先進(jìn)陶瓷材料快速成型技術(shù)研究進(jìn)展

張曉麗 李 楠 宋 濤 王守興 于宏林

(山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 山東 淄博 255000)

近年來，以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)工藝核心的快速成型技術(shù)在先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域得到迅速發(fā)展及應(yīng)用，發(fā)展較快、應(yīng)用較多的快速成型技術(shù)主要包括激光選區(qū)燒結(jié)( selective laser sintering，SLS)、激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)、三維噴印(three-dimensional printing，3DP)、熔融沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)、分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing，LOM)、立體光固化(stereolithography Apparatus，SLA)、數(shù)字光處理(digital light processing，DLP)和直寫成形(direct ink writing，DIW)等。其中，SLS、SLM和間接(粘接)3DP等以陶瓷粉體作為打印原材料，F(xiàn)DM等以陶瓷絲材作為打印原材料，LOM等以陶瓷片材作為打印原材料，而SL、DLP、DIW和直接(噴墨)3DP等則以陶瓷漿料/膏材作為打印原材料。筆者以SLS、FDM、LOM、SLA為例，分別介紹幾種快速成型技術(shù)。

1 激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)是將陶瓷材料和激光技術(shù)結(jié)合在一起的技術(shù)，其工作主要構(gòu)件為工作臺(tái)、壓輥、激光器，工作原理是通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)將粉末供料系統(tǒng)中的粉末向上運(yùn)輸，利用壓輥將粉末平鋪在工作臺(tái)上，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算和控制線路掃描粉末，激光掃描過后的粉末其中熔點(diǎn)較低的材料會(huì)融化燒結(jié)，形成一種層狀結(jié)構(gòu)，掃描結(jié)束后，工作臺(tái)會(huì)下降至一定高度開始往返式作業(yè)，與前一層狀陶瓷結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，直至打印出成品。SLS起源于20世紀(jì)80年代，最早由美國德克薩斯大學(xué)Deckard首次提出。目前，陶瓷粉末一般以添加劑的形式加入到SLS的陶瓷材料中。粘結(jié)劑的添加方式主要有直接混合、包覆表面，以及表面改性后混合三種，其中在陶瓷粉末表面包覆粘結(jié)劑的方法適用性更高。近年來，國內(nèi)外對(duì)粘結(jié)劑種類、加入量也有研究，Nelson等分別以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)為粘結(jié)劑采用SLS成型SiC，研究發(fā)現(xiàn)采用PMMA做粘結(jié)劑，產(chǎn)品成型精度更高；Yen采用聚乙烯醇和硅溶膠作為粘結(jié)劑，首先制備了SLS用陶瓷料漿，再通過激光掃描制備了SiO2陶瓷件，產(chǎn)品致密度及表面平整度都較傳統(tǒng)方法有較大提高[1-5]。

2 熔融沉積成型技術(shù)

熔融沉積成型技術(shù)(FDM)，其原材料為熱熔性陶瓷材料，一般被制成方便運(yùn)輸存儲(chǔ)的絲狀陶瓷。其主要設(shè)備包括送料輥、加熱噴頭和導(dǎo)套，熱熔絲狀陶瓷會(huì)通過供料輥機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)套中，并沿著導(dǎo)套管進(jìn)入噴頭，物料在噴頭內(nèi)受熱熔化后，按照計(jì)算機(jī)模型中預(yù)設(shè)軌跡隨著噴頭進(jìn)行疊加和冷卻，最終制成陶瓷產(chǎn)品。該項(xiàng)技術(shù)具有操作簡單、過程容易控制、成本低、維護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)勢，但也存在表面易破孔、凹凸不平、基底變形和翹曲、需要支撐結(jié)構(gòu)等問題。1995年，F(xiàn)DM技術(shù)第一次應(yīng)用于成型陶瓷坯體中，之后法國、日本、美國等紛紛出現(xiàn)相應(yīng)發(fā)明創(chuàng)造，如美國Stratasys公司將切片軟件引入熔融沉積成型技術(shù)，當(dāng)模型加工完成后，只需進(jìn)行水洗處理就能快速去掉支撐結(jié)構(gòu)，具有簡化后續(xù)處理過程、提升制件表面精度的優(yōu)勢。我國FDM技術(shù)起步較晚，到2014年正式進(jìn)入高速發(fā)展階段，由于該技術(shù)可擠壓生物降解性的支架材料，包括聚乳酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等，使其在制備復(fù)合型生物陶瓷上的應(yīng)用越來越多。蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院王寧等通過FDM技術(shù)制備的個(gè)性化即刻種植修復(fù)體，能夠較好地模擬體外牙的形態(tài)，與周圍牙槽窩達(dá)到基本吻合[6-10]。

3 分層實(shí)體制造技術(shù)

