陶瓷材料的DIW工艺在陶瓷基金刚石工具中应用的关键技术问题

王娅妮　张绍和　张谦　孔祥旺　何焘　赵东鹏　高华

关键词 直写成形；3D 打印；多孔陶瓷；金刚石工具

中图分类号 TG74; TQ164 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0049-10

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0082

收稿日期 2022-06-28 修回日期 2022-11-02

金刚石具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性好等特点，可用其制造各种金刚石工具，如锯切、钻探、磨抛工具等。同时，金刚石工具加工时具有应力低、使用寿命长、加工效率高、精度高等优点，被广泛运用于建筑建材、石油钻探、地质勘探、公路养护、航空航天、材料加工等诸多领域，并取得了巨大的经济效益和社会效益[1]。

制备金刚石工具的传统方法有热压烧结法、电镀法、钎焊法等。这些方法中金刚石磨料通常以镶嵌方式与基体结合，使用过程中的金刚石颗粒常因把持力不足、结合面较小等原因发生非正常磨损及脱落[2]，造成金刚石原料的大量浪费；同时，工具容屑空间较小，磨削产生的工件残渣和脱落的金刚石颗粒会对工件表面造成不同程度的损伤，且存在金刚石出刃高度较低导致金刚石工具工作效率低、使用寿命短等问题。

根据结合剂不同可将金刚石工具分为金属基、树脂基、陶瓷基等金刚石工具，其中的陶瓷基金刚石工具因具有耐酸碱、耐水、耐油、刚性大、变形小等优点而被广泛应用[3]。经验表明，对陶瓷基金刚石工具进行合理的结构设计，能够有效发挥其结构优势，从而提升加工性能。如多孔结构陶瓷基金刚石砂轮在使用过程中具有良好的自锐性、较大的容屑空间和较小的磨削力，因此在加工半导体基底、硬质合金和新型陶瓷等硬度高、脆性大、精度要求高的材料方面具有显著优势 [4]。然而，目前陶瓷基金刚石工具制备的主要技术瓶颈在于传统的制造方法难以制备复杂的形状和结构，如现有技术中主要采用热压成形法制备多孔结构陶瓷砂轮，只能压制简单形状，无法满足复杂磨削轨迹的要求；另外，通过造孔剂烧结分解或水溶解等产生被动气孔，存在造孔剂易堆积、烧结过程中砂轮易变形等问题， 难以对形成的气孔大小和形状进行优化控制[5]。

研究认为增材制造（additive manufacturing， AM）技术（即3D 打印技术）可有效解决上述问题。自20世纪90 年代发展起来，打破了传统方法对原材料进行去除?切削?组装的减材制造模式，形成了一种新型的可以将不同形态的原料（如低熔点丝材、粉末材料、浆料等）通过配套的3D 打印机自下而上、逐层制造成形的增材制造模式。该技术生产过程是一个从无到有的制造过程，因其无结构设计限制的特点突破了传统制造方式对模具的依赖，可以实现对几乎所有复杂结构工件的制造[6]。

浆料直写成形（direct ink writing，DIW）技术属于3D 打印技术中的一种，源于1998 年CESARANO 等[7] 提出的自动注浆成形。该技术起初主要针对的是陶瓷等材料的三维模型成形制造，后期经过不断地研究拓展，逐渐发展为今天的DIW 增材制造技术，并被广泛应用于微电子、光伏、能源、组织工程等领域 。

为此，对DIW 技术在陶瓷基金剛石工具中的应用优势进行分析，并对DIW 制备金刚石工具的关键步骤进行探讨，包括原料选择、浆料配置、打印适性及脱脂、烧结工艺等；其次，对DIW 制造工艺中的应用实例进行分析与讨论；最后，指出DIW 制造陶瓷基金刚石工具应解决的关键问题。

1 DIW 制备金刚石工具的技术原理和优势

3D 打印技术以无结构设计限制的特点受到科研人员重视，几乎可制备所有复杂结构工件。因此，在陶瓷基金刚石工具制造中引入3D 打印技术，可为其提供一种新的工艺方法，有助于解决陶瓷基金刚石工具中异型结构制备的难题。

