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陶瓷3D打印技術分析之——成型工藝分析、主流工藝難點

陶瓷3D打印技術分析之——成型工藝分析、主流工藝難點

編輯：轉自：CERADIR先進陶瓷在線 發(fā)布時間：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度的陶瓷制品，流程耗時長、成本高。陶瓷材料本質上是一種脆性材料，加之其高硬度、高耐磨性的特點，后續(xù)加工的難度與加工成本也將進一步增加。


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而相比于傳統(tǒng)的成型技術，3D打印陶瓷技術具有智能、無模、精密、高復雜度的制造能力。它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造，例如復雜多孔的細胞體陶瓷、多角度弧面的塊體陶瓷、孔隙率可調控的結構陶瓷、多材料、復雜結構的結構功能陶瓷等的制備。
目前，3D打印的成形方法眾多，由于新技術在市場上也不斷地出現，因此該領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：融熔沉積成型技術(FDM)、光固化成形技術(SLA)、激光選區(qū)燒結技術(SLS)、三維打印成型技術（3DP）、噴墨打印成型技術（ink jet printing，IJP）。

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

FDM技術的特點是將陶瓷粉體摻入有機結合劑中，并加入無定型基料粘合劑，將復合材料放入擠出機中后在稍高于其熔點的溫度下熔化，通過計算機控制制備陶瓷生坯，然后經過脫脂處理后，在適宜的高溫條件下燒制成部件。


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優(yōu)點：技術原理簡單，過程相對易于控制，不需要激光技術的幫助，具有成本低的優(yōu)點，使用維護方便。
缺點：由于該項技術需要事先加熱后再冷卻成型，這就要求3D模型不宜設計的過于小巧、內部也不宜過于致密，原因在于當前打印層已經打印上去時，此打印層還處于高溫狀態(tài)，還未完全冷卻，此狀態(tài)下再次進行打印會出現二次融化的現象，這很容易導致3D打印的制備發(fā)生變形從而制作失敗。
適用范圍：適用此項工藝的陶瓷材料必須具備一定的機械性能和熱性能；設計的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（stereo lithography apparatus，SLA）

又稱為立體印刷成型技術，是最早發(fā)展起來的快速成型技術，也是目前研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的快速成型技術之一。主要機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：

（1）成型精度極高，可制備復雜幾何形狀的零件；
（2）得到的陶瓷件燒結后致密度高，性能優(yōu)異。
缺點：
（1）需設置支撐結構，后處理麻煩，同時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）難以用此技術成型
（4）設備及材料價格較高
光固化陶瓷3D打印痛點：
（1）技術和設備門檻較高，成本也較高，需要從設備、原材料、燒結、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）固含量不會太高，燒結收縮比較大，打印與燒結過程都容易出現缺陷。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，會導致整個材料的控制不均勻，在燒結過程中容易產生裂紋、變形等缺陷，燒結完之后很多成品達不到質量要求。
（4）打印速度還不夠快，打印效率還需進一步提升。

數字光處理（Digital Light Processing，DLP）

DLP是一項使用在投影儀和背投電視中的顯像技術。DLP技術最早是由德州儀器開發(fā)的。它至今仍然是此項技術的主要供應商?；驹硎怯脭底止庠匆悦婀獾男问皆谝簯B(tài)光敏樹脂表面進行層層投影，層層固化成型。DLP技術跟SLA技術有很多相似之處，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，在產品特性、應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碼光處理器(DLP)投影儀對液體光聚合物進行逐級照射，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到線，由線到面掃描固化。所以DLP比同類SLA立體平版打印機的速度更快。

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優(yōu)點：不僅成型精確度高、品質好而且模制的物體表面光滑細膩。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：精度高的光固化3D打印機DLP機型價格高，如果是工業(yè)級的話價格會更高。DLP所用的樹脂材料比較昂貴，容易造成原材料的浪費。體光敏原材料在運用和存儲都必須閉光。
無論是SLA工藝還是DLP工藝，光固化3D打印機目前最大的問題都是樹脂問題，而平衡固化速度、硬度、柔韌性等各項特性是解決的關鍵。在制品特性較高的高端應用領域，SLA/DLP用光敏樹脂長期被國外壟斷。

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

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

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優(yōu)點：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，可制造復雜構件、不需要增加基座支撐、材料利用率高。
缺點：SLS技術利用激光束對陶瓷材料進行燒結，其對工作環(huán)境和打印設備有較高的要求。燒結而成的陶瓷坯體在打印過程中所需的預熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)也是SLS技術亟須解決的問題。同時由于采用的原料粉體需要能在激光作用下粘結并且高溫完全燒成，所以這項技術能夠制備的產品種類有限。

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

3DP技術作為3D打印技術之一，是繼SLS、FDM等應用最為廣泛的快速成型工藝技術后，發(fā)展前景最為看好的一項快速成型技術。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據運行，選擇性地在相應位置噴射粘結劑，最終構成層。在每一層粘結完畢后，成型缸下降一個等于層厚度的距離，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。如此循環(huán)，直至完成整個物體的粘結。


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優(yōu)點：無需激光器等高成本元器件，成本較低，且易操作易維護；加工速度快，可以25毫米/小時的垂直構建速度打印模型；可打印彩色原型，這是這項技術的最大優(yōu)點，它打印彩色原型后，無需后期上色，目前市面上的3D體驗館中3D打印人像基本采用此技術；沒有支撐結構，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格相對便宜，打印成本低。
缺點：產品力學性能差，強度、韌性相對較低，通常只能做樣品展示，無法適用于功能性試驗；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。
應用：目前3DP技術在生物陶瓷和功能陶瓷中取得了應用，例如利用該技術成功制備出高精度的Al2O3-ZrO2功能階梯陶瓷材料和高強度的人體石膏骨骼。

噴墨打印成型技術（ink jet printing，IJP）

該技術是在噴墨打印機的原理基礎上，結合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物進行混合制成陶瓷漿料，也稱“陶瓷墨水”，然后用噴墨打印機將這種漿料按照計算機指令逐步噴射到載體上，從而形成具有原先設計外形與尺寸的陶瓷生坯。
該項技術關鍵有兩點：一是陶瓷墨水質量，不僅要求粉末含量高，同時對分散度、抗沉淀性、黏度、干燥速率要求都很嚴格；二是打印機的控制，元件的三維模型被轉為打印控制碼，然后用程序驅動打印機動作。

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優(yōu)點：成型機理相對簡單，打印頭成本較低，若將陶瓷墨水的問題解決就可以實現該技術的產業(yè)化。
缺點：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的最大高度，所以這項技術很難制備在Z軸方向具有不同高度的三維構件，同時也無法制備具有內部多孔結構的陶瓷產品。

主流陶瓷3D打印的難點

從3D打印技術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、不易團聚、流動性好、干燥硬化快等優(yōu)點，而陶瓷材料由于自身特性（脆、熔點高）在3D打印方面還有許多需要克服的難點：
1、陶瓷粉末和黏結劑粉末的配比會影響陶瓷零件的性能。黏結劑含量越多，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、光敏樹脂的熔點較低，液態(tài)樹脂具有高黏性而導致流動性較差，在每層固化后液面很難在短時間內迅速撫平，將會影響實體的成型精度。
3、陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大，在快速凝固過程中會產生較大的熱應力，從而形成較多微裂紋。
4、精度和效率，作為機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比較低。






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