分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)，又被稱為層疊制備技術(shù)，其主要設(shè)備結(jié)構(gòu)包括工作臺(tái)及升降裝置、熱壓裝置、激光掃描裝置、送料裝置及其他裝置，工藝流程包括圖形處理—制作基底—制作原型—去除余料—后置處理，其工藝特點(diǎn)就是能夠?qū)⒁呀?jīng)成型的陶瓷薄片，通過涂覆熱熔膠等材料進(jìn)行熱壓輥輪加熱、壓片和粘結(jié)的方法，將其與已經(jīng)成型的工件粘結(jié)在一起，再利用激光掃描器切割成型，反復(fù)操作后，直到所有截面粘結(jié)和切割完成后，可得到實(shí)體零件，具有較高成型速率，后續(xù)處理也十分便捷，是目前較為成熟和常見的一種技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零件制造工作當(dāng)中。用于LOM技術(shù)的陶瓷片材主要采用流延法制作，材質(zhì)主要有Al2O3、SiC、Si3N4和BaTiO3等。Klosterman等采用SiC粉體、炭黑、石墨粉末和高分子粘結(jié)劑作為原材料，通過流延法制成陶瓷薄片，進(jìn)一步利用LOM技術(shù)，成功制備出防彈衣陶瓷素坯。Zhang等采用LOM技術(shù)成形出Al2O3陶瓷素坯，采用該陶瓷素坯制備的陶瓷部件，孔隙率為2.9%、抗彎強(qiáng)度228 MPa[10-15]。

4 立體光固化技術(shù)

立體光固化技術(shù)實(shí)際上是最古老的增材制造技術(shù)。SL技術(shù)以其精度高、表面質(zhì)量好、力學(xué)性能優(yōu)異、打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)成為目前增材制造行業(yè)最受歡迎和最普遍的技術(shù)之一。其主要設(shè)備包括儲(chǔ)料罐、工作臺(tái)、紫外激光器、計(jì)算機(jī)界面、管理平臺(tái)和激光運(yùn)動(dòng)裝置，紫外線在電腦的控制下逐點(diǎn)掃描零件的分層截面，使儲(chǔ)料罐中的陶瓷漿料/膏材感光固化形成一個(gè)薄層。每層固化完成后，工作臺(tái)向下移動(dòng)，在已固化的薄層上固化下一層，這樣逐層疊加最終便可成形出整個(gè)零件。陶瓷漿料/膏材一般是以光敏樹脂作為載體，通過加入陶瓷粉體，在表面活性劑和添加劑的作用下，陶瓷粉體在光敏樹脂中充分分散后成為陶瓷漿料/膏材。但正是由于陶瓷粉體的加入，使得陶瓷漿料/膏材對(duì)入射光的感光效果差別較大，進(jìn)一步影響了材料的打印效果。目前常用于SLA成型的陶瓷材料包括ZrO2、Al2O3、SiO2、羥基磷灰石、鋯鈦酸和鉛磷酸鈣等。除了陶瓷材料本身對(duì)入射光的感光效果不同，陶瓷粉體粒徑分布、形貌、漿料沉降性能、黏度等因素，都對(duì)材料的打印效果產(chǎn)生影響，因此也成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。國外陶瓷光固化3D打印技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，較活躍的國家主要有美國、奧地利、法國、德國、荷蘭、意大利等。目前，SLA技術(shù)方面已成功用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)致密/多孔陶瓷零件的制造，如整體型芯、微電子組件如傳感器和光子晶體、生物醫(yī)學(xué)人工支架和口腔修復(fù)體等。另外，國外在有機(jī)前驅(qū)體光敏材料體系、光固化掃描方式和脫脂工藝等因素的影響方面取得了一些進(jìn)展。國內(nèi)從事SLA技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)越來越多，主要的研究單位有西安交通大學(xué)、深圳大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等，在成型機(jī)理、漿料組分、控制成型工藝等方面開展了大量的工作。但大部分研究側(cè)重于氧化物陶瓷的光固化成型方面，而對(duì)于深色非氧化物陶瓷的光固化研究還比較缺乏[14]。

5 結(jié)語

總而言之，快速成型技術(shù)作為一種高新制造技術(shù)，從誕生至今，不斷開發(fā)創(chuàng)新出新的工藝、技術(shù)及材料，不斷推動(dòng)我國傳統(tǒng)制造模式的變革，使其向精密化、標(biāo)準(zhǔn)化、低成本化發(fā)展，但還存在制造精度差、強(qiáng)度低、成本高等難題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模市場化應(yīng)用。后續(xù)科研人員還需要在快速成型用新材料、新工藝、新技術(shù)等方面開展研究，比如提高坯體中陶瓷材料體積含量，加強(qiáng)陶瓷形變和收縮控制的同時(shí)，提高成型速度，縮短陶瓷件制備時(shí)間等，特別是在面向結(jié)構(gòu)功能一體化和梯度化制造，以及多材料/多工藝復(fù)合高效制造等方面，開展細(xì)致研究，促進(jìn)先進(jìn)陶瓷快速成型技術(shù)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。