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 100010)

0 引 言

近年来，3D打印技术日趋成熟，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。

陶瓷材质具有高强度、高硬度以及耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性好的优点；但是陶瓷产品制作周期长(交货周期至少为8-12周)，不适合制作复杂的几何形体，比如镂空的球体，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，需要进行后续的处理(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)，成本昂贵。近年来，随着3D打印技术的迅速崛起，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，并在航空航天、汽车制造、数码产品、医学等领域得到广泛应用。

与传统陶瓷生产技术相比较，陶瓷3D打印技术能节省90%的时间，交货周期甚至可缩短至5天。3D打印技术还可让设计人员突破传统陶瓷的形状束缚，展开更为广阔的想象空间。可应用于陶瓷3D打印技术中的陶瓷材料多种多样，包括从硬度稍弱的氧化铝陶瓷到坚硬抗磨的氧化锆陶瓷。这些陶瓷可耐受1500-1700 ℃的高温，介电强度可达150 伏特/毫米。氧化铝陶瓷材料不仅耐磨，也耐腐蚀，并且是理想的机械制造原料。

1 3D打印陶瓷材料

目前我国用于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以下几种：

氧化铝陶瓷(Al2O3)，氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度、结构紧密、热稳定性好、耐腐蚀度强、耐磨性佳、介电强度出色等优点，是目前产量最大、用途最广的陶瓷材料。氧化铝陶瓷主要用作高磨擦环境(比如喷砂处理)中的喷头、高温环境(比如焊接设备)中的气枪保护盖，腐蚀环境(比如汽车制造的敲击感应器安装)中的基座。如果采用传统陶瓷工艺，生产过程繁琐，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，将会具有节约成本、缩短周期、规模量产、造型丰富等优点。

磷酸三钙陶瓷(见图1)是一种多孔生物陶瓷，具有生物相容、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、体内降解吸收性能好、组织传导作用强等特点。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。

图1 多孔生物陶瓷Fig.1 Porous bioceramics

有机前驱体基陶瓷材料不但能够承受特别高的使用温度(＞2000 ℃)，而且具有低密度、优异的抗氧化抗烧蚀性能、良好的力学性能等优点，成为制备陶瓷的新材料。

碳硅化钛陶瓷(Ti3SiC2)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。该材料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，成本高、耗时长、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。

综上所述，3D打印陶瓷技术可以克服传统陶瓷技术的缺点，具有成本低、周期短、规模量产、造型丰富等优点。

2 陶瓷在现代产品中的运用

在产品设计中，材质是一个非常重要且关键的因素，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，都是一个产品设计者需要考虑的因素。一般而言，一件好的陶瓷产品以其功能效用、工艺技术和形式美为其基础评判标准。

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；相比而言，陶瓷产品往往以艺术品的形象停留在人们的印象中，因为陶瓷产品价格高昂、所需成本较高、工艺流程繁琐、生产周期长，且陶瓷材质的韧性、抗摔性等都受制约，所以陶瓷材质的科技产品并不多见。

因为塑料材质在手机市场的过气，金属的机身不能实现无线充电，玻璃机身的一体性不好等原因，陶瓷手机(见图2)的流行好像是顺理成章的。小米公司的陶瓷手机使用的是“Unibody全陶瓷”，简单来说就是一体成型机身工艺，将陶瓷挤压成板材，然后通过数控机床机械加工技术一体成型。但是这种技术机床精度要求高，初期设备投入大。每一块Unibody全陶瓷都要经过 1400 ℃高温 7天烧结；两层楼高的设备，240 吨冲压成型；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。这种“Unibody 全陶瓷”虽然在技术上较传统陶瓷有了突破，但是周期还是较长，抗摔性也不是很好。

图2 陶瓷后盖的手机Fig.2 Mobile phone with ceramic rear battery cover

近年来，陶瓷材质取得进一步发展，3D打印技术也逐步变成了可消费的技术。比如3D打印陶瓷材质的手机，省去了传统陶瓷生产工艺的多个流程(练泥、拉坯、印坯、利坯、晒坯、刻花、施釉、烧窑、彩绘、釉色变化等)，只需将产品数字建模出来，使用前述的材质进行3D打印，一件产品很快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，即可得到所需的产品，并且这个形状可以是有机的，可以是精确的，可以是让设计师反复修改的。

在医疗领域，可以根据人体的各种数据，利用3D技术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)使得快速经济的高性能陶瓷功能件生产成为可能，产品性能不低于使用传统模式大批量生产的部件。Lithoz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，例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，仍然具有很好的生物相容性，其各种性能上达到传统工艺制造出的同样部件。

在欧洲，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天后被结缔组织包裹住，没有炎症发生。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；可以实现无工具成本、无成型成本，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计算出需放大的烧结尺寸，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没有形状限制，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

目前，虽然3D 打印陶瓷市场发展前景广阔，但是我国3D陶瓷打印产业仍处于起步阶段，原创技术不够、产业规模小、产业链不够健全等因素制约了国内 3D 打印陶瓷市场的进一步发展，技术与设备也比不上一些发达国家。不过，国内企业与高校已经意识到了这个问题，正在积极研制专用3D陶瓷打印机和打印专用原料；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打印陶瓷产业正在成为热门产业，3D技术与陶瓷的交会产生的火花也将愈加灿烂。在未来，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打印将带我们迈向新的工业时代。