淺述光固化3D打印應(yīng)用于陶瓷制造的研究進(jìn)展

姚青山

（佛山眾陶聯(lián)供應(yīng)鏈服務(wù)有限公司，佛山 528000）

1 發(fā)展現(xiàn)狀

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨、隔熱性好、密度低這五大主要優(yōu)勢(shì)，關(guān)于傳統(tǒng)的陶瓷膠態(tài)金屬成型工藝方法一般因?yàn)樾枰罅考庸つ＞?，而難以獲得各種形狀非常復(fù)雜的金屬工件，所以大量加工制造模具生產(chǎn)成本相對(duì)較高，且產(chǎn)品生命周期也相對(duì)較長，而此次陶瓷3D數(shù)碼印刷工藝技術(shù)有效克服了這一疑難問題，其中的陶瓷光固化樹脂成型工藝技術(shù)也因?yàn)樯a(chǎn)精度較高而獲得了不少人的重視，使用3D數(shù)碼印刷技術(shù)及光固化金屬成型技術(shù)生產(chǎn)的蠟消失模，在替代人工蠟?zāi)Ｊ褂么思夹g(shù)時(shí)則可縮短模型生產(chǎn)過程的周期，提高陶瓷型模金屬構(gòu)件的生產(chǎn)效益，本文主要介紹了3D打印機(jī)生產(chǎn)陶瓷及消失模的研究進(jìn)展。

2 3D陶瓷打印技術(shù)主要種類

2.1 熔融沉積成型技術(shù)

熔融物質(zhì)沉積固體打印模型技術(shù)也被廣泛稱為一種熔融固體沉積打印模型。開始時(shí)，熱融微型絲狀介質(zhì)材料流體通過轉(zhuǎn)動(dòng)送料輥，在從前被動(dòng)輥與主動(dòng)輥的共同動(dòng)力運(yùn)送下自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)導(dǎo)向送料套，導(dǎo)套的導(dǎo)向摩擦阻力系數(shù)相對(duì)較低，使熱融絲狀介質(zhì)物料準(zhǔn)確自動(dòng)進(jìn)入送料噴嘴。根據(jù)專用計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出的各種數(shù)字模型即可進(jìn)行物料打印。熔融熱和堆積材料激光打印印刷技術(shù)，不用再需要任何傳統(tǒng)激光印刷技術(shù)的直接支持，而且具有技術(shù)成本低的優(yōu)勢(shì)。熔融材料沉積熱打印機(jī)的工作機(jī)理相對(duì)簡單，生產(chǎn)流程也比較簡單且易于控制，但熱打印機(jī)生產(chǎn)過程中往往要求通過較高的高溫下將熱印刷后的材料充分熔融，這就必須需要打印材料在高溫的熱工水力中，熔融后材料不易產(chǎn)生熱分解，且可以保證適當(dāng)?shù)母邷亓鲃?dòng)性，為完全適應(yīng)打印制品在結(jié)構(gòu)上和機(jī)械性能上的需要，印刷機(jī)的材質(zhì)一定要確保具備相應(yīng)的耐熱抗壓性以及相應(yīng)的高剛性。

2.2 分層實(shí)體制造技術(shù)

分層材料實(shí)體切割制造生產(chǎn)技術(shù)是一種以薄層固體為主要原材料，通過固體材料的逐層切割疊加加工來直接實(shí)現(xiàn)實(shí)體成型的一種生產(chǎn)方式，因此該制造技術(shù)也被廣泛稱為基于薄層固體材料的非選擇性實(shí)體切割。該打印技術(shù)和傳統(tǒng)常規(guī)3D無線打印機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)有所不同，傳統(tǒng)常規(guī)3D無線打印機(jī)不管我們采用了何種的打印材質(zhì)，在產(chǎn)生打印體的過程中都主要由線至點(diǎn)和線至點(diǎn)之間的層次互相重疊，然后再由于從層至點(diǎn)重疊而產(chǎn)生體。分層印刷的實(shí)體材質(zhì)制造打印技術(shù)是指使用雷射激光技術(shù)通過照射透過實(shí)體材質(zhì)和激光膠粘劑將第一層材質(zhì)刻蝕，可以通過提升材料升降臺(tái)高度對(duì)新的第一層薄膜采用激光技術(shù)切割，新的一層激光薄膜實(shí)體材料和前一層薄膜材料在熱能和引發(fā)型激光膠粘劑耦合作用下緊密貼合形成粘結(jié)，這樣就完全省去了從一點(diǎn)點(diǎn)打到底一層的實(shí)體打印制作過程。分層打印實(shí)體材料制造打印技術(shù)由于有激光刀片切割打印技術(shù)作為輔助，因此大大減少了激光打印的操作步驟，降低了企業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜的小零件過程所需的生產(chǎn)時(shí)間。

2.3 光固化成型技術(shù)