目前，可用于3D 打印陶瓷基金刚石工具的技术包括光聚合成形技术（vat polymerization， VP）、黏合剂喷射成形技术（binder jetting， BJ）、电子束熔化成形技术（electron beam melting， EBM）、选择性激光熔融技术（selective laser melting，SLM）、材料挤出式3D 打印技术（ material-extrusion based 3D printing， ME-3DP）等 [8-9]，VP、BJ、EBM 和ME-3DP 3D 打印技术的工作原理如图1 所示。其中：VP 技术要求陶瓷粉末对光源透明以促进聚合，这一要求限制了VP 在陶瓷基金刚石工具中的应用；同时，粒径小于10 μm 的陶瓷粉末不能使用BJ 技术，因为该工艺会产生打印件表面粗糙度高、孔隙率大、烧结致密性差等缺陷；另外，EBM 和SLM技术依赖高能量的激光束或电子束高温烧结，但过高的温度可能会使金刚石石墨化，且激光或电子束逐层烧结存在烧结质量不均匀等缺陷。不同于上述各种技术，ME-3DP 技术中的变体技术?浆料直写成形，在金刚石工具制造中，具有产业化潜力好、不会损伤金刚石、制造成本较低等优势[10]。

DIW 技术首先利用计算机辅助设计软件设计合理的零件结构，然后将文件转为STL 格式并导入3D 打印机中，并将制备好的浆料放入DIW 打印机的料筒中便开始打印。此时，浆料在气压、柱塞或螺杆等推动力的作用下从喷嘴处挤出，并在喷嘴与基板平台的相对运动中按照图案设计的行动轨迹沉积成形，完成零件的第1 层制造。之后，Z 轴带动喷嘴上升一个层高，然后在第1 层的基础上再进行材料的累积打印[11]，完成零件的第2 层制造；如此反复，便可得到所设计的零件。DIW 技术具有成形速度快、制造周期短等特点，其具体工作原理如图2 所示。

DIW 技术应用于陶瓷基金刚石工具制造的优越性在于[12]：（1）可实现复杂结构的制造。利用计算机辅助设计软件设计理想的模型文件，然后采用DIW 技术进行自下而上的增材制造，因制造过程中无模具需求，所以可制造任意形状和结构的零件。（ 2） 能够避免损伤工具内部的金刚石。含金刚石的陶瓷浆料在常温下完成打印，不会对金刚石本身带来影响，打印件也不会受到热应力和残余应力的影响。（3）原料制备简单，仪器价格低廉，成形周期短，且具备产业化潜力。实际工业生产中能够同时使用多台DIW 打印机打印生坯，然后统一进行脱脂、烧结等后处理工艺，最后获得性能高度一致的产品，因此有条件实现大规模工业化生产。（4）成形速度快，体积制造效率极高。目前已有3D 打印机具备多喷嘴装置，多喷嘴可以同时喷射不同组分的浆料，并同时在多个区域沉积成形，具备实现多组分混合打印的条件。（5）制品固相含量高。浆料中固相体积分数在50% 以上，较高的固相含量使打印件在烧结后可得到较高的密实度，从而增加其机械性能和力学性能。

结构更复杂、性能更优越的多孔结构陶瓷基金刚石工具，是金刚石工具未来的发展方向之一，而传统制造工艺无法或很难制备复杂结构陶瓷基金刚石工具。如前文所述，一般的3D 打印技术也不具备制造陶瓷基金刚石工具的条件，因此将DIW 技术应用于该工具的制造具有重要研究价值。

