先進(jìn)陶瓷黏結(jié)劑噴射增材制造技術(shù)發(fā)展與展望*

馮琨皓，趙 威，毛貽桅，張正泰，葉春生，蔡道生，2，蔣文明，魏青松

（1.華中科技大學(xué)，武漢 430074；2.武漢易制科技有限公司，武漢 430000）

陶瓷材料以其卓越的硬度、強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕和抗氧化性能，以及優(yōu)異的生物相容性，在眾多行業(yè)中展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。隨著這些行業(yè)的迅猛發(fā)展，對陶瓷材料的定制化、輕量化和可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的陶瓷成型技術(shù)（如壓制成型、凝膠注模、注漿成型和流延成型）[1–3]通常依賴于模具，不僅限制了設(shè)計的靈活性，而且導(dǎo)致新產(chǎn)品開發(fā)周期延長、成本增加、成型精度降低。相比之下，增材制造技術(shù)能夠制造任意復(fù)雜形狀的部件，無需模具，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)周期，使復(fù)雜的個性化陶瓷組件能夠迅速實現(xiàn)應(yīng)用。此外，陶瓷增材制造減少了傳統(tǒng)機(jī)加工后處理的需求，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，同時提高了成品率。

增材制造（Additive manufacturing，AM），又稱3D 打印，通過計算機(jī)輔助設(shè)計和分層堆積原材料來構(gòu)建三維實體。這種方法的優(yōu)勢在于設(shè)計自由度高、材料選擇廣泛、原料浪費(fèi)少、加工成型高效，并能成型復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)[4]。隨著增材制造設(shè)備、材料、打印工藝和計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，增材制造已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、能源機(jī)械和電子信息等領(lǐng)域[5–7]。依據(jù)美國測試與材料學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)[8]，增材制造技術(shù)目前主要分為七大類，即黏結(jié)劑噴射成型（Binder jetting，BJ）、立體光聚合（Vat photopolymerization，VPP）、粉末床熔融（Powder bed fusion，PBF）、定向能量沉積（Directed energy deposition，DED）、材料擠出（Material extrusion，MEX）、材料噴射（Material jetting，MJ）和片材層壓（Sheet lamination，SL）。這些技術(shù)原則上可成形材料包括金屬[9]、陶瓷[10–11]、聚合物[12]以及復(fù)合材料[13–14]。除了直接熔融材料的PBF 和DED 外，其余技術(shù)均適用于陶瓷3D 打印。其中，VPP 精度最高但對某些陶瓷材料成型性差；MEX 工藝簡單、成本低，但打印零件精度較低，某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)需額外支撐；MJ 制得零件精度和表面質(zhì)量良好，但對原料要求高且工藝復(fù)雜；SL可獲高力學(xué)性能但零件存在明顯各向異性，材料制備復(fù)雜；BJ 則因其成本低廉、原料要求低、成型效率高，成為最具潛力的陶瓷成型技術(shù)之一。

黏結(jié)劑噴射技術(shù)，作為一種獨(dú)特的粉末和黏結(jié)劑組合堆積成型工藝，因其高效率、低成本和環(huán)保性而受到關(guān)注。近幾年，國內(nèi)外商業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注此技術(shù)。砂型黏結(jié)劑噴射技術(shù)首先得到發(fā)展[15]，隨后設(shè)備升級使μm 級粉末均勻鋪展和高分辨率打印成為可能，進(jìn)而使金屬、陶瓷及復(fù)合材料的打印成形得以實現(xiàn)[16–17]。本文著重研究陶瓷材料的黏結(jié)劑噴射成型，詳細(xì)介紹了其原理、特點(diǎn)，以及陶瓷原材料選擇與處理，黏結(jié)劑分類配置與動力學(xué)行為，工藝參數(shù)和后處理，最后探討了當(dāng)前挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向。

1 陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)工藝原理及特點(diǎn)

1.1 陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)原理及工藝流程

黏結(jié)劑噴射技術(shù)最初是由麻省理工學(xué)院的Emanuel Sachs 等于1987 年提出并于1993 年申請的發(fā)明專利[18]。該技術(shù)是通過逐層堆疊粉末材料，并選擇性地噴射液體黏結(jié)劑以實現(xiàn)粉末顆粒之間的黏合，構(gòu)建出三維實體。如圖1 所示，該技術(shù)根據(jù)粉末供應(yīng)方式的差異，劃分為上落粉（圖1（a））與下送粉（圖1（b））兩大模式。上落粉模式因不需供粉缸而提升了可成型區(qū)域面積，已成為當(dāng)下主流配置，這一點(diǎn)從ExOne、惠普及國內(nèi)武漢易制等公司的設(shè)備應(yīng)用情況便可見一斑；相對而言，下送粉模式通過控制供粉缸的升高，能精確調(diào)控每層粉末的體積，以優(yōu)化打印參數(shù)。

在工藝流程上，如圖2 所示，首先鋪設(shè)一定層厚的粉末，噴頭在控制系統(tǒng)的指導(dǎo)下，按照零件模型的切片輪廓噴射黏結(jié)劑。用選擇性的輻照加熱加快溶劑蒸發(fā)，并固化每層輪廓，進(jìn)而堆疊形成陶瓷初坯[19]。初坯通?？紫堵瘦^高、機(jī)械強(qiáng)度不足，需經(jīng)過后處理工藝（如固化、脫脂和致密化等步驟）以滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。固化過程主要通過加熱、紫外光照射或加壓等手段進(jìn)行，其中加熱固化最為常見，溫度一般控制在120～200 ℃，用來加速溶劑蒸發(fā)和黏結(jié)劑交聯(lián)[20]。此外，固化可與打印過程同步，俗稱原位固化，用來提升打印精度并避免黏結(jié)劑擴(kuò)散，盡管這可能增加打印時長[21]。脫脂步驟旨在通過加熱分解黏結(jié)劑，以減少坯體內(nèi)的殘留有機(jī)物，此過程要求嚴(yán)格控制溫度和時間以防初坯損壞，通常脫脂溫度為600～800 ℃[22]。燒結(jié)、溶膠/漿料浸漬[23–24]、化學(xué)氣相沉積[25]、前驅(qū)體浸漬熱解[26]、反應(yīng)燒結(jié)[27]、等靜壓燒結(jié)[28]等致密化工藝被廣泛應(yīng)用于黏結(jié)劑噴射陶瓷的后處理過程。

圖2 陶瓷黏結(jié)劑噴射成型工藝流程Fig.2 Steps of binder jetting printing ceramics

1.2 陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)特點(diǎn)

