。

優(yōu)點：不需要激光技術(shù)的輔助，成本較低，后期維護也比較方便。

缺點：該技術(shù)需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，保證陶瓷零件在打印過程不會坍塌。目前，支撐材料分為兩種：一種是剝離性支撐材料，后期處理時需要手動剝離，較為繁瑣；另一種是水溶性的支撐材料，在后期處理時通過物理或化學(xué)方法就能方便快捷地去除。因此，目前市場上普遍采用后者作為支撐材料，在一定程度上降低了后期處理過程的復(fù)雜性。

光固化成型技術(shù)（SLA）

原料：光敏樹脂和陶瓷粉末混合而成的漿料。

原理：通過紫外激光束，按照設(shè)計好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹脂混合液體，逐點固化，由點及線，由線到面。通過x-y方向固化成面后，通過升降臺在z軸方向的移動，層層疊加完成三維打印陶瓷材料。

優(yōu)點：適用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件。可以聯(lián)機操作，遠程控制，有利于生產(chǎn)的全自動化。此外該技術(shù)不需要經(jīng)過燒結(jié)，也不需要添加燒結(jié)助劑，所以可以在較低的溫度和壓力下完成。

缺點：光敏樹脂和陶瓷粉的配比不好掌握，混合而成的漿料是存在毒性的刺激材料且必須避光保存，對工作環(huán)境條件要求苛刻，要求保證空氣流通、光線昏暗；該技術(shù)需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，而坯體在后處理過程中易損壞，既要考慮二次固化，還要去除支撐結(jié)構(gòu)，過程較為復(fù)雜。

分層實體制造技術(shù)（LOM）

原料：陶瓷薄片材料。

原理：該技術(shù)是一種薄片材料疊加工藝，直接通過激光切割薄膜材料（含粘結(jié)劑），移動升降工作臺，切割新的一層薄膜材料疊加在之前的一層材料上，在熱粘壓部件的作用下粘結(jié)成型，是一種直接由層到立體零件的過程。

優(yōu)點：成型速度快，準(zhǔn)備工作簡單，適合加工尺寸較大的零部件以及用于制造層狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件；采用的陶瓷薄片材料可以利用流延法制備得到，國外對于流延法制備陶瓷薄片的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，原料獲取十分方便。

缺點：材料利用率較低；該技術(shù)層與層之間存在較為明顯的臺階效應(yīng)，最終成品的邊界需進行拋光打磨處理，精度較低，不適合打印復(fù)雜、中空的精密零件。

圖5 3D打印的復(fù)雜部件