2 DIW 制备金刚石工具的关键技术和问题

利用DIW 制造陶瓷基金刚石工具需经历4 个工艺环节：浆料配制及相应的流变学研究，打印测试及打印效果评价，成形后坯体的干燥、烧结处理工艺，最终产品的性能表征及相关应用。其中，高性能、稳定的陶瓷浆料是陶瓷基金刚石工具能否成形的前提，浆料按设定轨迹均匀挤出是成形过程的主体，干燥、烧结等后处理工艺是提高成形工件机械强度的关键，最终的产品性能测试是决定其能否应用和市场化的前提[13]。这4 个步骤环环相扣，缺一不可。

在DIW 制造过程中，有多种因素显著影响最终零件的机械、力学性能和表面形貌特征，如浆料的黏度和密度、喷嘴的直径和形状、打印速度、脱脂技术和烧结方法等，许多科研人员对这些因素开展了大量研究工作。

2.1 原料选择

DIW 制备金刚石工具所使用的原料是由金刚石、陶瓷粉末和添加剂混合而成的一种复合材料。含金刚石的陶瓷粉末颗粒对DIW 工艺的适用性主要取决于各种粉末特性，如平均粒度、粒径分布、颗粒形状、化学性质和比表面积等；此外，陶瓷粉末特性也显著影响最终零件的强度、可烧结性、最小特征尺寸和表面粗糙度等。为了获得更好的浆料流动性和烧结效果，应优选粒径小于20 μm 的颗粒；就颗粒形状而言，应优选球形颗粒，因为球形颗粒可以避免颗粒互锁，从而减小颗粒内部摩擦，实现更好的流动性。

受金刚石性质的影响，添加剂的种类和含量在获得优质打印零件方面起着关键作用。金刚石是一种由碳元素组成的矿物，其化学性质极其稳定，自然状态下难以与其他物质发生反应。制备含金刚石的陶瓷浆料时通常会遇到金刚石颗粒游离状态严重，无法均匀分布在溶剂中的问题，因此要制备合格浆料的前提是提高金刚石颗粒的表面性质。在含金刚石的陶瓷浆料中加入添加剂的目的，就是通过降低金刚石的表面势能或提高其表面电位改变金刚石颗粒的表面性质，使其能完全被溶剂浸润并很好地分散于溶剂中[14]。

不同种类、不同含量的添加剂会对含金刚石的陶瓷浆料的性能产生不同的影响。常用的添加剂包括增加浆料黏结性、触变性的黏结剂，提高浆料流动性的润滑剂，使微粉颗粒均匀分散不发生团聚的分散剂，以及降低浆料黏度、减小粉体摩擦的增塑剂等。各添加剂的种类和含量应通过大量试验确定，并控制在合理范围内，否则将影响浆料性能。如当浆料中的黏结剂含量过多时，会使其黏度过大，浆料流动性变差，打印时易堵塞喷嘴；含量过少会使浆料中的粉体物质过于分散，无法充分溶解于溶剂中，使浆料的打印性能变差。

由此可见，如何在种类庞杂、数量众多的添加剂中选取最适用于含金刚石的陶瓷浆料的添加剂，是DIW 技术应用于陶瓷基金刚石工具制造时首要解决的技术难点。

2.2 浆料配置

高性能、稳定的陶瓷浆料是DIW 技术打印成形的基础。具备优良性能、可用于3D 打印的浆料必须满足以下要求[15]：（1）混有金刚石的陶瓷粉体颗粒在溶剂中均匀分散，无团聚、无结块、无气泡；（2）浆料具有可调控的黏度和流变学性能，在剪切应力作用下，料筒中的浆料可以从精细的喷嘴中顺利挤出；（3）浆料中含金刚石的陶瓷微粉的体积分数必须大于50%，以实现坯体的最大密度，从而减小脱脂、烧结过程中的体积收缩、裂缝、翘曲和残余应力，最终减小零件的尺寸误差；（4）浆料必须具备足够的屈服强度和刚度，从喷嘴挤出落到基板上时需快速固化，以保持原先设计的形状和精度，并足够支撑后续打印层的质量，做到整體不变形、不开裂。