相較于其他增材制造工藝，陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)存在以下特點(diǎn)：（1）黏結(jié)劑噴射技術(shù)原則上可成形任意粉末材料[29]，可直接成形陶瓷、金屬、高分子及復(fù)合材料，是增材制造中材料選擇最廣泛的工藝之一[30]，且黏結(jié)劑噴射易實現(xiàn)梯度材料成型；（2）成型過程無熱源或極小熱源，有效避免了如高能束成型過程中應(yīng)力集中造成的變形、翹曲和開裂等問題； （3）成型過程在室溫和空氣環(huán)境下進(jìn)行，節(jié)省了真空或氣氛環(huán)境帶來的設(shè)備成本，同時避免了粉末在成型過程中出現(xiàn)氧化、元素偏析等問題，提高了粉末的回收率； （4）黏結(jié)劑噴射技術(shù)將材料的成型和致密化過程分離，可通過調(diào)節(jié)后處理工藝及參數(shù)來實現(xiàn)零件密度和孔隙率的柔性控制； （5）成型復(fù)雜懸臂結(jié)構(gòu)時無須支撐，且黏結(jié)劑占零件總體積很小，避免其在成型復(fù)雜構(gòu)件脫脂時產(chǎn)生大量氣體破壞零件的形狀； （6）相較于大多數(shù)“點(diǎn)–線–面”成型的增材制造工藝，黏結(jié)劑噴射技術(shù)可采用陣列式噴頭由“線–面”進(jìn)行成型，且在室溫大氣下成型的特點(diǎn)使其成型臺面可輕松達(dá)到m 級甚至更大，有望實現(xiàn)大尺寸零件的快速一體化成型。目前砂型黏結(jié)劑噴射商用設(shè)備成型尺寸已達(dá)到4000 mm×2000 mm×1000 mm 且已有較為成熟的應(yīng)用案例[31]，陶瓷/金屬商用設(shè)備有效成型區(qū)域最高達(dá)800 mm×500 mm×400 mm[32]，但還未報道相關(guān)的大尺寸應(yīng)用案例。

盡管黏結(jié)劑噴射技術(shù)具有極大的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，但是目前仍存在一些不足之處亟待解決： （1）黏結(jié)劑噴射技術(shù)是一個多步驟工藝，工藝參數(shù)眾多，各步驟參數(shù)對最終零件的性能影響尚未完全清晰； （2）相較于粉末床熔融成型，黏結(jié)劑噴射成型的陶瓷初坯致密度較低（約50%），且陶瓷材料熔點(diǎn)較高，通常直接燒結(jié)難以完全致密且容易出現(xiàn)大體積的收縮；（3）由于對黏結(jié)劑液滴的擴(kuò)散行為無法完全調(diào)控，成型零件的精度相對較低、表面粗糙度較高； （4）對于不同的材料體系，通常需要研發(fā)不同的黏結(jié)劑和開發(fā)相應(yīng)的后處理策略。

2 陶瓷材料選擇和處理

2.1 黏結(jié)劑噴射成型陶瓷材料

目前，已有數(shù)十種陶瓷材料成功用于黏結(jié)劑噴射成型，包括氧化物陶瓷[33]、氮化物陶瓷[34]和碳化物陶瓷[35]，分別應(yīng)用在結(jié)構(gòu)陶瓷、功能器件、生物醫(yī)療等方面。表1[25，35–73]歸納總結(jié)了現(xiàn)有黏結(jié)劑噴射成型的陶瓷材料、應(yīng)用領(lǐng)域以及相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

表1 陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)已有材料及應(yīng)用領(lǐng)域Table 1 Printable materials and applications of ceramics BJAM

在結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用中，氧化鋁和氧化鋯[40]因其優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，經(jīng)常被用于制造工業(yè)軸承和密封環(huán)等。相比之下，黏結(jié)劑噴射技術(shù)則能夠在不需要傳統(tǒng)的模具和漿料的情況下，實現(xiàn)復(fù)雜形狀氧化物陶瓷的快速成型。這種方式在中小批量生產(chǎn)和新產(chǎn)品開發(fā)中尤為有用，可以節(jié)省大量的時間和經(jīng)濟(jì)成本。然而，這種技術(shù)制備出的陶瓷致密度和力學(xué)性能仍有待提升，以達(dá)到傳統(tǒng)制造方法的水平[74]。

在高級制造領(lǐng)域，碳化硅[47]和氮化硅[48]因其卓越的耐高溫特性，被廣泛認(rèn)為是渦輪葉片、高精度反射鏡及高溫加熱元件和動力機(jī)械構(gòu)件的理想材料。傳統(tǒng)的碳化硅反射鏡生產(chǎn)流程依賴于模具成型和后續(xù)的機(jī)械加工來實現(xiàn)質(zhì)量輕和精度高的要求，特別是對于那些需合并多個坯體以形成特定結(jié)構(gòu)的情形[75]，這一方法不僅成本高昂，而且由于陶瓷本質(zhì)的脆性，其加工難度大，導(dǎo)致成品率較低。相對而言，黏結(jié)劑噴射技術(shù)提供了一種高效的替代方案，該技術(shù)能夠一步成型出復(fù)雜且輕量化的碳化硅反射鏡坯體[71，76]，從而避免了額外的機(jī)械加工，并顯著減少了生產(chǎn)成本。碳化硅還因其出色的高溫穩(wěn)定性和抗輻射能力，被推崇為下一代核能領(lǐng)域的關(guān)鍵保護(hù)材料。美國橡樹嶺國家實驗室已經(jīng)基于黏結(jié)劑噴射技術(shù)開展相關(guān)的研究并制備出用于核反應(yīng)堆保護(hù)材料的復(fù)雜碳化硅結(jié)構(gòu)[72–73]。

在功能陶瓷領(lǐng)域，如電子陶瓷的制備，氧化鋁[77]和二氧化鈦[78]等材料因其卓越的電絕緣性能而被用作電子基板和濾波器，鈦酸鋇[58]用于制造鐵電解電容器。傳統(tǒng)電子陶瓷的制備多用壓制、漿料等方法成型，已具備較為成熟的批量制造技術(shù)，但隨著電子信息技術(shù)和芯片行業(yè)的不斷發(fā)展，市場對電功能陶瓷的結(jié)構(gòu)和功能特性要求越來越高。黏結(jié)劑噴射技術(shù)在此領(lǐng)域能快速從設(shè)計轉(zhuǎn)到生產(chǎn)，促進(jìn)了新產(chǎn)品的應(yīng)用推廣，但在成型精細(xì)結(jié)構(gòu)方面還有改進(jìn)空間。

