3D打印陶瓷在现代产品设计中的运用

周俊良 常鸿祥 陈相序

(北京化工大学机电工程学院 北京 100029 )

陶瓷材质具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性好的优点。但其也具有难于加工成复杂形状，制作周期长，尤其不适合制作复杂几何形体的缺点。如制作镂空的球体，或者是特殊的几何形体，在设计中某些部分往往不适合机械加工，需要复杂的后期处理手段(特定花纹或造型必须使用昂贵的碳化物或钻石等工具才能加工)。近年来，随着3D打印技术的快速发展和技术越来越成熟，人们对3D打印技术的关注也在逐步增加，3D打印技术现已可以实现以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[2]。 首先通过计算机设计出结构复杂的模型，再利用配套的自动化装备进行3D逐层打印，使陶瓷材料能够快速成形，因此广泛应用于航空航天、汽车制造、数码产品、医学等领域得到了广泛应用。

陶瓷3D打印技术能使陶瓷生产比传统方法节省90%的时间。这项技术不仅可以节约时间，还可以让设计人员突破传统陶瓷的形状束缚，展开更为广泛的想象空间，还可以使用多种多样的陶瓷材料，从硬度较低的氧化铝陶瓷到非常坚硬抗磨的氧化锆陶瓷。这些陶瓷可耐受1 500～1 700 ℃的高温，介电强度可达150 V/mm。氧化铝陶瓷材料不仅耐磨、耐腐蚀，并且是较为理想的机械制造原料。

1 3D打印陶瓷材料

目前我国可应用于3D打印的陶瓷材料还十分有限，尚处于研制状态的3D打印陶瓷材料主要有：

1)氧化铝陶瓷(Al2O3)。它具有高强度、高硬度、致密的结构、热稳定性高、耐腐蚀度高、硬度高、耐磨性好、出色的介电强度等优点，是目前应用范围最广、产量最大的陶瓷材料。 它主要在高磨擦环境(如喷砂处理)中用作喷头；在高温环境(如焊接设备)中用作气枪保护盖；在腐蚀环境(如汽车制造的敲击感应器安装)中用作基座。如果采用传统的工艺，则过程繁琐，耗时耗力，成本昂贵，采用3D打印技术，将氧化铝陶瓷作为打印材料制作零部件，将会具有使生产成本下降、生产周期缩短、大规模量产、造型丰富等优点。

2)磷酸三钙陶瓷(可控性微结构多孔生物陶瓷)。它是一种多孔生物陶瓷，具有生物相容性、亲水性好，原料的化学成分接近骨的无机成分，无毒无致癌不良反应，生命力学强度佳，体内降解吸收，组织传导作用等特点。将其作为3D 打印材料，制作人工骨骼作为骨修复三维支架，在医疗领域里具有较好的应用前景(见图1)。

图1 多孔生物陶瓷

3)有机前驱体基陶瓷材料。该材料不但能够承受较高的使用温度(>2 000 ℃)，而且还具有低密度、优异的抗氧化抗烧蚀性能、良好的力学性能等优点，从而成为制备陶瓷材料的新方法。

4)碳硅化钛陶瓷(Ti3SiC2)。它具有层状的六方晶体结构，在生物、医疗等方面有着广泛的应用，兼具金属材料的高热导率、高电导率、良好的延展性、塑性和陶瓷材料的高强度、稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性能优越等优点。目前，国内外对碳硅化钛陶瓷的制备已进行了大量的实验研究。

制备碳硅化钛陶瓷的方法主要有自蔓延高温合成法 (SHS)、热等静压法 (HIP)、化学气相沉积法(CVD)、固相反应(SR)、放电等离子烧结(SPS)和热压法(HP)等。但是采用这些制备方法都需要在前期制作相应的成形模具，其成本高、制作周期长、灵活性差，不利于制作性状复杂、中空的零件。利用3D打印技术制备Ti3SiC2陶瓷则可以有效地克服上述缺点[4]。

综合上述几种材料性能可以得出，3D打印陶瓷技术可以达到传统陶瓷技术所不能达到的，可以形成一种更为高效的方式，如使成本下降、周期缩短、大规模量产、造型丰富等。

2 陶瓷在现在产品中的运用

在产品设计中，材质是一个非常关键的因素，它可以直接影响产品本身的使用触感。什么类型的产品，适合什么类型的材质，在什么样的情景模式下与使用者发生怎样的关系，这都是一个产品材质诞生需要的考虑的因素。一件好的陶瓷产品是由功能效用、工艺技术和形式美3方面构成其基础评判体系[5]。

在产品设计中，材质主要分为金属、塑料、木竹、陶瓷、纤维、皮革、玻璃等，而陶瓷产品在人们心中的印象，往往是以艺术品为主，这是因为陶瓷产品价格昂贵，所需要的人工成本比较高、制作过程繁琐、周期长等，还因其材质所能达到的韧性、抗摔性、抗腐蚀性、厚度等都受制约，所以陶瓷材质的科技产品并不多见。