在浆料配置过程中，微粉颗粒的均匀分散对打印零件的质量和形貌精度有重要影响。一般来说，浆料的假塑性和颗粒的均匀分散是获得优异打印适性的关键[16]。DIW 技术的一个显著优势是浆料的固相含量高，这有利于打印件通过脱脂、烧结后获得更高的密实度。然而，对这种高固相含量的浆料，必须保证浆料均匀，并防止其结块，否则将造成小尺寸喷嘴堵塞，并对零件的整体打印产生不利影响。另外，当使用该技术进行金刚石工具制造时，由于金刚石颗粒性能稳定，难以与其他材料发生反应，浆料的团聚问题将被进一步放大。

粉体颗粒的团聚分为软团聚和硬团聚。软团聚主要是作用效果相对较弱的静电力和范德华力所致，可通过一些简单的化学作用或球磨等物理手段去除；而硬团聚中存在一些作用效果相对较强的化学键。因此，硬团聚体不易被破坏，需要采取一些特殊的方法对其进行控制[17]。

团聚后的粉体会丧失其优异特性，进而影响浆料的挤出成形以及打印件的结构性能，不利于获得高质量的陶瓷基金刚石工具：（1）团聚不利于浆料的连续挤出。因为团聚会导致浆料黏度急剧增高，容易黏附在管壁上导致挤出不畅，严重时会引起喷嘴堵塞；（2）团聚使粉末颗粒分布不均匀。使用含较多团聚体，尤其是硬团聚体的粉料时，只能获得低密度、高气孔的生坯，导致坯体表面粗糙、形态不规则，且易在烧结体中留下较大的气孔；（3）浆料中的粉体团聚对打印件的显微结构、烧结温度有较大影响，最终直接影响烧结体的物理力学性能和微观组织结构；（4）陶瓷浆料中含有的硬团聚体越多，生坯烧结密度就越低。研究表明：含有更多硬团聚体的生坯烧结后的致密度远低于含有更多软团聚体生坯的，因此硬团聚体对于浆料和生坯的危害更大，会使最终的零件致密度大大降低 [18]。

综上，目前在DIW 制造金刚石工具的研究过程中，尚未解决浆料配制环节中遇到的粉体团聚这一关键性难题，粉体间的硬团聚不仅难以去除，而且严重影响浆料质量，进而影响打印效果、烧结温度和产品性能。因此，需进一步研究解决浆料配置中的粉体团聚现象，使DIW 技术更好地应用于陶瓷基金刚石工具的制造中。

2.3 打印适性

打印适性是浆料性能对DIW 影响程度的度量标准，因为零件的尺寸精度、制造精度和表面粗糙度均取决于浆料的打印适性。在打印过程中，从锥形或圆柱形喷嘴中挤出具有圆形横截面的连续丝材，为了提高其打印精度，应使用较小直径的喷嘴，这当然会显著增加成形时间和挤出压力。受打印机精度限制，通过DIW 制造的尺寸最小精度约为200 μm，并且由于逐层打印，零件的表面粗糙度也具有类似的数量级。喷嘴的位置随计算机软件设定的模式移动，丝材在线性沉积速度（通常为5～50 mm/s）下以恒定的体积流动速率通过喷嘴，其整体尺寸和制造精度取决于零件的层高度、层间距和光栅图案等[19]。总之， DIW 的打印精度取决于以下5 个关键参数[20]：（1）计算机软件设计的模型；（2）浆料的固相含量；（3）浆料的流变特性；（4）打印参数设置；（5）干燥方法和烧结技术。

目前，尚不明确浆料的哪一流变学参数范围能完全满足这些条件，但如果能将主观的打印观测结果与客观的流变学试验参数结合起来，建立正确、完整的评价体系，那么打印适性将更准确、具体地反应浆料性能对DIW 的影响程度。此时，根据打印效果就可对浆料成分进行相应调整，同时也可根据浆料性能对打印结果做出提前预测。当预测结果足够准确时，就可建立浆料性能与打印适性之间的数学模型。