在生物醫(yī)療應(yīng)用方面，黏結(jié)劑噴射技術(shù)的引入已經(jīng)使得根據(jù)不同個體的需求定制醫(yī)療植入物成為可能。氧化鋯和羥基磷灰石等[61]是具有良好生物相容性的陶瓷材料，可以用于牙科植入物和骨組織替代品等，減少了成本并促進(jìn)了醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展?？偠灾?，黏結(jié)劑噴射技術(shù)在制備先進(jìn)陶瓷方面的優(yōu)勢明顯，盡管在力學(xué)性能和精細(xì)結(jié)構(gòu)成型方面還存在一些局限性，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問題有望得到解決。隨著更多的陶瓷材料和精細(xì)化的加工方法的發(fā)展，黏結(jié)劑噴射技術(shù)有潛力在制造業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

2.2 陶瓷材料選擇及其特征影響

在黏結(jié)劑噴射技術(shù)中，精選優(yōu)質(zhì)的陶瓷粉末材料是實現(xiàn)工藝優(yōu)化和提升制件品質(zhì)的核心要素之一。恰當(dāng)?shù)牟牧线x擇不僅顯著決定了成品的功能性與適用范圍，亦在降本增效方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。陶瓷粉末材料的選定，需基于目標(biāo)應(yīng)用場景深思熟慮，確立相應(yīng)的材料體系，同時必須審慎考量包括粉末的形態(tài)、粒徑及分布在內(nèi)的關(guān)鍵物理參數(shù)。這些屬性不僅直接影響了粉末的流動特性與堆積密度，也是工藝參數(shù)配置與最終產(chǎn)品性能優(yōu)化不可或缺的參考指標(biāo)。

2.2.1 粉末形態(tài)

球形與不規(guī)則形態(tài)的粉末是該技術(shù)中常用的兩種基本粉末類型，而棒狀粉末（如陶瓷晶須）也作為一種新的潛在形態(tài)被提出[79]。粉末的形態(tài)直接影響其流動性，進(jìn)而影響到粉末的振實密度、堆積密度以及最初成型產(chǎn)品中的孔隙分布。球形粉末因其較好的流動性，更有助于鋪展和成功打印，而這種流動性可以通過流動因子、豪斯納比、卡爾指數(shù)和流動速率等參數(shù)進(jìn)行量化[20]。如圖3所示[80]，流動性好的粉末能夠形成平整、密集的粉層，從而提高成型后產(chǎn)品的密度和表面品質(zhì)；相反，流動性較差的粉末可能導(dǎo)致粉層不均勻，引發(fā)成型初坯出現(xiàn)褶皺或偏移等問題，有時甚至無法成型。球形粉末由于較小的內(nèi)摩擦力而具有較高的振實密度[22]，但實際中，不規(guī)則粉末在輕微的鋪粉壓力下可能更易于緊密壓實[79]。例如Suwanprateeb 等[81]發(fā)現(xiàn)了羥基磷灰石的不規(guī)則粉末具有比球形粉末更高的鋪粉密度。

圖3 不同流動性粉末的粉床及打印零件[80]Fig.3 Powder bed and printed parts of powders with different flowability[80]

粉末密度包括堆積密度和振實密度，是預(yù)測和影響粉床密度和初坯密度的關(guān)鍵因素。Li 等[82]經(jīng)過試驗和線性回歸分析證實了粉末密度與粉床密度的相關(guān)性，并指出堆積密度的相關(guān)程度更高。另外，Suwanprateeb等[81]還發(fā)現(xiàn)，與球形粉末相比，使用不規(guī)則粉末制備的坯體在1300 ℃燒結(jié)后密度增加了32%，孔隙率減少了20%，其彎曲強(qiáng)度和模量等也更優(yōu)。綜上所述，球形粉末可以提供更佳的流動性，而不規(guī)則粉末則具有較高的堆積密度，兩者對于獲得高質(zhì)量的初坯和最終產(chǎn)品至關(guān)重要。對多數(shù)陶瓷材料而言，不規(guī)則粉體的生產(chǎn)成本較低，工藝也相對簡單。如果在相同粒徑下，不規(guī)則粉末能夠滿足鋪粉要求，那么選擇它可以減少成本，同時提高最終產(chǎn)品的性能。然而，通常不規(guī)則粉末形成的坯體孔隙分布和大小不夠均勻，若需獲得結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷部件，球形粉末將是更合適的選擇。

2.2.2 粉末粒徑和分布

陶瓷粉末的粒徑和分布對于黏結(jié)劑噴射增材制造工藝的成功至關(guān)重要，直接影響著工藝參數(shù)的選取、打印質(zhì)量和最終零件的使用性能。典型的黏結(jié)劑噴射采用的粉末粒度范圍通常介于0.3～200 μm之間[83–84]，但也有文獻(xiàn)報道所用粒徑高達(dá)355 μm[85]。適當(dāng)?shù)姆勰┝綄τ趯崿F(xiàn)預(yù)期的堆積密度、流動性以及燒結(jié)屬性至關(guān)重要，是工藝成敗的關(guān)鍵因素之一。較粗粒徑的粉末通常流動性更佳[86]，易得到平滑無缺陷的粉層，然而這也意味著必須采用更大的層厚，這可能對打印分辨率和零件的表面粗糙度產(chǎn)生負(fù)面影響；反之，細(xì)粉更易得到平滑均勻的打印層，有助于提高零件的精度和表面質(zhì)量。并且細(xì)粉通常還具有更好的燒結(jié)活性，從而降低陶瓷燒結(jié)所需要的溫度和時間[87]。但需要注意的是，細(xì)粉末的高比表面積使其對環(huán)境的敏感性增強(qiáng)[88]，因此放大了顆粒間的相互作用。當(dāng)粒徑小于一定程度，細(xì)粉在范德瓦爾斯力和氫鍵的作用下容易吸水團(tuán)聚，極大地降低了粉末的流動性，導(dǎo)致其鋪粉困難且顆粒非均勻堆積，這都會對零件質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在選取粉末粒徑時，應(yīng)平衡鋪粉的便利性與燒結(jié)性能及表面品質(zhì)的最優(yōu)化。

粒徑分布的均一性對于實現(xiàn)一致的粉床質(zhì)量和初坯結(jié)構(gòu)同樣不可或缺。如圖4[89]中的顆粒分布，狹窄而均勻的粒徑分布有利于在每一打印層中實現(xiàn)均勻的粉末填充，保證層與層之間的厚度和黏附性的一致性，從而提高陶瓷零件的結(jié)構(gòu)和性能的均質(zhì)性。而廣泛的粒徑分布以及多峰分布則能夠通過細(xì)小粉末顆粒填充在粗粒間隙中，從而實現(xiàn)更高的堆積密度[90]。應(yīng)當(dāng)注意，較窄的粒徑分布可能會導(dǎo)致燒結(jié)過程中粉末間隙難以消除。

