陶瓷是一種傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料，精美實(shí)用，已經(jīng)有了上千年的歷史。硬而脆的特點(diǎn)使陶瓷材料加工成形尤其困難，傳統(tǒng)陶瓷制作工藝只能制造簡(jiǎn)單三維形狀的產(chǎn)品，而且成本高、周期長(zhǎng)。陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展使復(fù)雜陶瓷產(chǎn)品制作成為可能，3D打印技術(shù)所具有的操作簡(jiǎn)單、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)給陶瓷注入了新的活力。國(guó)外已有很多研究，出現(xiàn)了3DCeram、Lithoz等專注陶瓷3D打印的公司?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)陶瓷3D打印技術(shù)還不夠成熟，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等科研單位正在鉆研，也涌現(xiàn)出了十維科技等敢于探索的企業(yè)。
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材料及使用
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特點(diǎn)，是三大固體材料之一?，F(xiàn)在陶瓷3D打印制作的主要有氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、磷酸鈣陶瓷等。
用途廣泛的陶瓷材料
陶瓷3D打印可以制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高精度的多功能陶瓷，在建筑、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天航空等領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的使用，在陶瓷形芯、骨科替代物、催化器等方向具有很好的使用未來(lái)，將給我們的生活帶來(lái)巨大改變。
配料
根據(jù)成形技術(shù)和最終的性能要求，選擇合適的原材料，一般包括陶瓷粉末、粘結(jié)劑、添加劑，按一定比例混合均勻。
用于3D打印的陶瓷材料形態(tài)包括：
漿料，陶瓷成分與其他溶劑及添加劑的混合物，通過(guò)物理、化學(xué)的方式成形;
陶瓷絲材，用于熔融堆積工藝;
陶瓷粉末，陶瓷粉末、礦化物、粘結(jié)劑等的混合物，用于激光燒結(jié)、粘接等;
陶瓷薄片，片壓成形、粘接。
3D打印成形
運(yùn)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)陶瓷零件成形，得到特定形狀結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體。具體方式見(jiàn)后文對(duì)各種陶瓷3D打印成形技術(shù)的介紹。
坯體后處理
對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行清洗、表面增強(qiáng)、修復(fù)、干燥等后處理，使坯體的強(qiáng)度、精度等性能達(dá)到要求，有利于之后的熱處理環(huán)節(jié)。
脫脂和燒結(jié)
將完好的坯體放入爐子中，按照設(shè)定好的溫度制度、焙燒氣氛和壓力進(jìn)行熱處理。這個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段：加熱到600多℃脫去坯體中的有機(jī)物，這是十分敏感容易出現(xiàn)缺陷的階段;加熱到1000多℃實(shí)現(xiàn)致密化、形成陶瓷，這是晶粒長(zhǎng)大、晶界形成、實(shí)現(xiàn)陶瓷強(qiáng)度的過(guò)程，決定著制品的最終性能。燒結(jié)完成等冷卻后便可得到最終的陶瓷產(chǎn)品了。
陶瓷3D打印成形技術(shù)
現(xiàn)在陶瓷3D打印成形技術(shù)主要可以分為噴墨打印技術(shù)(IJP)、熔融沉淀技術(shù)(FDM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 和立體光固化技術(shù)(SLA)。運(yùn)用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過(guò)高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件。根據(jù)成形方式和運(yùn)用原料的不一樣，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展程度也有差距。
噴墨打印技術(shù)(IJP)
主要分為三維打印和噴墨沉積法。 三維打印是由MIT開(kāi)發(fā)出來(lái)的，首先將粉末鋪在工作臺(tái)上，通過(guò)噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個(gè)層，而后，工作臺(tái)下降，填粉后重復(fù)上述過(guò)程直至做出整個(gè)部件。所用的粘結(jié)劑有硅膠、高分子粘結(jié)劑等。三維打印法可以方便地控制陶瓷坯體的成分和顯微結(jié)構(gòu)，但是坯體需要后處理，而且精度低、強(qiáng)度低。