光固化是指金屬單體、低溫二聚體或其它聚合體金屬基質(zhì)在光誘導(dǎo)效應(yīng)作用下的一種固化成型過程，其中的成型工藝技術(shù)也被廣泛稱為立體化或光刻成型技術(shù)。目前，光固化三維技術(shù)已廣泛應(yīng)用推廣到許多化工行業(yè)中，例如利用光固化三維膠粘劑、光刻膠、激光三維變形成像、三維成型造型等，其中利用光固化三維成型激光技術(shù)在3D級(jí)光打印設(shè)備方面的技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛增多。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)所用的化學(xué)原料主要成分是光敏彈性樹脂，在3D的可打印光敏陶瓷材料中可以看到使用光敏陶瓷樹脂粉末和其它光敏陶瓷樹脂進(jìn)行混合后所形成的“漿料”。光固化新型成型工藝技術(shù)仍然存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)，目前主要用于改進(jìn)光固化新型成型工藝技術(shù)的各種光敏感性樹脂產(chǎn)品存在一定的光毒性，而且產(chǎn)品需要定期進(jìn)行高溫避光長期保存，因此在日常用于光固化成型技術(shù)3D激光打印時(shí)應(yīng)注意保持良好的采光通風(fēng)和處于避光保存工作區(qū)的環(huán)境。

3 光固化技術(shù)的陶瓷3D打印工藝流程

傳統(tǒng)的燒結(jié)方式中只有陶瓷通過熱成型打印燒結(jié)工藝的生產(chǎn)而能成型，而現(xiàn)代陶瓷3D加熱印刷燒結(jié)技術(shù)也就等于完全取代了目前傳統(tǒng)的加熱干壓、注射熱成型等陶瓷成型燒結(jié)工藝技術(shù)。打印后未完工的粉狀生坯依然可能要進(jìn)行多次高溫軟硬化處理，以去除存在于生坯過程中的各種有機(jī)物，粉末粉碎粒子內(nèi)部將會(huì)出現(xiàn)有機(jī)粘結(jié)現(xiàn)象，壓坯的粘接強(qiáng)度提高，將所有粉末粉碎粒子的有機(jī)聚合體都轉(zhuǎn)變成被稱為顆粒的有機(jī)聚合粘接體，從而可以獲得打印所需的各種物理、機(jī)械和高性能的打印制品。

（1）光成型打印工藝成型：將第二層陶瓷壓坯漿材被安裝在一臺(tái)紫外光熱凝固樹脂機(jī)器下，通過使用光固化機(jī)的成型打印工藝自動(dòng)將第一層陶瓷漿材再次凝固，生成第一層陶瓷壓坯，之后再通過利用光打印固化機(jī)身上自帶的陶瓷刮刃劍自動(dòng)將第二層陶瓷漿材覆蓋在第一層陶瓷壓坯模具上，并經(jīng)逐層凝固后再成型為第二層陶瓷壓坯，在重復(fù)以上二個(gè)過程之后即使將陶瓷漿材經(jīng)逐步凝固并疊加后再累積光打印成型，最后就可獲得第二層陶瓷漿材生坯。

（2）洗滌：洗凈，除去尚未凝固的陶瓷漿料。

（3）脫脂：結(jié)合劑含量較高的注射產(chǎn)品，包括例如激光玻璃和微晶陶瓷的液體注射脫脂成型才更有可能同時(shí)需要專門的注射技師們來進(jìn)行注射脫脂和熱處理工藝。在進(jìn)行打印加工時(shí)形成的塑料制件，由于比正在從生坯中生產(chǎn)所含塑料有機(jī)物的一些化學(xué)元素高且其濃度也就會(huì)更高，因此在一般化的狀況下進(jìn)行脫脂的運(yùn)行過程中所以時(shí)間也就有可能會(huì)更長，并且升溫的過程速率也較慢，或者在保護(hù)性的升溫氣氛下要進(jìn)行二次脫脂，而如此做法將會(huì)直接導(dǎo)致它的基本類型更加緩慢地穩(wěn)定，從而防止在進(jìn)行脫脂運(yùn)行過程中所形成的塑料制件而迅速發(fā)生斷裂。

(4)高溫空氣燒結(jié)：不同的材料對(duì)高氧化物燒結(jié)的溫度以及燒結(jié)的氣氛不盡相同，但基本和陶瓷相對(duì)應(yīng)的采用傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)方法形成的工藝也和陶瓷相似，一般氧化鋁、氧化鋯等高氧化物的陶瓷通常使用高溫空氣在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，而非高溫氧化的陶瓷通常在保護(hù)性的氣氛下進(jìn)行燒結(jié)。

4 3D光固化打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3D光固化打印陶瓷產(chǎn)品的制造技術(shù)所需要體現(xiàn)的光固增材料方法及路徑與其傳統(tǒng)的方式完全不同，在復(fù)雜的構(gòu)架產(chǎn)品通過一體化的生產(chǎn)制造，在降低成本和縮短研發(fā)周期等方面都有著獨(dú)到的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。而具體運(yùn)用到光固化陶瓷3D打印產(chǎn)品制造技術(shù)，從降低制造成本的方面和生產(chǎn)的效率兩個(gè)方面的考慮很難完全取代其傳統(tǒng)，而最好的制造技術(shù)研發(fā)就是對(duì)于傳統(tǒng)的制造工藝方法的一種有效補(bǔ)充。而從目前實(shí)際研究和應(yīng)用的情況分析來看，光固化打印技術(shù)與光固化陶瓷打印技術(shù)的相互應(yīng)用及結(jié)合已經(jīng)是相對(duì)成熟的，且在未來有著廣泛的發(fā)展前景。