圖4 不同的粉末粒徑分布及累計分布曲線[89]Fig.4 Different powder particle size distribution and cumulative distribution curves[89]

2.3 陶瓷粉體處理先進(jìn)性策略

粉末特性的優(yōu)化是實現(xiàn)高品質(zhì)初坯和最終零件的基石。除選擇合適的粉末特性以外，粉末工藝處理也是提升粉末成型性的關(guān)鍵手段。黏結(jié)劑噴射工藝中，通過粒度配比優(yōu)化，即混合不同粒徑粉末以實現(xiàn)更高的堆積密度，是一種普遍采用的策略。這一方法依賴于細(xì)粉填充至粗粉間隙的原理，從而提高整體粉末堆積密度，同時增強(qiáng)細(xì)粉的流動性。最佳粒徑配比的獲取，是目前研究中的一個重要議題。Du 等[91]通過離散元模型模擬了不同比例下碳化硅粉末的振實密度，并發(fā)現(xiàn)振實密度隨粗粉比例的提升而先增加后減少，這一結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相吻合（圖5（a））?；谀M得到的最佳配比來成型初坯時，相比單粒徑粉末，其致密度提升了5%。在后續(xù)的工作中，他們進(jìn)一步驗證了隨著粗粉比例增加，粉末的堆積密度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢（圖5（b））[92]。上海硅酸鹽研究所的顧薛蘇等[93]對3 種不同比例的5 級粒度SiC 粉末進(jìn)行打印和后續(xù)處理，發(fā)現(xiàn)粒度分級的試樣比單粒徑粉末的初坯密度提高了2.5%，而最終制件的彎曲強(qiáng)度增強(qiáng)了16.3%。對于不同形態(tài)與粒徑的陶瓷粉末的理想配比，仍然需要深入研究以確定。采用模擬與試驗相結(jié)合的方法，可以高效地實現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖5 不同粗粉比例對雙峰粉末振實密度和堆積密度的影響Fig.5 Influence of different coarse powder fractions on the bimodal powder tapping density and packing density

噴霧造粒是提升粉末流動性和打印性能的有效方法。盡管納米顆粒具有出色的燒結(jié)性能，但其流動性差，且易于團(tuán)聚，這限制了納米顆粒在黏結(jié)劑噴射中的應(yīng)用。Miao 等[80]通過將納米氧化鋁粉末噴霧造粒成μm 級球形粉末，顯著降低了46.2%的休止角，提高了142.6%堆積密度，并且打印燒結(jié)后的密度提升了58.4%。通過將超細(xì)粉末轉(zhuǎn)化為較粗的團(tuán)粒，不僅實現(xiàn)了超細(xì)粉末的均勻分散，同時保持了優(yōu)良的燒結(jié)性能，然而，該過程面臨的主要挑戰(zhàn)之一是確保通過黏結(jié)劑液滴介導(dǎo)的顆粒間的有效黏接，這對于維持重構(gòu)顆粒的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。

此外，將粉末床沉積轉(zhuǎn)變?yōu)闈{料層沉積是提高細(xì)粉末打印性的另一個策略。在漿料中分散超細(xì)粉末不僅能滿足鋪粉的需求，還能極大提升粉床密度。德國材料研究與發(fā)展中心的Zocca 等[94–96]在這方面已經(jīng)取得了一系列的研究成果，目前已成功應(yīng)用于Al2O3和SiC 粉末的漿料沉積。將粉末制成漿料雖然是打印細(xì)粉的有效方式，但這也使得工藝變得更加復(fù)雜，且粉末的回收利用變得更加困難（圖6[95–96]）。

圖6 碳化硅陶瓷漿料層黏結(jié)劑噴射Fig.6 Slurry-based binder jetting of SiC ceramics

3 黏結(jié)劑配置過程及作用機(jī)理

黏結(jié)劑不僅涉及到液滴的穩(wěn)定噴射，還涉及粉液之間的復(fù)雜相互作用，這些相互作用共同決定了黏結(jié)劑噴射的效果。一個理想的黏結(jié)劑應(yīng)該具備以下4 點(diǎn)特性： （1）穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定地生成連續(xù)的液滴，避免噴頭堵塞； （2）流動性，在陶瓷粉末床中均勻擴(kuò)散，確保形成的初坯結(jié)構(gòu)均勻； （3）粘接強(qiáng)度，提供足夠的粘合力，保證坯體在后處理中的完整性； （4）殘留少，在燒結(jié)后應(yīng)盡可能完全去除，避免影響成品的性能。

本章通過對現(xiàn)有黏結(jié)劑體系的研究和總結(jié)，詳細(xì)介紹了黏結(jié)劑的配置流程，并探討了各種參數(shù)對于液滴成型機(jī)理以及黏結(jié)劑在粉床上滲透動力學(xué)的影響。通過這些分析，能夠?qū)︷そY(jié)劑的設(shè)計和配置提供有價值的技術(shù)指導(dǎo)，從而在新型陶瓷制造中達(dá)到更好的黏結(jié)效果，制備出質(zhì)量更高的陶瓷零件。

3.1 黏結(jié)劑的種類與應(yīng)用前景

黏結(jié)劑的選擇對于高質(zhì)量陶瓷初坯和最終產(chǎn)品的制造至關(guān)重要。多樣化的黏結(jié)劑類型目前正成為技術(shù)創(chuàng)新的熱點(diǎn)。從有機(jī)到無機(jī)，再到水性和特殊黏結(jié)劑，各類黏結(jié)劑不僅對應(yīng)不同的材料體系，也在技術(shù)進(jìn)步中扮演著關(guān)鍵角色。

有機(jī)黏結(jié)劑的早期采用及廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)了其在粉末顆粒黏結(jié)方面的卓越性能。以石蠟、聚乙烯醋酸酯等為主的有機(jī)黏結(jié)劑，在陶瓷顆粒間提供強(qiáng)大的黏結(jié)力，是黏結(jié)劑噴射技術(shù)的先驅(qū)[79，97]。然而，有機(jī)物的高黏度和存儲難題，以及在噴射過程中的堵塞風(fēng)險[98]，要求研究者不斷創(chuàng)新其保存和應(yīng)用工藝。無機(jī)黏結(jié)劑主要由膠體硅等組成，通過酸處理或CO2氣體作用，使黏結(jié)劑與粉末顆粒反應(yīng)，表現(xiàn)出其在陶瓷制造中的獨(dú)特價值[99–100]。尤其是在砂型材料的應(yīng)用中，其牢固的黏結(jié)能力顯得尤為重要。近年來，水性黏結(jié)劑則因其環(huán)保特性和易處理性而備受關(guān)注。美國的Desktop Metal 公司和國內(nèi)的武漢易制科技有限公司等都已將此類黏結(jié)劑作為主流，主要成分包括去離子水、添加劑（分散劑、流平劑等）及黏結(jié)劑（聚乙烯醇PVA、聚乙烯亞胺PEI、聚乙烯吡咯烷酮PVP 等）[96，101–102]。這一類型的黏結(jié)劑兼具材料適配性寬泛和殘留物少的優(yōu)點(diǎn)，但仍需面對初坯強(qiáng)度較低的挑戰(zhàn)。

