陶瓷增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

來源：中國粉體網(wǎng)

導(dǎo)讀：陶瓷增材制造技術(shù)是一種通過離散材料逐層制造并疊加得到三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的先進(jìn)制造技術(shù)，具有材料利用率高、制造靈活性強、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢，適用于小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件制造。目前，主流的陶瓷增材制造技術(shù)包括激光選區(qū)燒結(jié)、立體光固化、墨水直寫等。

現(xiàn)代意義上的增材制造(Additive Manufacturing，又稱為3D打印)及其前身快速成型(Rapid Prototyping)起源于20世紀(jì)80年代后期，其快速的發(fā)展勢頭與不斷被發(fā)掘的應(yīng)用優(yōu)勢使其成為近十年科學(xué)、工業(yè)、經(jīng)濟和社會等諸多領(lǐng)域內(nèi)熱議的話題之一。

增材制造的快速發(fā)展離不開適用材料體系的拓展與成品部件性能的優(yōu)化：高分子材料是最早開發(fā)和應(yīng)用的材料體系，其適用的增材制造技術(shù)種類最為豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也覆蓋工業(yè)級與消費級市場；金屬材料的增材制造起步較晚但成果豐碩，應(yīng)用較多的各類金屬與合金目前均可通過激光或電子束熔化方法實現(xiàn)部件制造，且已在航天航空、人體硬組織修復(fù)等領(lǐng)域開展了相關(guān)應(yīng)用；相比之下，陶瓷材料的增材制造雖然幾乎于同期起步，但直到近些年才以商業(yè)化光固化增材制造設(shè)備的推出為標(biāo)志實現(xiàn)了初步的實用化。

這一里程碑式的突破迅速促使陶瓷增材制造成為世界范圍內(nèi)陶瓷學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用探索的熱點之一。業(yè)界對陶瓷增材制造相較于陶瓷傳統(tǒng)成型方式在無需模具、可成型復(fù)雜部件等方面的優(yōu)勢抱有期待，經(jīng)濟學(xué)界也對陶瓷增材制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)前景做出了樂觀估計，相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值預(yù)期將從2017年的不足1億美元迅速增長到2028年的36億美元。

陶瓷增材制造技術(shù)是一種通過離散材料逐層制造并疊加得到三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的先進(jìn)制造技術(shù)，具有材料利用率高、制造靈活性強、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢，適用于小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件制造。目前，主流的陶瓷增材制造技術(shù)包括激光選區(qū)燒結(jié)、立體光固化、墨水直寫等。

立體光固化成型(SLA)

立體光固化成型法(SLA)是1977年Swainson提出的一種制造概念，隨后Kodama真正實現(xiàn)了這一工藝。

SLA原理簡圖（來源：劉全景等，《增材制造技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用》）

SLA工藝的原材料主要是液態(tài)樹脂與陶瓷粉末混合后的陶瓷樹脂，由SLA工藝制備的陶瓷樣品與傳統(tǒng)工藝相比，不僅延續(xù)了陶瓷制體力學(xué)性能好的特點，同時還保證了制品的表面質(zhì)量以及尺寸精度。然而，使用SLA技術(shù)打印陶瓷制體也存在著許多的制約。利用SLA技術(shù)制備陶瓷制體時，不同的漿料需要對應(yīng)不同波長的紫外光，這就對制造環(huán)境提出了更高要求，同時提高了制造成本；另外SLA技術(shù)使用的陶瓷樹脂黏度應(yīng)小于3Pa·s，以保證漿料具有一定流動性，這就使得大多數(shù)陶瓷樹脂的固體體積百分比低于40%，導(dǎo)致這些陶瓷樹脂的樣品在經(jīng)歷脫脂燒結(jié)后，大多會出現(xiàn)劇烈的收縮與變形，嚴(yán)重時甚至?xí)��?dǎo)致整個陶瓷體的崩潰。目前解決這一問題的主要方法是改變陶瓷樹脂中的材料。

熔融沉積成型(FDM)

熔融沉積成型(FDM)工藝于1988年美國學(xué)者Dr．Scott Crump首次提出，因其容易實現(xiàn)、打印速度快和較低的成本，被廣泛運用于有機高分子材料的3D增材制造。通常運用于FDM技術(shù)的主要是熱塑性的高分子材料，這些高聚物被制作成線狀原料，這些線材通過FDM打印機的噴嘴加熱熔融，并被擠出噴嘴，伴隨著噴頭的運動，在基底面上層層沉積形成設(shè)計好的形狀，最終制成需要的零件。