噴墨沉積法是由Brunel大學(xué)的Evans和Edirisingle研制出來(lái)的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。該工藝的關(guān)鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，現(xiàn)在運(yùn)用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制約其發(fā)展的原因主要是陶瓷墨水的配置和噴墨打印頭的堵塞。
漿料擠出成形技術(shù)(相似FDM)
與塑料3D打印的熔融沉積成形(FDM)相似，基本都是由供料輥、導(dǎo)向套和噴頭3個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先熱熔性絲狀材料(混有陶瓷粉末的噴絲)經(jīng)過(guò)供料輥，在從動(dòng)輥和主動(dòng)輥的配合作用下進(jìn)入導(dǎo)向套，利用導(dǎo)向套的低摩擦性質(zhì)使得絲狀材料精準(zhǔn)連續(xù)地進(jìn)入噴頭。材料在噴頭內(nèi)加熱熔化后擠出噴嘴，擠出后的陶瓷高分子復(fù)合材料因?yàn)闇夭疃?，按照?guī)劃好的原件造型進(jìn)行3D打印。
也有部分工藝采用高粘度的陶瓷漿料作為原材料，直接通過(guò)噴嘴擠出后在空氣中干燥固化。
本技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)多種材料組合，但擠出最小直徑有限，在結(jié)構(gòu)上受到局限，精度較低，比較適用于陶瓷工藝品和多孔材料的生物制造領(lǐng)域。本技術(shù)需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)、噴頭溫度高、對(duì)于原料的要求高。
分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)
一種薄片材料疊加工藝，又稱為薄形材料選擇性切割。直接通過(guò)激光切割薄膜材料(含粘結(jié)劑)，移動(dòng)升降工作臺(tái)，切割新的一層薄膜材料疊加在之前的一層材料上，在熱粘壓部件的作用下粘結(jié)成形，是一種直接由層到立體零件的過(guò)程。
成形速度快，適合用于制造層狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件;不需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，后期處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單。陶瓷薄片材料可以利用流延法制作得到，國(guó)內(nèi)外對(duì)流延法制作陶瓷薄片材料的技術(shù)也已經(jīng)比較成熟，原料的獲得方便快捷。但是，由于采用的薄膜材料需要進(jìn)行切割疊加，不可避免地產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用率有待提升。同時(shí)打印過(guò)程采用的激光切割增加了打印成本。不合適打印復(fù)雜、中空的零件，層與層之間存在較為顯著的臺(tái)階效應(yīng)，最終成品的邊界需要進(jìn)行拋光打磨處理。
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)
主要通過(guò)壓輥、激光器、工作臺(tái)3個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷3D打印。通過(guò)壓輥將粉末鋪在工作臺(tái)上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺(tái)下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復(fù)操作同一步驟，最終打印出成品。
由于直接對(duì)陶瓷進(jìn)行燒結(jié)比較困難，需在陶瓷粉中加入粘結(jié)劑或者將原料制成覆膜陶瓷的結(jié)構(gòu)。粘結(jié)劑的種類、用量以及加入粘結(jié)劑后的陶瓷密度低、力學(xué)性能差等方面的問(wèn)題一直制約著該技術(shù)的發(fā)展，難以得到高精度、高強(qiáng)度、高致密度的陶瓷零件。同時(shí)，由于運(yùn)用激光，該技術(shù)打印陶瓷零件成本高、后期維護(hù)較為繁瑣。
立體光刻技術(shù)(SLA)
又稱光固化成形技術(shù)。根據(jù)光源種類及作用方式的不一樣，分為激光掃描固化(SLA)和DLP(Digital Light Processing，數(shù)字光處理)面固化工藝。
SLA技術(shù)是通過(guò)激光的掃描曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化。通過(guò)紫外激光束，按照規(guī)劃好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹(shù)脂混合液體，逐點(diǎn)固化，由點(diǎn)及線，由線到面。通過(guò)xy方向固化成面后，通過(guò)升降臺(tái)在z軸方向的移動(dòng)，層層疊加完成三維打印陶瓷零件。DLP技術(shù)是通過(guò)面光源的投影曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化。以能在紫外光下固化的液態(tài)樹(shù)脂為粘結(jié)劑，與陶瓷粉體等原料混合配制出陶瓷漿料，計(jì)算機(jī)根據(jù)每個(gè)截面的輪廓線控制紫外光照射相應(yīng)區(qū)域，漿料很快固化形成一層輪廓，逐層疊加，新固化的一層粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至成形完畢。
光固化成形技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)較為成熟，適用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件，已有公司研究出光固化3D打印設(shè)備。