在特殊成分黏結(jié)劑研究領(lǐng)域，實驗室層面的探索正引領(lǐng)行業(yè)前沿。從水熱輔助無黏結(jié)劑打印技術(shù)到特殊金屬鹽[103]、納米陶瓷顆粒[104]的應(yīng)用，創(chuàng)新方案不斷涌現(xiàn)。例如，愛德華大學(xué)的Fei 等[105]提出水熱輔助技術(shù)，美麻省理工學(xué)院Cordero 等關(guān)于納米TiO2黏結(jié)劑的突破[106]，以及華東交通大學(xué)的Zhao 等[107]在降低表面粗糙度、提高彎曲強(qiáng)度的顯著成果，都表明了特殊黏結(jié)劑在材料特定需求下的巨大潛力和應(yīng)用前景。

3.2 黏結(jié)劑配置過程及其關(guān)鍵影響因素

在黏結(jié)劑噴射技術(shù)中，黏結(jié)劑墨水的配制是一個精細(xì)化且復(fù)雜的過程，直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。黏結(jié)劑墨水的構(gòu)成復(fù)雜，通常包括液態(tài)溶劑、黏結(jié)劑主體以及多種添加劑（如助溶劑、保濕劑和表面活性劑等）。圖7 展示了黏結(jié)劑配制的整體流程，包括以下關(guān)鍵階段：黏結(jié)劑成分的選擇與測試、黏結(jié)劑墨水的精確配制、液滴形成與粉床兼容性調(diào)控，以及最終的打印測試。

圖7 黏結(jié)劑配置流程Fig.7 Binder configuration process

在黏結(jié)劑材料選擇及測試階段，首要任務(wù)是基于目標(biāo)陶瓷粉末的特性及預(yù)期的后處理工藝來確定黏結(jié)劑的化學(xué)組成。這一過程涉及對粉末種類（如氧化物陶瓷采用特定金屬鹽，碳化物陶瓷則傾向于選擇聚合物或有機(jī)化合物為基的黏結(jié)劑）的考慮，并進(jìn)一步通過將黏結(jié)劑與選定的液體溶劑進(jìn)行預(yù)混合來評估其配制的可行性。這一階段的決策通常依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[19，29–30，79]及試驗數(shù)據(jù)，著重在溶劑的選擇和黏度分析上為黏結(jié)劑的最終配制提供指導(dǎo)方案。

黏結(jié)劑墨水配置階段著眼于現(xiàn)有的黏結(jié)劑和溶劑組合基礎(chǔ)上，通過精準(zhǔn)加入特定添加劑，來調(diào)整墨水的密度和流變特性，以滿足噴頭要求的黏度范圍。黏結(jié)劑墨水的流變性，包括其黏度和表面張力的調(diào)控，是實現(xiàn)優(yōu)化噴射性能的關(guān)鍵。這些參數(shù)直接影響液滴在打印過程中的形成及滲透行為[108]，Derby[109]對此進(jìn)行了精確描述，提出3 個核心參數(shù)：雷諾數(shù)（Re）、韋伯?dāng)?shù)（We）和奧內(nèi)佐格數(shù)（Oh）來分別表示墨水的黏度、表面張力和液滴形成的綜合特征。

式中，ρ、η、γ分別為密度、黏度和表面張力；v 為速度；a 為特征長度。

目前，多數(shù)噴頭采用按需噴射技術(shù)，即通過電信號或熱膨脹來壓縮噴頭內(nèi)的氣體，從而產(chǎn)生黏結(jié)劑液滴。這種液滴的生成機(jī)制對整個打印過程至關(guān)重要。Fromm[110]首次提出用參數(shù)Z=1/Oh來描述液滴的生成行為。如圖8 所示[111–112]，普遍看法是，當(dāng)Z值過低（Z<1），液體黏度和表面張力會太高，阻礙噴嘴的噴射；反之，當(dāng)Z值過高（Z>10），液體“過稀”導(dǎo)致產(chǎn)生大量的衛(wèi)星液滴，影響精準(zhǔn)打??；只有當(dāng)Z值處于特定區(qū)間（通常是1

圖8 Z 值對黏結(jié)劑液滴產(chǎn)生的影響Fig.8 Effect of Z-value on binder droplet generation

在黏結(jié)劑墨水的配置完成之后，其與粉床的相容性測試成為重要環(huán)節(jié)，即需對黏結(jié)劑液滴與粉床接觸的行為以及其在粉床上的擴(kuò)散和滲透動態(tài)進(jìn)行細(xì)致分析。黏結(jié)劑液滴與粉床的相互作用直接決定了打印初坯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和表面質(zhì)量[113–114]。當(dāng)黏結(jié)劑液滴從噴嘴噴出后，液滴會與粉末床發(fā)生一系列滲透動力學(xué)反應(yīng)，包括沖擊、潤濕、擴(kuò)散和滲透等多個階段。液滴的沖擊行為受到其體積、初始速度、黏度以及粉床表面特性的影響，通過調(diào)整雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)可以有效控制沖擊過程中的飛濺現(xiàn)象[115]。液滴的潤濕和擴(kuò)散行為主要取決于初始速度和黏度[116]，而液滴的垂直滲透深度則與液滴自身速度及粉床的孔隙率、孔隙形狀和堆積密度等因素緊密相關(guān)[117]。因此，在配制黏結(jié)劑墨水時，觀察這些行為并通過墨水中的添加劑調(diào)整液滴與粉床的相容性至關(guān)重要，以實現(xiàn)最佳的打印參數(shù)。

黏結(jié)劑墨水的配制經(jīng)過成分選擇、流變性調(diào)控和粉床相容性調(diào)整等多個階段的理論和實踐驗證后，最終需在實際設(shè)備上進(jìn)行打印測試。這一階段包含了測試打印出的結(jié)構(gòu)性能，如初坯的強(qiáng)度，以及打印復(fù)雜幾何形狀的準(zhǔn)確性和表面粗糙度的評估。綜上所述，這些步驟共同構(gòu)成了黏結(jié)劑墨水開發(fā)的完整流程，其影響因素多樣且復(fù)雜，如液滴與粉床的多元滲透機(jī)制，這些仍需進(jìn)一步的深入研究與探索。