随着塑料材质在手机市场的逐渐被淘汰，金属机身不能进行无线充电，玻璃机身的一体性又较差，因此陶瓷手机(见图2)的优越性能突显，但目前小米公司所做的陶瓷手机是“Unibody全陶瓷”，简单来说就是一体成形机身工艺，是一种将陶瓷挤压成板材，然后通过数控机床一体成形的机械加工技术。这种技术对机床精度要求高，初期设备投入大。每一块“Unibody全陶瓷”都要经过1 400 ℃高温 7 d烧结；两层楼高的设备，240 t冲压成形；金刚砂刀头0.01 mm反复雕琢，每加工一部手机，都要更换刀头。它虽然较传统陶瓷有了突破，但是周期还是较长，抗摔性也较差。

近年来，陶瓷材质取得了进一步发展，3D打印技术也逐步变成了可消费的技术，3D打印陶瓷可以更广泛地进入人们的生活，如3D打印陶瓷材质的手机，逃脱了传统陶瓷的多种步骤(练泥、拉坯、印坯、利坯、晒坯、刻花、施釉、烧窑、彩绘、釉色变化等)，只需要将产品数字建模出来，使用我们前面所说的材质进行3D打印，很快一个产品就可以出现在我们的面前，不需要传统的烧制、晾晒等多个步骤，即可得到所需要的形状，并且这个形状可是有机、精确的，设计师可以反复修改的。

图2 使用陶瓷材料作后盖的手机

3D打印陶瓷还可应用于医疗领域，可以根据人体的各种数据进行私人订制植入型的骨骼或者牙齿等。通过3D打印个体化制备的植入物进行组织缺损的修复，可以大大提高外科手术的精确性与安全性。

奥地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印设备可以打印出满足这一医疗需求的骨骼植入体。基于增材制造思想，Lithoz公司研发了独特而优秀的生产结构陶瓷的方法。LCM技术(基于光刻技术的陶瓷3D打印)，使快速经济的生产高性能陶瓷功能件成为可能，材料性能不低于使用传统模式大批量生产的部件。Lithoz公司的LCM技术3D陶瓷打印设备可以制备出多种孔尺度与复孔结构的陶瓷制品，如可以制备出作为骨骼植入体的生物陶瓷支架磷酸三钙样件，也具有很好的生物相容性，且在各种性能上可达到传统工艺制造出的同样部件。

在欧洲，奥地利Lithoz公司与苏黎世医科大学合作研究，打印用于治疗骨肿瘤的可降解的TCP支架，并进行植入实验，动物体内的支架在植入10 d后被结缔组织包裹，没有炎症产生。骨质缺损患者将会看到康复的希望。通过高精度陶瓷3D打印设备可以实现高精度(最小特征尺寸：<150 μm)、高纯度(>99,4% T D) 、高强度、高时效高性价比；可以实现没有工具成本和成形成本，可达到快速生产的目的。这不仅成功地解决了传统3D打印生物陶瓷支架的孔尺度与孔结构可控性不高的问题，而且可以通过设备软件精确的计算出需要放大的烧结尺寸，以保证样品进行烧结收缩后，达到符合原始设计的尺寸。LCM技术对于陶瓷打印制品的形状没有限制，不仅可以实现新的形状设计和产品功能蜂窝细胞结构，也可生产薄壁结构(低于150 μm)。

3 3D陶瓷的未来发展方向

目前，虽然3D 打印陶瓷市场发展前景较好，但在我国在处于起步阶段，原创技术缺乏、产业规模小、产业链不健全等因素制约了国内3D 打印陶瓷市场的进一步发展，在技术与设备上还不如一些发达国家。 但是国内的企业与高校正在积极地研制适用于3D陶瓷打印机和打印的专用原料，在向国内外客户提供服务的同时，自身也取得飞速的发展。因此，3D陶瓷打印正在成为热门产业，3D技术与陶瓷之间的连接关系将会越来越紧密，我们也应该将传统的工艺与材质进行新的思路解析，通过创新使我国在产品材质上有更进一步的飞跃。除此之外，相关专业人才的培养也不容忽视。

4 结语

笔者从3个方面分析了目前我国3D打印陶瓷，在材质方面，目前某一种材质只能打印应用于某一个打印设备，尚未有适合各种打印设备的材质出现，而且进入消费者手中的3D打印陶瓷产品较少。3D陶瓷的未来发展需要的是更加尖端的设备、材料，但最需要的是创造和设计这些的人才，政府还应该牵头企业与高校联合培养人才计划，为其提供更多的基金支持。掌握了3D打印技术的核心就等于抓住了未来制造业的命脉，3D打印带我们迈向新的工业时代，我们应抓住这个机遇，结合自身优势大力发展3D打印技术。