陶瓷3D打印公司
隨著陶瓷3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出了一批專注陶瓷3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的公司，技術(shù)原理大都是立體光刻?，F(xiàn)在，這些公司在材料和設(shè)備研究方面取得了一定進(jìn)展，開(kāi)始出售陶瓷3D打印機(jī)，提供打印服務(wù)。
3DCERAM
創(chuàng)建于2001年，位于著名的法國(guó)瓷都利摩日，是世界范圍內(nèi)陶瓷3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一。十多年前，公司決定運(yùn)用立體光刻技術(shù)(SLA)生產(chǎn)功能陶瓷。2005年，3DCeram與利摩日大學(xué)Brie du CHU教授一起合作推出了3D打印陶瓷植入物。漸漸地，也探索了其他市場(chǎng)，到現(xiàn)在已經(jīng)與工業(yè)、航空、珠寶以及鐘表等諸多不一樣領(lǐng)域的客戶建立和良好的合作關(guān)系，為其打印陶瓷樣品。
公司產(chǎn)品
大型工業(yè)級(jí)陶瓷3D打印機(jī)CERAMAKER：打印幅面為300*300*150mm，光源為激光，200um以上的細(xì)節(jié)可準(zhǔn)確表現(xiàn)，于2015年推出。
桌面級(jí)陶瓷3D打印機(jī)C30：與德國(guó)Rapidshape公司聯(lián)合研究，打印幅面為50*40mm。
3DMIX打印材料：打印機(jī)配套的打印材料，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的材質(zhì)包括氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、羥基磷灰石(HAP)以及磷酸三鈣(TCP)等。FCP服務(wù)：快速響應(yīng)的打印服務(wù)，滿足客戶對(duì)復(fù)雜形狀陶瓷產(chǎn)品制造需要。
Lithoz
奧地利高性能陶瓷3D打印公司，分拆自維也納技術(shù)大學(xué)。2014年獲得來(lái)自著名的3D打印機(jī)廠商EOS公司創(chuàng)始人兼CEO Hans J. Langer博士的投資。
Lithoz的專利技術(shù)——基于光刻的陶瓷制造(LCM)技術(shù)——能夠3D打印出具有高精確度、細(xì)節(jié)精致、高密度和強(qiáng)度的陶瓷對(duì)象。 LCM技術(shù)是基于一種含有均勻分散的陶瓷粒子的感光樹(shù)脂的選擇性固化，該技術(shù)運(yùn)用光聚合物作為陶瓷顆粒之間的粘合劑，從而能夠精確生成密度較高的陶瓷生坯。該方式的核心是一種專門(mén)規(guī)劃的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)最新的LED技術(shù)轉(zhuǎn)化每層信息并投射到感光樹(shù)脂上。這種成像技術(shù)與特殊的光學(xué)投影元器件一起，可以制造出具有非常精細(xì)細(xì)節(jié)的小型結(jié)構(gòu)。
打印機(jī)CeraFab 7500精度為50um，打印幅面為76*43*150mm。
VormVrij 3D
荷蘭3D打印先驅(qū)，由規(guī)劃師duo Yao和Marlieke創(chuàng)立，兩位創(chuàng)始人均畢業(yè)于荷蘭愛(ài)恩德霍芬規(guī)劃學(xué)院(Design Academy Eindhoven )。2015年初，結(jié)合3D打印和陶瓷專業(yè)知識(shí)，他們開(kāi)發(fā)了一款高效、可靠的陶瓷3D打印機(jī)LUTUM，原料為粘土，經(jīng)過(guò)多次迭代后又推出了該打印機(jī)的Mini版和XL版，以及可以實(shí)現(xiàn)雙色陶瓷3D打印的LUTUM Dual。
LUTUM Mini：構(gòu)建體積為43x43x45 cm (4,495歐元)
LUTUM Dual：構(gòu)建體積為40x40x45 cm (仍是試驗(yàn)性的， 6,284歐元)
LUTUM MXL：構(gòu)建體積為 43x43x78 cm ( 5,395歐元)
2016年VormVrij 3D發(fā)布了其LUTUM系列粘土3D打印機(jī)的升級(jí)版。通過(guò)一系列創(chuàng)新，他們提升了打印機(jī)的辨別率，甚至還使其能打印可食用的材料。
十維科技
國(guó)內(nèi)首家推出高性能DLP光固化陶瓷3D打印機(jī)的企業(yè)，核心成員來(lái)自清華、北大、中科院。十維科技堅(jiān)持以研究為導(dǎo)向，融合十余年制造業(yè)一線經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期設(shè)備和材料研究，于2016年底推出了高性能陶瓷光固化3D打印機(jī)AUTOCERA。2017年2月，首臺(tái)AUTOCERA完成性能測(cè)驗(yàn)，交付北京理工大學(xué)。
AUTOCERA具有精度高、節(jié)約材料、參數(shù)開(kāi)放等特點(diǎn)，特別適合從事陶瓷研究的高校與科研院所。
陶瓷3D打印技術(shù)的使用未來(lái)十分廣闊，市場(chǎng)潛力巨大，是現(xiàn)在熱門(mén)的研究方向。材料和設(shè)備研究依舊是接下來(lái)的重難點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)使用將會(huì)逐步落地。
關(guān)鍵詞： 辦公設(shè)備 淺談3D打印陶瓷技術(shù)