4 陶瓷黏結(jié)劑噴射的工藝參數(shù)與后處理

在陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)中，關(guān)鍵步驟是運(yùn)用適宜比例的黏結(jié)劑來黏合陶瓷粉末，構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體。實現(xiàn)高精度初坯的基礎(chǔ)在于精確控制工藝參數(shù)。眾多研究已表明，層厚、黏結(jié)劑飽和度、鋪粉速度、打印方向以及打印策略等因素，會對初坯以及最終產(chǎn)品的精度、表面品質(zhì)和性能產(chǎn)生顯著影響。進(jìn)一步地，陶瓷初坯通常需經(jīng)歷一系列后處理工藝，以實現(xiàn)致密化并滿足最終產(chǎn)品的性能要求。

4.1 層厚的調(diào)整與影響

層厚定義為單層打印時粉末床在Z方向的高度，這一參數(shù)通常也決定了成型臺面的下降幅度，其值通常介于15～300 μm 之間[30]。層厚的選擇會對初坯的打印時長及成型質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響：較小的層厚有利于形成平滑粉床表面，提高初坯質(zhì)量，但相應(yīng)地會延長打印時間[118]。在選擇層厚時，應(yīng)權(quán)衡分辨率要求與打印效率，同時考慮到粉末顆粒的尺寸，一般認(rèn)為層厚應(yīng)大于粉末顆粒的最大直徑[119–120]，部分研究建議采用2倍[121]甚至3 倍粉末的粒徑[35，122–123]。Feng 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，隨著層厚增加，初坯的密度降低，其壓縮強(qiáng)度呈先增后減的趨勢，這可能是因為層厚增加導(dǎo)致粉床密度下降[124]。另一方面，過小的層厚可能會引起下層已打印區(qū)域在鋪粉過程中的位移，從而導(dǎo)致初坯出現(xiàn)裂紋、褶皺等缺陷，影響初坯性能[125]。Meier 等[126]通過離散元模擬考察了粉末顆粒間的墻壁效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)層厚增加反而使粉床密度升高。因此，層厚的選擇需根據(jù)具體應(yīng)用場景，平衡打印速度與零件質(zhì)量（如表面粗糙度和機(jī)械強(qiáng)度）之間的關(guān)系。

4.2 黏結(jié)劑飽和度及其影響分析

黏結(jié)劑飽和度的定義為粉床中黏結(jié)劑體積與孔隙體積的比例，是影響打印初坯結(jié)構(gòu)完整性和最終性能的關(guān)鍵指標(biāo)。計算公式如下[30，79]。

式中，S 為黏結(jié)劑飽和度；Vbinder為每層噴射黏結(jié)劑的總體積；Vpore為每層粉床中孔隙的體積；Vdrop為單個黏結(jié)劑液滴的體積；PR 為粉床的堆積比率；X、Y分別為水平方向的液滴間距；L 為打印層厚。

黏結(jié)劑飽和度對于顆粒間的有效黏合至關(guān)重要，直接影響初坯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和精度。如圖9（a）和（b）所示[98]，不適宜的黏結(jié)劑飽和度會導(dǎo)致表面缺陷，而圖9（c）[127]展示了不同飽和度下初坯的試驗狀況。黏結(jié)劑飽和度過低可能導(dǎo)致顆粒間黏附不足，引發(fā)層間剝離、強(qiáng)度降低，乃至形狀潰散[128]；反之，過高的飽和度會導(dǎo)致粉末團(tuán)聚和黏結(jié)劑積聚，影響打印層及最終零件的均勻性[129]。確定黏結(jié)劑飽和度需根據(jù)材料特性進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，Miyanaji 等[130]提出的物理模型，基于對黏結(jié)劑–粉床間毛細(xì)作用的估算，能較準(zhǔn)確地預(yù)測最佳飽和度，且與試驗結(jié)果高度吻合。因此，黏結(jié)劑飽和度作為黏結(jié)劑噴射的核心工藝參數(shù)之一，對零件的精度、機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率有著顯著影響，其最優(yōu)化需依靠綜合試驗和模擬方法實現(xiàn)。

圖9 黏結(jié)劑飽和度對初坯影響機(jī)理和相應(yīng)的初坯圖Fig.9 Mechanism of the effect of binder saturation on green parts and corresponding images

4.3 鋪粉與打印速度優(yōu)化策略

鋪粉速度和打印速度是黏結(jié)劑噴射過程中的關(guān)鍵因素，它們不僅影響最終零件的質(zhì)量，還決定成型的效率。鋪粉速度包括鋪粉輥的轉(zhuǎn)速和移動速度。隨著黏結(jié)劑噴射技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了如振蕩落粉和多級鋪粉的新型鋪粉機(jī)構(gòu)，引入了振蕩速度、重涂速度等新參數(shù)。與傳統(tǒng)的激光粉床雙缸下送粉方式不同，現(xiàn)代黏結(jié)劑噴射設(shè)備通常采用單缸上落粉方式以提升效率和降低運(yùn)動距離[131]。Barthel 等[132]的研究揭示了不同輥?zhàn)右扑伲? mm/s、20 mm/s）和鋪粉輥轉(zhuǎn)速（175 mm/s、350 mm/s）對初坯和燒結(jié)件密度的影響，指出較高的移速配合較低的轉(zhuǎn)速有助于獲得更高密度。Shrestha[128]發(fā)現(xiàn)較低的輥?zhàn)右扑儆欣谔嵘取iao 等[133]的研究則表明低移速下鋪粉質(zhì)量更優(yōu)、初坯精度更高，并指出過快的移速會導(dǎo)致密度降低。因此，合適的輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速和移速對提高粉床及初坯的密度和表面質(zhì)量至關(guān)重要。此外，為深入理解鋪粉過程中粉末的相互作用，學(xué)者們開發(fā)了一系列物理模型[134–137]。

Miyanaji 等[138]的研究表明，打印速度涉及黏結(jié)劑液滴的水平和垂直移動速度[138]，即噴頭移動速度和液滴釋放速度。如圖10（a）所示，噴頭移速增加會導(dǎo)致液滴傾斜，影響零件的精度，尤其是在X、Y方向的不對稱擴(kuò)散現(xiàn)象，使兩個方向的精度存在差異。此外，噴頭移動過快時，雖然液滴撞擊粉床會產(chǎn)生飛濺，但對精度的影響微小。如圖10（b）所示[139]，黏結(jié)劑釋放速度的增加可能導(dǎo)致液滴在粉床上反彈或飛濺，降低零件精度；而較低的速度會導(dǎo)致擴(kuò)散現(xiàn)象，影響液滴滲透和擴(kuò)散。因此，鋪粉和打印速度的平衡對于優(yōu)化生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量極為關(guān)鍵，而這些尚需要大量的工藝優(yōu)化和參數(shù)共享來實現(xiàn)。

