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陶瓷3D打印技術(shù)分析之——成型工藝分析、主流工藝難點(diǎn)

陶瓷3D打印技術(shù)分析之——成型工藝分析、主流工藝難點(diǎn)

編輯：轉(zhuǎn)自：CERADIR先進(jìn)陶瓷在線 發(fā)布時(shí)間：2023-03-10
傳統(tǒng)陶瓷成型工藝都需要借助事先制好的模具才能制備出具有一定形狀和強(qiáng)度的陶瓷制品，流程耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。陶瓷材料本質(zhì)上是一種脆性材料，加之其高硬度、高耐磨性的特點(diǎn)，后續(xù)加工的難度與加工成本也將進(jìn)一步增加。


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而相比于傳統(tǒng)的成型技術(shù)，3D打印陶瓷技術(shù)具有智能、無模、精密、高復(fù)雜度的制造能力。它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造，例如復(fù)雜多孔的細(xì)胞體陶瓷、多角度弧面的塊體陶瓷、孔隙率可調(diào)控的結(jié)構(gòu)陶瓷、多材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)功能陶瓷等的制備。
目前，3D打印的成形方法眾多，由于新技術(shù)在市場(chǎng)上也不斷地出現(xiàn)，因此該領(lǐng)域還處于不斷變化中。在此，主要介紹較為常見的幾種陶瓷3D打印成形技術(shù)：融熔沉積成型技術(shù)(FDM)、光固化成形技術(shù)(SLA)、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)、三維打印成型技術(shù)（3DP）、噴墨打印成型技術(shù)（ink jet printing，IJP）。

熔融沉積成型技術(shù)（Fused deposition modeling,FDM）

FDM技術(shù)的特點(diǎn)是將陶瓷粉體摻入有機(jī)結(jié)合劑中，并加入無定型基料粘合劑，將復(fù)合材料放入擠出機(jī)中后在稍高于其熔點(diǎn)的溫度下熔化，通過計(jì)算機(jī)控制制備陶瓷生坯，然后經(jīng)過脫脂處理后，在適宜的高溫條件下燒制成部件。


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優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)原理簡(jiǎn)單，過程相對(duì)易于控制，不需要激光技術(shù)的幫助，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，使用維護(hù)方便。
缺點(diǎn)：由于該項(xiàng)技術(shù)需要事先加熱后再冷卻成型，這就要求3D模型不宜設(shè)計(jì)的過于小巧、內(nèi)部也不宜過于致密，原因在于當(dāng)前打印層已經(jīng)打印上去時(shí)，此打印層還處于高溫狀態(tài)，還未完全冷卻，此狀態(tài)下再次進(jìn)行打印會(huì)出現(xiàn)二次融化的現(xiàn)象，這很容易導(dǎo)致3D打印的制備發(fā)生變形從而制作失敗。
適用范圍：適用此項(xiàng)工藝的陶瓷材料必須具備一定的機(jī)械性能和熱性能；設(shè)計(jì)的3D模型一般為高孔隙率、管狀支撐的多孔形態(tài)。

光固化快速成型技術(shù)（stereo lithography apparatus，SLA）

又稱為立體印刷成型技術(shù)，是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)，也是目前研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型技術(shù)之一。主要機(jī)制是采用一種在紫外光照射下能夠迅速固化的光敏液態(tài)樹脂為原料，通過紫外光選擇性地輻照某一層液體，最終成型出部分區(qū)域固化的零部件。


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優(yōu)點(diǎn)：

（1）成型精度極高，可制備復(fù)雜幾何形狀的零件；
（2）得到的陶瓷件燒結(jié)后致密度高，性能優(yōu)異。
缺點(diǎn)：
（1）需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，后處理麻煩，同時(shí)需考慮二次固化問題
（2）受到光源等因素限制了其成型尺寸
（3）折射率較高的陶瓷材料（如SiC折射率為2.65、Si為3.9）難以用此技術(shù)成型
（4）設(shè)備及材料價(jià)格較高
光固化陶瓷3D打印痛點(diǎn)：
（1）技術(shù)和設(shè)備門檻較高，成本也較高，需要從設(shè)備、原材料、燒結(jié)、后處理等多方緊密配合研究。
（2）陶瓷膏料漿料的制備是至關(guān)重要的，它們必須具有理想的特性（比如流變性，粘度，顆粒大小等），同時(shí)需要解決陶瓷顆粒與樹脂的密度（光敏樹脂密度約1.13，氧化鋯約5.89，氧化鋁約3.97）及折射率（光敏樹脂折射率約1.51，氧化鋯約2.17，氧化鋁約1.76）不同而導(dǎo)致陶瓷顆粒沉降和光吸收的問題。選擇合適顆粒大小、粒徑分布集中的陶瓷粉末，配置高固含量陶瓷漿料、低粘度、流動(dòng)性好的溫度均勻的陶瓷漿料是陶瓷3D打印材料的主要問題，也是制約高精度陶瓷3D打印的主要原因之一。
（3）固含量不會(huì)太高，燒結(jié)收縮比較大，打印與燒結(jié)過程都容易出現(xiàn)缺陷。陶瓷類漿料（氧化鋯、氧化鋁、HA等）是樹脂和陶瓷類粉末的混合物，其在室溫下的高粘性，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料的控制不均勻，在燒結(jié)過程中容易產(chǎn)生裂紋、變形等缺陷，燒結(jié)完之后很多成品達(dá)不到質(zhì)量要求。
（4）打印速度還不夠快，打印效率還需進(jìn)一步提升。