2.4 脱脂和烧结工艺

含金刚石的陶瓷浆料中含有各种添加剂，如表面活性剂、分散剂、黏结剂等，这些成分会使打印生坯烧结后产生各种缺陷，导致零件体积收缩并形成裂纹，从而降低零件的密度和机械强度。因此，通过脱脂和烧结工艺，从打印件中完全去除添加剂是最终获得合格精密零件的一个重要步骤。脱脂的具体步骤应根据陶瓷浆料中添加剂的成分和含量来制定，即确定了陶瓷粉末和添加剂之后，具体的脱脂工艺也就确定了。合理的脱脂工艺能使生坯脱脂时间更短，脱脂效果更完全，且尽量避免脱脂缺陷的产生，如翘曲、裂纹、变形、鼓泡等。添加剂的去除方法主要有2 种：溶剂脱脂和热脱脂。为了提高脫脂效率，一般将2 种方法结合起来，即先将打印生坯浸入特定溶剂中一段时间，溶解部分添加剂后进行热脱脂，在200～600 ℃ 下完全去除添加剂，具体的升温速率和保温时间应根据添加剂成分和含量而定，并根据试验效果修改至最适宜的参数。

脱脂完成后，零件立刻在600～1 300 ℃ 下进行烧结，以实现粉体致密化，烧结过程中零件体积通常会收缩12%～20%[21]。烧结作为金刚石工具制造的最后一项工艺，对其力学性能和微观结构影响很大。陶瓷基金刚石工具的烧结过程可以分为以下4 个阶段：（1）脱水阶段，这一阶段是为了去除生坯中残余的自由水和部分结合水，因此该阶段的升温速率应适当放缓，避免生坯内的水分骤变成水蒸气，使坯体内压力突增，导致坯体开裂；（2）排胶阶段，这一阶段坯体内的添加剂开始以气体的形式逸出，胚体质量也开始下降，为了保证添加剂充分挥发并保持胚体形状和结构的稳定，此阶段的升温速率应更慢，并设置一定的保温时间；（3）保温阶段，这一阶段坯体的质量未发生明显变化，但是陶瓷结合剂开始熔化，金刚石磨料逐渐被结合剂包裹。因此，该阶段的烧结温度和保温时间应根据具体的产品需求而定，若产品中需要大量孔隙，则应设置较低的烧结温度和保温时间，避免孔洞完全被陶瓷粉末占据，反之则适当提高；（4）冷却阶段，坯体烧结完成后，需冷却至一定的温度才能出炉，此过程需要采取合适的降温方式，避免坯体因降温速率不当引起收缩过大甚至开裂等缺陷，一般情况下随炉冷却即可。

综上，应用DIW 技术制造陶瓷基金刚石工具时，首先，应选取合适的添加剂、陶瓷和金刚石粉末；其次，用选取的原料配置性能良好，适合打印的陶瓷浆料；再次，在打印过程中设置合理的打印参数并完成打印；最后，试验最优的脱脂和烧结工序。以上便是DIW 制造金刚石工具的关键技术和难点。

3 DIW 制备陶瓷基工具的应用实例

3.1 DIW 制造陶瓷基材料的相关研究

面向复杂结构陶瓷部件的个性化制造和快速批量制造需求，3D 打印技术显示出极大优势。适用于陶瓷材料的增材制造工艺种类多、发展速度快，其中DIW技术因其工艺特性尤其适合制造复杂的陶瓷结构工件。

