陶瓷材料快速成型技术及优点分析

刘玉涛++花拥斌++程章云++朱祚祥++徐佳杰++宁翔

【摘 要】目前陶瓷材料快速成型技术主要有：熔融沉积成型技术、三维打印成型技术、喷墨打印成型技术、分层实体成型技术、立体光刻成型技术、选区激光烧结成型；其主要优点为：能快速地打印出自己想要的陶瓷产品的形状、节省了成本、打破了传统陶艺的规则形体。阐述了现阶段陶瓷快速成型技术面临的问题及未来的研究方向。

【关键词】陶瓷；快速成型；优点；面临问题

1.引言

快速成型技术，俗称3D打印，是集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术[1]。至1984年Charles Hull发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术以来，快速成型技术得到飞速发展。计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的得到了广泛应用。笔者结合自身的求学经历和阅读文献，分别从几种主要的陶瓷快速成型技术、陶瓷快速成型的特点和陶瓷快速成型的展望，总结了现阶段陶瓷快速成型技术的发展状况。

2.几种主要的陶瓷快速成型技术

2.1熔融沉积成型技术

熔融沉积成型（Fused Deposition of Ceramics，FDC）技术是美国Rutgers大学和Argonne国家实验室研发的[3]，该技术采用与FDM（Fused Deposition Modeling）类似工艺，使用陶瓷高分子复合原料通过挤制工艺形成的细丝来成型三维立体的陶瓷坯体。在此工艺中，将陶瓷粉与高分子粘结剂混合制备细丝是关键，需要合适的粘度、柔韧性、弯曲模量、强度和结合性能等。目前已开发出制备细丝专用的热塑性结合剂，主要由聚合物、弹性体、石蜡及增粘剂构成。

2.2三维打印成型技术

三维打印成型（Threedimensionalprinting，3DP）技术是根据计算機输出的二维像素的信息，利用喷嘴向待成型的陶瓷粉床上喷射结合剂，喷射打印完一层后，粉料床通过底部的活塞向下移动一点的距离，并在粉料床顶部添加新的粉料，然后再喷射打印结合剂，重复此过程，完成后除去未喷射结合的粉料，即可得到要成型的立体工件。三维打印可用于成型陶瓷、金属、金属陶瓷复合材料及高分子材料。目前已商业化的三维打印技术主要是用于打印制备金属铸造用陶瓷模具，材质可以是氧化铝、氧化锆、氧化硅、锆英砂和碳化硅，而常用的结合剂为硅溶胶[4]。

2.3喷墨打印成型技术

陶瓷喷墨打印成型技术（Ceramicink jet printing）是从三维打印成型发展而来，同时结合了用于文字输出的喷墨打印机的原理。目前喷墨打印成型技术可以采用连续式喷墨打印机（Continuous Ink-jetPrinter）和间歇式喷墨打印机（Dropon Demand JetPrinter）。连续式喷墨打印技术具有较高的成型效率，而间歇式打印技术具有较高墨水利用率，而且可以方便的实现对陶瓷部件成分的逐点控制。对于喷墨打印成型技术来讲，陶瓷墨水的配制是关键。要求陶瓷粉体在墨水中具有良好均匀的分散，并且陶瓷墨水需要合适的粘度、表面张力及电导率，较快的干燥速率和尽可能高的固相含量。

2.4分层实体成型技术

分层实体成型技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）是美国的Helisys公司Lone Peak Engineering公司开发并实现商业化的，该工艺是利用激光在x-y方向的移动切割每一层薄片材料，每完成一层的切割，控制工作平台在z方向的移动以叠加新一层的薄片材料。激光的移动由计算机控制，层与层之间的结合可以通过粘结剂加热或热压来实现。由于该方法只需要切割出轮廓线，因此成型速度较快，并且非常适合制造层状复合材料。LOM工艺已成功应用于结构陶瓷部件的制备。

