3D打印陶瓷技术与应用

3D打印技术即快速成型技术，又称为增材制造。它是以数字模型为基础，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，其具有具有操作简单、成型速度快、精度高等优点。3D打印技术结合了材料技术、数字建模、信息处理等多领域的前沿技术，打破了传统加工的思维模式，被视为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，受到了国内外的广泛关注。

陶瓷材料因具有抗压强度高、硬度高、耐高温以及电和热的不良导体等力学、物理、化学性能被广泛应用于航空航天、工业制造、生物医疗等多个领域。但陶瓷材料难加工，传统加工工艺成本高、耗时长。

然而用3D打印陶瓷材料，结合较为先进的烧结技术，可以制备出高精度、高强度的陶瓷零件，这相比于传统的制备工艺，会显著降低加工成本、缩短生产周期、节省原材料，其发展潜力巨大，将推动3D打印陶瓷技术在航天航空、医学、工业等领域获得更广泛的应用。

图1 3D打印陶瓷技术分类图

3D打印陶瓷技术概述

目前，3D打印陶瓷技术主要有喷墨打印技术、熔化沉积成型技术、激光固化成型技术、分层实体制造技术和激光选区烧结技术。

按照工艺过程可以分为直接成型法和逐层粘结法，喷墨打印技术技术是将陶瓷粉末和粘结剂混合制备成陶瓷墨水，通过3D打印直接成型的，属于直接成型法，其他4种技术则属于逐层粘结法。

喷墨打印技术（IJP）

原料：由非金属材料、分散剂、粘结剂、表面活性材料和其他辅助材料混合而成的“陶瓷墨水”。

原理：由计算机通过CAD等软件建立三维模型，再由喷头将陶瓷材料按模型进行逐层的图案绘制完成打印。

优点：用户按照需求设计个性化陶瓷，成本大大降低，很大程度上节约人力物力，同时技术不需要借助激光技术的辅助，在日常生活中已经得到广泛的发展和应用。

缺点：此种打印技术的核心问题在于其原材料的配置。陶瓷墨水需要有良好的稳定性，保证其在打印过程中的形状和密度的一致性，同时陶瓷墨水中的非金属颗粒直径必须足够的小，以此来保证其在喷射过程中不出现堵塞喷头的问题。

熔化沉积成型技术（FDM）

原料：热熔型丝状陶瓷材料，其基本由供料辊、导向套和喷头3个结构组件相互搭配实现。

图2 熔化沉积成型技术示意图

图3 光固化成型技术工作原理示意图

原理：首先热熔性丝状材料经过供料辊，在从动辊和主动辊的配合作用下进入导向套，利用导向套的低摩擦性质使得丝状材料精准连续地进入喷头。材料在喷头内加热熔化，按照所需打印的原件造型进行3D打印。

优点：不需要激光技术的辅助，成本较低，后期维护也比较方便。

缺点：该技术需要设置支撑结构，保证陶瓷零件在打印过程不会坍塌。目前，支撑材料分为两种：一种是剥离性支撑材料，后期处理时需要手动剥离，较为繁琐；另一种是水溶性的支撑材料，在后期处理时通过物理或化学方法就能方便快捷地去除。因此，目前市场上普遍采用后者作为支撑材料，在一定程度上降低了后期处理过程的复杂性。

光固化成型技术（SLA）

原料：光敏树脂和陶瓷粉末混合而成的浆料。

原理：通过紫外激光束，按照设计好的原件层截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏树脂混合液体，逐点固化，由点及线，由线到面。通过x-y方向固化成面后，通过升降台在z轴方向的移动，层层叠加完成三维打印陶瓷材料。

优点：适用于制作结构复杂、精度要求高的零件。可以联机操作，远程控制，有利于生产的全自动化。此外该技术不需要经过烧结，也不需要添加烧结助剂，所以可以在较低的温度和压力下完成。

缺点：光敏树脂和陶瓷粉的配比不好掌握，混合而成的浆料是存在毒性的刺激材料且必须避光保存，对工作环境条件要求苛刻，要求保证空气流通、光线昏暗；该技术需要设置支撑结构，而坯体在后处理过程中易损坏，既要考虑二次固化，还要去除支撑结构，过程较为复杂。

分层实体制造技术（LOM）

原料：陶瓷薄片材料。

原理：该技术是一种薄片材料叠加工艺，直接通过激光切割薄膜材料（含粘结剂），移动升降工作台，切割新的一层薄膜材料叠加在之前的一层材料上，在热粘压部件的作用下粘结成型，是一种直接由层到立体零件的过程。

优点：成型速度快，准备工作简单，适合加工尺寸较大的零部件以及用于制造层状复杂结构零件；采用的陶瓷薄片材料可以利用流延法制备得到，国外对于流延法制备陶瓷薄片的技术已经比较成熟，原料获取十分方便。

缺点：材料利用率较低；该技术层与层之间存在较为明显的台阶效应，最终成品的边界需进行抛光打磨处理，精度较低，不适合打印复杂、中空的精密零件。

图5 3D打印的复杂部件