CESARANO 等[7] 首次使用DIW 技术制造氧化铝零件，采用的浆料由高固体含量（固体体积分数>60%）氧化铝和极少量的有机黏结剂（体积分数<1%）组成。高固体含量使打印件在烧结过程中更容易致密化，并降低其热应力，但很难防止喷嘴堵塞。同时，CESARANO等[7] 关注了浆料的表面相互作用和颗粒间作用力，获得了假塑性流体浆料，为保持零件的3D 结构形状，还得出了丝材在沉积后应立即干燥的结论。RUESCH-HOFF 等[22] 分析了氧化铝粉末含量对浆料、打印件性能的影响，即对浆料的流变性、均匀性、打印件的密度、微观结构、机械性能、物理性能等的影响。研究发现：当聚合物黏结剂和分散剂的总体积分数为4% 时，随着氧化铝固体含量的增加，浆料的剪切应力和黏度都有所提高，如图3 所示；打印的所有零件都可烧结到真密度的98% 以上，且烧结零件的抗弯强度没有受到氧化铝固体含量的影响。试验结果还表明：当氧化铝粉末体积分数为51% 时，由于浆料的剪切应力太小，打印时最底部的沉积层无法支撑其余层的质量；当氧化铝粉末体积分数为58% 时，打印件中检测到不规则的沉积层高度，该含量不适用精密零件的制造。因此，固相体积分数为53%～56% 的氧化铝浆料最适合DIW 工艺，其打印件在该范围内不会发生坍陷，并且沉积层间具有良好的一致性。这一研究为DIW 应用于陶瓷基金刚石工具制造提供了理论依据和工艺经验，准确指出了配置浆料时的基本要求和固相含量的合理界限。

随着DIW 技术逐渐发展成熟，研究人员尝试将其与多孔陶瓷的制备方法相结合，使不同尺度的孔隙整合在同一材料中，从而实现材料功能的最大化。HUANG等[23] 采用不同剂量的黄原胶 （xanthan gum，XG） 溶液制造了3 种不同结构的砂轮，分别为实心结构、三角形结构和点阵结构，试验证明质量分数为 3% 的XG 溶液的打印适性最好。此外，还研究了烧结温度和聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethyl methacrylate，PMMA） 成孔剂含量对砂轮尺寸收缩率、表面形态、机械强度和孔隙率等的影响。试验结果表明：当PMMA 微珠的体积分数为30% ，并在 670 ℃ 烧结时，金刚石砂轮具有最佳的成孔率和气孔孔径。XIA 等[24] 将SiC 粉体、碳纤维、丙烯酰胺等制成陶瓷浆料，将其倒入由DIW 技术制成的树脂模具中，通过冷冻干燥和化学气相渗透技术制得具有单向通道的碳化硅基复合材料，材料将同时具有由3D 打印模具产生的宏观孔和冰晶在冷冻干燥条件下定向生长产生的微孔。这种制备多孔陶瓷的DIW 方法为制备多孔陶瓷基金刚石工具提供了可靠的研究思路。陆静等[5] 成功采用DIW 技术制备网格、三角多孔结构的陶瓷基金刚石砂轮，其制备过程如图4 所示。制备的砂轮气孔率和气孔孔径大小可控且气孔分布均匀，且制备过程中未出现金刚石的石墨化现象。该研究直接证明了DIW 技术能够用于金刚石工具的制造，但该工艺的打印精度和质量还有待提高，主要是由于浆料中金刚石微粉团聚的问题尚未解决，这也将阻碍DIW 技术在金刚石工具中的进一步应用。

3.2 DIW 陶瓷基浆料的相关研究

DIW 技术自20 世纪90 年代出现以来，经过数十年的发展，在浆料制备方面取得了巨大的进步，目前已有大量浆料体系、浆料流变学性能、浆料分散与稳定性等方面的研究结果。

随着陶瓷性能的多样化，DIW 技术的黏结剂体系逐渐增多，且陶瓷基打印件的致密度不断提高。XIA等[25] 以水溶性环氧树脂为黏结剂，制备固相体积分数达58%，黏度低于10 Pa·s 的浆料； ROSENTAL 等[26] 用无机钛酸钡溶胶?凝胶前驱体取代了有机添加剂，从而在保持打印适性的同时增加了固体含量，最终打印的零件结构几乎完全致密（达到理论密度的97.8%）；YU 等[27] 使用高固体含量的氧化锆膏体（体积分数为60%） 直写成形致密的陶瓷结构， 其相对密度高达98.1%，且显微CT 成像表明DIW 能够制造孔隙率非常低的氧化锆零件。此外，水凝胶基浆料也适用于制造致密的陶瓷结构。FEILDENL 等[28] 采用热可逆水凝胶基浆料（分别含有α-Al₂O₃和Al₂O₃前驱体）用于组装致密陶瓷支柱，此浆料由范德华力相互作用支撑并形成一个相互连接的凝胶状网络，表现出浆料所需的黏弹性和流变性；同时，此浆料打印成形的最终零件密度能够达到理论密度的97.0%， 其热塑性强度高达600MPa，是M′BARKI 等[29] 的4 倍以上。制作的陶瓷零件显微结构如图5 所示， 其中在 Si C 零件 中， S 表示α-SiC 相，L 表示富氧化钇?氧化铝相。这些研究中所涉及的黏结剂体系是目前DIW 技术的首选，也是配置含金刚石的陶瓷浆料的主要路线。