數(shù)字光處理（Digital Light Processing，DLP）

DLP是一項(xiàng)使用在投影儀和背投電視中的顯像技術(shù)。DLP技術(shù)最早是由德州儀器開發(fā)的。它至今仍然是此項(xiàng)技術(shù)的主要供應(yīng)商。基本原理是用數(shù)字光源以面光的形式在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行層層投影，層層固化成型。DLP技術(shù)跟SLA技術(shù)有很多相似之處，其工作原理也是利用液態(tài)光敏聚合物在光照下固化的特征。兩者屬于同屬一類，工藝過程也比較接近，在產(chǎn)品特性、應(yīng)用類別等方面基本無差別。但是兩者在光源上都有一定的區(qū)別，前一種是采用高分辨率的數(shù)碼光處理器(DLP)投影儀對(duì)液體光聚合物進(jìn)行逐級(jí)照射，每一層都以滑片的形式固化。而SLA加工工藝則是激光束由點(diǎn)到線，由線到面掃描固化。所以DLP比同類SLA立體平版打印機(jī)的速度更快。

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優(yōu)點(diǎn)：不僅成型精確度高、品質(zhì)好而且模制的物體表面光滑細(xì)膩。它的成型速度相比之下速度較快，而且比SLA的成型工藝快很多。
缺點(diǎn)：精度高的光固化3D打印機(jī)DLP機(jī)型價(jià)格高，如果是工業(yè)級(jí)的話價(jià)格會(huì)更高。DLP所用的樹脂材料比較昂貴，容易造成原材料的浪費(fèi)。體光敏原材料在運(yùn)用和存儲(chǔ)都必須閉光。
無論是SLA工藝還是DLP工藝，光固化3D打印機(jī)目前最大的問題都是樹脂問題，而平衡固化速度、硬度、柔韌性等各項(xiàng)特性是解決的關(guān)鍵。在制品特性較高的高端應(yīng)用領(lǐng)域，SLA/DLP用光敏樹脂長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。

激光選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)（selective laser sintering，SLS）

又稱為選擇性激光燒結(jié)工藝，基礎(chǔ)原理與三維印刷技術(shù)類似，就是將黏結(jié)劑換成激光束，利用激光束沿著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的路徑逐點(diǎn)掃描粉體的表面，受到掃描的部位就會(huì)局部受熱，致使顆粒自身熔化或在雙方在黏合劑的作用下產(chǎn)生良好的粘結(jié)。在上一層激光掃描粉體粘結(jié)完成后再在新一層的粉料進(jìn)行添加，激光掃描后再次形成新一層的三維結(jié)構(gòu)。如此按照上述過程周期反復(fù)性的逐層激光掃描、高溫熔化以及局部粘結(jié)運(yùn)作后，最終就可以得到區(qū)域結(jié)構(gòu)不同的立體部件。

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優(yōu)點(diǎn)：能夠在無需支撐的條件下，直接制備塑料、金屬或陶瓷，材料選擇廣泛，并且成型精度較高，可制造復(fù)雜構(gòu)件、不需要增加基座支撐、材料利用率高。
缺點(diǎn)：SLS技術(shù)利用激光束對(duì)陶瓷材料進(jìn)行燒結(jié)，其對(duì)工作環(huán)境和打印設(shè)備有較高的要求。燒結(jié)而成的陶瓷坯體在打印過程中所需的預(yù)熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)也是SLS技術(shù)亟須解決的問題。同時(shí)由于采用的原料粉體需要能在激光作用下粘結(jié)并且高溫完全燒成，所以這項(xiàng)技術(shù)能夠制備的產(chǎn)品種類有限。