FDM制備連續(xù)纖維增強SiC（來源：王長順等，《SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，越來越多的生物兼容性好、熔融溫度低且力學(xué)性能優(yōu)良的高聚物材料的涌出使FDM技術(shù)與陶瓷體制備出現(xiàn)契機，這項研究的成果主要運用在生物醫(yī)學(xué)方面。研究者們通過結(jié)合PLA、ABS與羥基磷灰石，采用FDM技術(shù)制備人造骨，并將其植入患者體內(nèi)，通過植入物刺激骨骼的生長，這項技術(shù)幫助骨植入領(lǐng)域走出了天然人骨短缺和異種骨骼排斥的困境。

相較于其他的增材制造方式，F(xiàn)DM技術(shù)在人體陶瓷骨骼制備方面具有成本低和無需支撐材料的優(yōu)點；同時研究表明人骨的抗壓強度在4～12MPa，通過調(diào)整這些人造骨的孔隙率，在經(jīng)過脫脂工藝后，其抗壓強度可達(dá)16MPa，同時收縮率在8%左右，這就極大的保證了實際樣品與設(shè)計模型幾何形狀的相似性。但FDM技術(shù)制備的陶瓷初體依然需要經(jīng)歷脫脂燒結(jié)，這就帶來了開裂和變形的問題。目前解決這些問題的途徑主要通過修改3D模型的設(shè)計和陶瓷生坯燒結(jié)方式的改進(jìn)上。

選擇性激光燒結(jié)/熔融(SLS/SLM)

選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)由Carl Ckard于1989年首次提出，其工作原理如圖所示。輥筒將儲粉倉中的粉末平整的鋪在粉床中，激光通過掃描系統(tǒng)有選擇性地?zé)�結(jié)粉末，隨后成型活塞下降，輥筒重新鋪設(shè)粉末，通過層層堆積形成所需零件。

SLS/SLM原理簡圖（來源：劉全景等，《增材制造技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用》）

SLS技術(shù)運用于陶瓷體制備時分為含有添加劑和不含添加劑2種。含添加劑的粉末在激光加熱時，添加劑熔融并粘結(jié)陶瓷顆粒形成整體，從而獲得生坯件;不含添加劑的固體粉末一般由2種陶瓷粉末混合而成，激光加熱時，低熔點的粉末受熱熔化，粘結(jié)高熔點的陶瓷顆粒。與含有添加劑粉末的制造方式相比，此時低熔點粉末充當(dāng)了添加劑熔融粘結(jié)高熔點陶瓷顆粒的角色，這樣操作的優(yōu)點是省去了脫脂步驟。區(qū)別于SLS技術(shù)，選擇性激光熔融(SLM)雖然保留了激光加熱的特性，但該技術(shù)不需要添加粘結(jié)劑，而是通過加熱使全部粉體熔融并相互粘黏，隨后層層累積獲得陶瓷體。

SLS/SLM技術(shù)具有應(yīng)用材料多、損耗率低和工藝簡單等特點，相較于其他增材制造方式，其成型速度快，可重復(fù)性高。但該工藝方式主要存在2個嚴(yán)重限制其在工業(yè)上推廣的問題：①在SLS技術(shù)中，添加劑的去除留下了孔隙，降低了成型件的力學(xué)性能；②成型精度低，表面粗糙度高。

墨水直寫(DIW)

墨水直寫技術(shù)源于1998年美國Sandia國家實驗室J.Cesarano等提出的自動注漿成型技術(shù)，起初主要針對陶瓷等材料的三維模型成型制造，經(jīng)過后期不斷地研究拓展，逐漸發(fā)展為今天的DIW增材制造技術(shù)。

連續(xù)纖維DIW成形設(shè)備及工藝原理（來源：王長順等，《SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）