4.4 打印方向的影響及其優(yōu)化

打印方向在黏結(jié)劑噴射過程中扮演著至關(guān)重要的角色，不僅決定了零件的機(jī)械性能和表面粗糙度，還直接影響整體質(zhì)量。Salehi 等[140]將打印方向分為層堆疊方向和零件擺放方向。如圖11（a）所示，層堆疊方向，即相對于Z軸的打印方向，對零件的孔隙率、表面質(zhì)量和機(jī)械強(qiáng)度有顯著影響[141]。Shanjani 等[142]的研究顯示，沿機(jī)械載荷方向堆疊的零件在燒結(jié)強(qiáng)度上比垂直方向高出48%，展現(xiàn)了增材制造中常見的各向異性。此現(xiàn)象在黏結(jié)劑噴射中更為明顯，尤其是層間結(jié)合強(qiáng)度較低時。但在使用球形粉末時，這種層間方向性對孔隙率和強(qiáng)度的影響相對減弱[30]。

圖11 打印方向?qū)Τ跖鞯挠绊慒ig.11 Effect of print orientation on the green parts

如圖11（b）所示[143]，零件方向則關(guān)系到其在成型臺面內(nèi)的相對位置。多項研究表明，不同的擺放方向會對零件性能產(chǎn)生不同影響[90，124，144–149]。例如，Castilho 等[145]研究發(fā)現(xiàn)，將圓柱形零件沿不同方向擺放后，其壓縮強(qiáng)度有顯著差異，其中沿噴頭移動方向（Y軸）的強(qiáng)度最高。這些研究揭示了擺放方向?qū)α慵C(jī)械性能的重要性，但對成型精度的影響相對較小。Oh 等[143]發(fā)現(xiàn)，試樣彎曲強(qiáng)度隨擺放角度的變化而減弱，且沿Y軸（噴頭移動方向）的強(qiáng)度明顯高于X軸。Asadi-Eydivand等[89]通過多孔圓柱模型分析了這一現(xiàn)象（圖11（c）），指出在黏結(jié)劑噴射中，Z方向的層接觸面積小于X和Y方向，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度較低。此外，零件方向?qū)Ρ砻娲植诙纫伯a(chǎn)生影響，Gardan[150]的研究顯示，XY平面的表面質(zhì)量更佳，而Li 等[146]也發(fā)現(xiàn)XY方向的粗糙度較低。因此，打印方向不僅影響零件的性能和表面質(zhì)量，還影響打印時間。依據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和用途，選擇恰當(dāng)?shù)拇蛴》较蚴侵陵P(guān)重要的戰(zhàn)略決策。

4.5 創(chuàng)新策略及其應(yīng)用

打印策略，最初聚焦于掃描方式，如矢量掃描、光柵掃描和光柵矢量掃描[19]。矢量掃描雖精度高，但耗時較長；光柵掃描則時間短但精度較低。目前，黏結(jié)劑噴射設(shè)備普遍采用綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的光柵矢量掃描策略。隨技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了多種創(chuàng)新打印策略。國立臺灣科技大學(xué)的Cheng 等[151]進(jìn)行了一系列試驗，發(fā)現(xiàn)灰度打印能有效提升零件的尺寸精度，如圖12（a）所示，灰度打印通過調(diào)節(jié)每個噴孔的黏結(jié)劑噴射量來實現(xiàn)不同灰度級別。這種策略通過細(xì)化控制噴墨量為方式，不僅提升了初坯精度，還減輕了液滴在邊緣的擴(kuò)散。德國夫瑯禾費(fèi)鑄造學(xué)院的Hartmann 等[152]采用灰度打印和二分法策略，提升了鑄型的表面質(zhì)量并減少階梯效應(yīng)，如圖12（b）～（d）所示。二分法通過控制特定區(qū)域的黏結(jié)劑飽和度，優(yōu)化局部液滴分布，提高表面質(zhì)量。如圖12（e）所示，Rahman 等[153]提出的“外殼”打印策略則專注于打印外輪廓部分，形成一種外殼包裹松散粉末的結(jié)構(gòu)。通過試驗比較，研究者發(fā)現(xiàn)這種策略降低了坯體中的黏結(jié)劑含量，提升了零件的純度和機(jī)械強(qiáng)度。這些創(chuàng)新策略展現(xiàn)了黏結(jié)劑噴射技術(shù)在精細(xì)度和效率上的新可能，為解決特定問題提供了關(guān)鍵途徑。

圖12 不同打印策略及其對初坯的影響Fig.12 Different printing strategies and their effects on green parts

近年來，除了掃描和打印策略外，切片軟件和打印過程的創(chuàng)新方法也受到了各界的關(guān)注?？紤]到層厚對成型質(zhì)量和效率的影響，如圖13（a）和（b）所示，土耳其馬伊斯大學(xué)的Ba? 等[154]開發(fā)了一種自適應(yīng)切片方法和可控黏結(jié)劑含量算法。該方法針對復(fù)雜零件設(shè)計，使復(fù)雜區(qū)域采用較小層厚以保證質(zhì)量，而簡單區(qū)域則使用較大層厚以提高效率。與傳統(tǒng)均勻切片相比，此法可減少38%的層數(shù)，同時維持相似表面質(zhì)量。這為復(fù)雜零件的高效制造提供了新思路，盡管目前還在試驗階段，需針對不同材料和設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化。如圖13（c）和（d）所示，Inkley 等[155]則提出了一種預(yù)潤濕工藝，以減輕液滴撞擊粉床的影響并增強(qiáng)黏結(jié)劑在粉床的潤濕性。這種工藝通過在每層打印前向粉床噴灑霧化流體混合物的方式，提高了初坯前幾層的表面質(zhì)量，并緩解了多層部件的起球現(xiàn)象，這為液滴和粉床之間表面張力差異較大的情況提供了有效的解決方案。綜上所述，隨著對工藝參數(shù)及機(jī)理的深入了解，更多創(chuàng)新的打印策略和方法將不斷出現(xiàn)，推動打印設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展。

圖13 不同打印方法對初坯及打印層質(zhì)量的影響Fig.13 Effect of different printing methods on the quality of green parts and printed layers