SMAY 等[30] 以聚醚酰亚胺包覆的单分散SiO₂微球为原料，将其分散在去离子水中制成悬浮液，发现SiO₂质量分数为46% 时的悬浮液在其pH 值调节到某一特殊值时，陶瓷浆料完成了流体向凝胶的转变。此方法的原理是通过控制颗粒间的静电力和范德华力，使胶体浆料获得了理想的固相含量和流变学性能。此外，除了通过控制浆料的pH 值以获得理想的流变学性能外，还可在浆料中添加盐类物质或者带有相反电荷的聚合物电解质等。目前，利用这种设计方法已成功制备出多种胶体浆料，如锆钛酸铅、钛酸钡、氧化铝、莫来石、氮化硅以及羟基磷灰石等[31-35]。这种获得浆料理想流变学性能的方法，也为解决含金刚石的陶瓷浆料的团聚问题提供了新思路。

4 结语

3D 打印技术中的DIW 工艺应用于陶瓷基金刚石工具制造具有重要的现实意义和研究价值，但国内外开展的此项工艺研究仍处于起步阶段，在浆料配制环节仍存在粉体团聚等难题，有待进一步深入研究。此外，从DIW 制造工艺的应用实例中，探讨了DIW 工艺制造陶瓷基金刚石工具中存在的主要问题，分析了这些实例对今后应用研究的启发。

未来DIW 工艺制造陶瓷基金刚石工具的主要难点如下：

（1）在制备含金刚石的陶瓷浆料时，可选用的添加剂种类庞杂、数量繁多，不同的添加剂使用效果不同，复合添加剂的共同作用效果也不同，如何根据需要制备的浆料类型选择添加剂种类、确定添加剂含量是未来DIW 技术发展的一大难题。

（2）金刚石在陶瓷浆料中稳定性极佳，难以与其他材料产生反应，含金刚石的陶瓷浆料中更容易出现粉体团聚问题。如何通过添加剂消除软团聚、减少硬团聚，并在一定的时间尺度上较好地固定其物理分散状态，是未来DIW 技术应用于陶瓷基金刚石工具制造的另一大难题。

（3）浆料的流变特性在DIW 制造中起着关键作用，通过DIW 技术制造复杂结构零件的瓶颈主要在于喷嘴堵塞以及沉积的浆料无法承担后续层的负载等，且对高黏度浆料，喷嘴堵塞现象更严重，有时还会出现浆料挤出不连续或突然释放的问题，导致打印件结构不均匀、尺寸精度较低。因此，需建立一个可将浆料流变性和打印适性联系起来的评价体系，从浆料的流变特性就可对其打印适性进行提前预测，反之也可通过浆料的打印表现确定其流变特性。

（4）控制生坯在脱脂和烧结過程中产生的变形，也是DIW 技术应用于陶瓷基金刚石工具中应解决的关键问题。含金刚石的陶瓷浆料含有多种添加剂，这些成分会使打印生坯经过脱脂、烧结工艺后产生各种缺陷，如翘曲、裂纹、变形、鼓泡等，从而降低零件的致密度和机械强度等。因此，采取何种脱脂方式，如何控制烧结过程，直接影响零件的外观形貌和最终性能。