高黏度的液體或固液混合漿料作為墨水材料存儲于料筒中并和噴頭相連，安裝于能夠在計算機控制下完成三維運動的三軸CNC平臺，通過機械壓力或氣動壓力推動墨水材料從噴頭連續(xù)擠出并在基底上預(yù)成型，后依據(jù)材料特性進(jìn)行相應(yīng)的后處理（揮發(fā)溶劑、熱固化、光固化、燒結(jié)、浸泡等）后得到最終的三維成型構(gòu)件。

DIW增材制造技術(shù)具有設(shè)備要求低、制造成本低、原材料適用范圍廣、成型精度高、制造靈活等優(yōu)勢；缺點在于DIW制備的陶瓷精度較差、缺陷較多，且直寫之后一般需要固化、燒結(jié)等后續(xù)處理過程。最終成型構(gòu)件的精度不僅取決于墨水材料的配方、組分理化特性、體系黏度和流變性能，而且受到直寫參數(shù)（噴頭直徑、壓力大小、平臺移動速度等）的影響。

數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)

數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)于1977年由Larry Hornback率先提出，時隔19年，由Texas Instruments將其商業(yè)化。DLP技術(shù)的原理和SLA技術(shù)基本相似。DLP與SLA技術(shù)的具體區(qū)別在于DLP技術(shù)采用寬波段的投影光將所需樣品的截面圖像放映在光敏漿料表面，逐層累積獲得樣品。DLP核心組件是DLP芯片，即數(shù)字顯微鏡設(shè)備，該組件直接決定了樣品的幾何形貌及打印精度。

DLP技術(shù)打印樣品具有精度高、時間短的優(yōu)點，在陶瓷體打印方面的應(yīng)用主要集中在小型及復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上。DLP技術(shù)運用于陶瓷制備時，由于其光強度較低，光引發(fā)劑與自由基交聯(lián)聚合反應(yīng)較差，導(dǎo)致固化不徹底，通常以在漿料中加入粘結(jié)劑的方式解決這一問題。添加粘結(jié)劑的陶瓷漿料進(jìn)行DLP 3D打印，初始的光固化過程使得樣品具有一定的保形能力，隨后置于烘箱中進(jìn)行加熱，發(fā)揮粘結(jié)劑的粘結(jié)作用，使生坯幾何形狀固定，再進(jìn)行脫脂燒結(jié)步驟。但眾多的研究表明，燒結(jié)后的樣品依然存在開裂、變形和收縮的問題。因此和SLA技術(shù)一樣，提高打印陶瓷漿料的固含量和合適的脫脂燒結(jié)方式依然是DLP技術(shù)的研究熱點。

結(jié)語與展望

與傳統(tǒng)陶瓷制備方式相比，增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)更多復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的陶瓷體制備，滿足了陶瓷材料在各個領(lǐng)域中應(yīng)用的發(fā)展需求。陶瓷增材制造的科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)仍將在相當(dāng)長一段時間保持高熱度，同時隨著技術(shù)問題的逐步解決，增材制造的陶瓷部件的綜合性能還將進(jìn)一步提升，首先逐步達(dá)到與傳統(tǒng)方法制造部件相近的制造水平，而后將進(jìn)一步通過更為精細(xì)化個性化的結(jié)構(gòu)調(diào)控實現(xiàn)具備個性化功能性陶瓷部件的制造。

同時我們也該看到，增材制造技術(shù)制備的陶瓷體依然存在眾多的不足之處，在陶瓷制造中廣泛運用增材制造技術(shù)仍然存在很多障礙。例如生產(chǎn)時間長，力學(xué)性能低于傳統(tǒng)方式制造的陶瓷，后處理出現(xiàn)開裂收縮等；另外較大尺寸(例如幾米)的陶瓷件仍然很難用增材制造技術(shù)制備。

綜上所述，未來增材制造技術(shù)在陶瓷體制備領(lǐng)域的研究應(yīng)主要集中在漿料研制和后處理方面，同時還需改進(jìn)成型技術(shù)，以實現(xiàn)較短時間內(nèi)完成接近設(shè)計模型的陶瓷體制備。

參考資料：

1、宋路等，《“增才制造”：以增材原理推動個性化陶瓷材料“成型—成性一體化”設(shè)計》
2、王長順等，《SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展》
3、吳甲民，《方興未艾的陶瓷增材制造》
4、劉全景等，《增材制造技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用》
5、姜一帆等，《墨水直寫增材制造技術(shù)及其在含能材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展》