4.6 后處理工藝進(jìn)展與應(yīng)用

在陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)中，后處理工藝是至關(guān)重要的步驟，分為固化和脫脂等常規(guī)工藝和致密化處理兩大類。常用的致密化工藝包括固相燒結(jié)、前驅(qū)體浸滲熱解、化學(xué)氣相沉積、反應(yīng)燒結(jié)和等靜壓處理。固相燒結(jié)通過加熱和保溫來降低晶粒間表面能，促進(jìn)原子擴(kuò)散。燒結(jié)溫度和時間[76，156]、孔隙率[157]、粒徑[119]和形狀[80]等都是關(guān)鍵參數(shù)。但黏結(jié)劑噴射陶瓷初坯的孔隙率較高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%以上），固相燒結(jié)效果有限。前驅(qū)體浸滲熱解利用坯體的高孔隙率，通過負(fù)壓將前驅(qū)體溶液浸入坯體中，經(jīng)熱作用裂解得到陶瓷產(chǎn)物，已應(yīng)用于碳化硅[158]、氮化硅[159]以及氧化鈦[160]等。該工藝能在較低溫度下實現(xiàn)致密化，但成本高且應(yīng)用范圍有限。浸滲納米陶瓷漿料是另一有效手段，Zhao 等[107]通過此法得到的ZrO2坯體在1400 ℃燒結(jié)后，收縮率和表面粗糙度降低，彎曲強(qiáng)度提高145%，化學(xué)氣相沉積與前驅(qū)體浸滲熱解類似，但價格高且致密化程度有限，適用于高純陶瓷[58]。反應(yīng)燒結(jié)通過引入特定元素與坯體中的元素反應(yīng)實現(xiàn)致密化。Cramer 等[43]用此法得到的SiC 零件孔隙率低于2%，力學(xué)性能良好。反應(yīng)燒結(jié)雖可降低燒結(jié)溫度，但難以控制反應(yīng)過程。等靜壓處理能提高坯體密度，但需要額外措施避免坯體破裂[45，161]?？傮w來看，黏結(jié)劑噴射陶瓷的致密化工藝既包括傳統(tǒng)陶瓷工藝，也有針對其高孔隙率特性的創(chuàng)新工藝。根據(jù)材料特性和最終使用需求，選擇合適的工藝至關(guān)重要。

5 未來展望

5.1 粉末原材料的創(chuàng)新與標(biāo)準(zhǔn)化

雖然部分陶瓷材料已成功應(yīng)用黏結(jié)劑噴射成型，但對于航空航天等特殊領(lǐng)域，更多高性能陶瓷材料的開發(fā)仍迫在眉睫。未來的研究可以集中在開發(fā)滿足高溫穩(wěn)定性、抗熱振性和輕量化需求的新型陶瓷材料上。目前由于不同研究機(jī)構(gòu)使用的材料差異較大，迫切需要通過大數(shù)據(jù)平臺建立一套粉末選擇和處理的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫。此外，要解決微細(xì)粉末的鋪展和成型問題，如改性粉末、二次造粒、顆粒級配等，離散元仿真技術(shù)等將在新型粉末材料的鋪展和調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

5.2 黏結(jié)劑的研發(fā)與應(yīng)用

黏結(jié)劑與不同粉床的相互作用機(jī)制尚未完全清晰。今后應(yīng)開發(fā)與各類陶瓷粉床相互作用的黏結(jié)劑模型，以深入理解黏結(jié)劑在粉床表面及內(nèi)部的動力學(xué)行為?，F(xiàn)有的通用黏結(jié)劑在適應(yīng)性和強(qiáng)度方面存在局限，特別是缺乏專門針對高強(qiáng)度陶瓷材料的黏結(jié)劑。因此，未來的工作應(yīng)包括針對不同陶瓷材料的專用黏結(jié)劑研發(fā)，并建立成熟的黏結(jié)劑設(shè)計和配置標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 工藝參數(shù)優(yōu)化與后處理技術(shù)創(chuàng)新

工藝參數(shù)在影響陶瓷初坯和最終零件質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。未來的工作需要在現(xiàn)有知識的基礎(chǔ)上，為不同類型的設(shè)備構(gòu)建參數(shù)模型，并通過仿真手段預(yù)測各參數(shù)的協(xié)同效應(yīng)。在后處理方面，應(yīng)進(jìn)一步探索適用于不同陶瓷材料的技術(shù)，尤其是在燒結(jié)致密化方面。此外，如反應(yīng)燒結(jié)、滲透等近凈成型工藝應(yīng)進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍。最終目標(biāo)是開發(fā)一體化設(shè)備，實現(xiàn)陶瓷材料的成型與后處理的智能化和高效化。

5.4 復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印優(yōu)化與梯度材料的開發(fā)

航空航天等領(lǐng)域常需復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件以實現(xiàn)高性能和功能性。黏結(jié)劑噴射技術(shù)在實現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢。未來的發(fā)展將專注于打印過程的優(yōu)化，實現(xiàn)更高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印，并確保打印件具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的力學(xué)性能。多材料組合或功能梯度材料（FGM）的開發(fā)也將成為重點(diǎn)，以滿足在單一組件內(nèi)部具有逐漸變化的性能需求。

5.5 增強(qiáng)人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在黏結(jié)劑噴射技術(shù)中的應(yīng)用

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，未來可能看到這些技術(shù)在陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)研究和優(yōu)化中得到更廣泛的應(yīng)用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析大量試驗數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測材料行為、優(yōu)化工藝參數(shù)，并自動調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)置，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。此外，這些技術(shù)的應(yīng)用還能實現(xiàn)智能故障診斷和設(shè)備維護(hù)，降低運(yùn)營成本，提高生產(chǎn)的可靠性。

6 結(jié)論

本文歸納了陶瓷黏結(jié)劑噴射技術(shù)的基本原理、關(guān)鍵參數(shù)，以及國內(nèi)外發(fā)展趨勢。特別關(guān)注了流動性和堆積密度等粉末特性，以及黏度和表面張力等黏結(jié)劑特性對打印質(zhì)量的影響。指出了打印過程中層厚度和黏結(jié)劑飽和度的重要性，并強(qiáng)調(diào)了持續(xù)開發(fā)新型打印策略和針對不同材料采用特定后處理工藝的必要性。針對未來發(fā)展，文章提出開發(fā)高性能陶瓷材料以滿足特定領(lǐng)域需求；研發(fā)與陶瓷粉體高度匹配的黏結(jié)劑，提升成型件強(qiáng)度和韌性；利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能化調(diào)控；創(chuàng)新后處理技術(shù)，提高制件致密度和力學(xué)性能；探索復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多材料組合打印技術(shù)及增強(qiáng)智能化應(yīng)用以提升打印效率和降低成本。這些展望旨在引導(dǎo)陶瓷噴射技術(shù)向更高性能、更廣應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。