2.5立体光刻成型技术

立体光刻成型又称为立体印刷成型或光敏固化成型，这种方法最早由3D Systems公司开发成功。最初该技术主要应用于高分子材料的成型，后来将其用于陶瓷成型，其基本过程是将陶瓷粉与可光固化的树脂混合制成陶瓷料浆，铺展在工作平台上，通过计算机控制紫外线选择性照射溶液表面，陶瓷料浆中的溶液通过光聚合形成高分子聚合体并与陶瓷相结合；通过控制工作平台在z方向的移动，可以使新的一层料浆流向已固化部分表面，如此反复工作，最终就可以形成陶瓷坯体。

2.6选区激光烧结成型

激光选区烧结成型（SLS）最初是由美国德克萨斯大学的Deckard于1986年提出的，后来美国DTM公司和德国EOS公司先后开发成功基于SLS技术的成型系统；其商品化的SLS 125型采用的是20W的二氧化碳激光器，可制造的最大工件直径为30.5cm。在激光选区烧结成型中，粘结剂可以直接混合或包覆在陶瓷粉末表面，激光选区烧结成型的陶瓷只是一个坯体，因为在SLS过程中，激光对粉末颗粒的能量辐射时间极短，一般在0.1ms～0.1s，在极短的时间内几乎不能实现粉末间的熔化连接，只能与陶瓷粉末混合或表面包覆的粘结剂形成粘性熔体来实现陶瓷颗粒之间的结合；因此，一般经SLS加工的陶瓷坯体致密化程度较低，需要后续的烧结处理。

3.陶瓷快速成型的优点

3.1快速地形成自己想要的陶瓷产品的形状

传统制作陶瓷的方法是必须拥有精湛的技术，而快速成型技术大大缩减了繁杂制作过程，减去了对于拉坯的高手艺要求，使得普通人也可以做出自己想要的陶瓷。

3.2采用陶土作为原材料节省了成本

陶瓷材料快速成型采用的原材料为陶土，相对金属费用大大降低，且对于设备技术要求没有成型金属的高。

3.3陶瓷快速成型技术打破了传统陶艺的规则形体

传统陶艺因为受到拉坯技术的限制，所以只能制作出规则的形体.如果想做不规则的形体只能开模或纯手工制作，不仅增加了物质成本而且增加了时间成本。快速成型技术采用计算机建模的形式与电脑连接进行直接打印，不用手工拉坯，可以制作出自己想要的形体，也可以制作出各式各样不规则的形体，使得陶瓷行业更加丰富多彩，市场更加多样化。

4.陶瓷快速成型面临问题和展望

目前为止，国外RP技术相对比较成熟，相应的技术已经大规模市场化，美国已经基本形成产业链。而国内较国外发展相差近10年，还处向产业化阶段迈进的时期[5][6]。我国的RP技术还存在制造精度差、强度低和价格高等不足之处。目前RP技术选用的陶瓷材料比较有限，但是这不能掩饰其快速制造复杂形状的陶瓷构件的优点，因此，其应用前景相当广阔。将来，研究人员应当集中力量研究快速成型用新材料。这是因为快速成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于再处理或二次加工[7]。同时还要注意在提高新材料性能的同时，要尽可能地降低成本。

参考文献：

[1]朱建军，徐新成，赵中华.快速成型工艺探究[J].实验室研究与探索，2013（8）：261-264.

[2]冼志勇，刘树，曾令可.陶瓷行业应对节能减排的措施[J].佛山陶瓷，2009，19（6）：13-16.

[3]崔学民，欧阳世翕，余志勇，等.先进陶瓷快速无模成型方法研究的进展[J].陶瓷，2001（4）：5-10.

[4]魏军从，黄建坤，王义龙，等.结合剂对氧化铝-碳化硅-碳质铁沟浇注料力学性能和显微结构的影响[J].硅酸盐通报，2013（6）：1057-1062.

[5]颜永年，张人佶.21世纪的重要先进制造技术——快速原型技术[J].世界制造技术与装备市场，2001（2）：68-71.

[6]张昌明.基于RP的快速模具制造技术研究[D].太原理工大学，2006.

[7]单联娟.基于石蜡速凝特性的陶瓷制件快速制造技术及材料性能的研究[D].陕西科技大学，2006.