三維打印成型技術(shù)（three-dimensional printing，3DP）

3DP技術(shù)作為3D打印技術(shù)之一，是繼SLS、FDM等應(yīng)用最為廣泛的快速成型工藝技術(shù)后，發(fā)展前景最為看好的一項(xiàng)快速成型技術(shù)。也被稱為粘合噴射、噴墨粉末打印。噴頭在電腦控制下，按照模型截面的二維數(shù)據(jù)運(yùn)行，選擇性地在相應(yīng)位置噴射粘結(jié)劑，最終構(gòu)成層。在每一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)等于層厚度的距離，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并由鋪粉輥推到成型缸，鋪平再被壓實(shí)。如此循環(huán)，直至完成整個(gè)物體的粘結(jié)。


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優(yōu)點(diǎn)：無需激光器等高成本元器件，成本較低，且易操作易維護(hù)；加工速度快，可以25毫米/小時(shí)的垂直構(gòu)建速度打印模型；可打印彩色原型，這是這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)，它打印彩色原型后，無需后期上色，目前市面上的3D體驗(yàn)館中3D打印人像基本采用此技術(shù)；沒有支撐結(jié)構(gòu)，與SLS一樣，粉末可以支撐懸空部分，而且打印完成后，粉末可以回收利用，環(huán)保且節(jié)省開支。耗材和成形材料的價(jià)格相對(duì)便宜，打印成本低。
缺點(diǎn)：產(chǎn)品力學(xué)性能差，強(qiáng)度、韌性相對(duì)較低，通常只能做樣品展示，無法適用于功能性試驗(yàn)；表面手感略顯粗糙，這是以粉末為成形材料的工藝都有的缺點(diǎn)。
應(yīng)用：目前3DP技術(shù)在生物陶瓷和功能陶瓷中取得了應(yīng)用，例如利用該技術(shù)成功制備出高精度的Al2O3-ZrO2功能階梯陶瓷材料和高強(qiáng)度的人體石膏骨骼。

噴墨打印成型技術(shù)（ink jet printing，IJP）

該技術(shù)是在噴墨打印機(jī)的原理基礎(chǔ)上，結(jié)合3D打印的理念發(fā)展而來。
工藝流程為：首先將陶瓷粉料與各種添加劑和有機(jī)物進(jìn)行混合制成陶瓷漿料，也稱“陶瓷墨水”，然后用噴墨打印機(jī)將這種漿料按照計(jì)算機(jī)指令逐步噴射到載體上，從而形成具有原先設(shè)計(jì)外形與尺寸的陶瓷生坯。
該項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是陶瓷墨水質(zhì)量，不僅要求粉末含量高，同時(shí)對(duì)分散度、抗沉淀性、黏度、干燥速率要求都很嚴(yán)格；二是打印機(jī)的控制，元件的三維模型被轉(zhuǎn)為打印控制碼，然后用程序驅(qū)動(dòng)打印機(jī)動(dòng)作。

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優(yōu)點(diǎn)：成型機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單，打印頭成本較低，若將陶瓷墨水的問題解決就可以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
缺點(diǎn)：噴墨打印成型也存在一定的局限性，例如由于墨水液滴的大小限制了打印點(diǎn)的最大高度，所以這項(xiàng)技術(shù)很難制備在Z軸方向具有不同高度的三維構(gòu)件，同時(shí)也無法制備具有內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)品。

主流陶瓷3D打印的難點(diǎn)

從3D打印技術(shù)的工作原理可以看出，其成型粉末需要具備材料成型好、粉末粒度小、不易團(tuán)聚、流動(dòng)性好、干燥硬化快等優(yōu)點(diǎn)，而陶瓷材料由于自身特性（脆、熔點(diǎn)高）在3D打印方面還有許多需要克服的難點(diǎn)：
1、陶瓷粉末和黏結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響陶瓷零件的性能。黏結(jié)劑含量越多，固化比較容易，但在后期處理中零部件收縮比較大，影響零件的尺寸精度。
2、光敏樹脂的熔點(diǎn)較低，液態(tài)樹脂具有高黏性而導(dǎo)致流動(dòng)性較差，在每層固化后液面很難在短時(shí)間內(nèi)迅速撫平，將會(huì)影響實(shí)體的成型精度。
3、陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微裂紋。
4、精度和效率，作為機(jī)械工程的零部件來說，目前3D打印成品的精度和表面光滑度還達(dá)不到要求。另外，要把精度分辨得極高以后，它必然帶來的問題就是效率會(huì)比較低。