一篇文章带你读懂陶瓷3D打印

陶瓷3D打印可以制备结构复杂、高精度的多功能陶瓷，在建筑、工业、医学、航天航空等领域将会得到广泛的应用，在陶瓷形芯、骨科替代物、催化器等方向具有很好的应用前景，将给我们的生活带来巨大改变。

用途广泛的陶瓷材料

目前，陶瓷3D打印制备的主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、磷酸钙陶瓷等。

应用前景广阔

目前陶瓷3D打印成形技术主要可以分为：

• 喷墨打印技术

• 熔融沉淀技术

• 分层实体制造技术

• 选择性激光烧结技术

• 立体光固化技术

使用这些技术打印得到的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷零件。根据成形方法和使用原料的不同，每种打印技术都有自己的优缺点，发展程度也有差距。

主要分为三维打印和喷墨沉积法。 

三维打印是由MIT开发出来的，首先将粉末铺在工作台上，通过喷嘴把粘结剂喷到选定的区域，将粉末粘结在一起，形成一个层，而后，工作台下降，填粉后重复上述过程直至做出整个部件。

所用的粘结剂有硅胶、高分子粘结剂等。三维打印法可以方便地控制陶瓷坯体的成分和显微结构，但是坯体需要后处理，而且精度低、强度低。 

喷墨沉积法是由Brunel大学的Evans和Edirisingle研制出来的，它是将含有纳米陶瓷粉的悬浮液直接由喷嘴喷出以沉积成陶瓷件。该工艺的关键是配置出分散均匀的陶瓷悬浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制约其发展的因素主要是陶瓷墨水的配置和喷墨打印头的堵塞。

与塑料3D打印的熔融沉积成形（FDM）类似，基本都是由供料辊、导向套和喷头３个结构组件相互搭配来实现。首先热熔性丝状材料（混有陶瓷粉末的喷丝）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后挤出喷嘴，挤出后的陶瓷高分子复合材料因为温差而凝固，按照设计好的原件造型进行3D打印。

也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料，直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。

本技术虽然可以实现多种材料组合，但挤出最小直径有限，在结构上受到局限，精度较低，比较适用于陶瓷工艺品和多孔材料的生物制造领域。本技术需要设置支撑结构、喷头温度高、对于原料的要求高。

一种薄片材料叠加工艺，又称为薄形材料选择性切割。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形，是一种直接由层到立体零件的过程。

成形速度快，适合用于制造层状复杂结构零件；不需要设置支撑结构，后期处理过程比较简单。陶瓷薄片材料可以利用流延法制备得到，国内外对流延法制备陶瓷薄片材料的技术也已经比较成熟，原料的获取方便快捷。但是，由于采用的薄膜材料需要进行切割叠加，不可避免地产生大量材料浪费的现象，利用率有待提高。同时打印过程采用的激光切割增加了打印成本。不适合打印复杂、中空的零件，层与层之间存在较为明显的台阶效应，最终成品的边界需要进行抛光打磨处理。

主要通过压辊、激光器、工作台３个结构组件相互搭配来实现陶瓷3D打印。通过压辊将粉末铺在工作台上，电脑控制激光束扫描规定范围的粉末，粉末中的粘结剂经激光扫描熔化，形成层状结构。扫描结束后，工作台下降，压辊铺上一层新的粉末，经激光再次扫描，与之前一层已固化的片状陶瓷粘结，反复操作同一步骤，最终打印出成品。

SLS原理图

由于直接对陶瓷进行烧结比较困难，需在陶瓷粉中加入粘结剂或者将原料制成覆膜陶瓷的结构。粘结剂的种类、用量以及加入粘结剂后的陶瓷密度低、力学性能差等方面的问题一直制约着该技术的发展，难以得到高精度、高强度、高致密度的陶瓷零件。同时，由于使用激光，该技术打印陶瓷零件成本高、后期维护较为繁琐。

又称光固化成形技术。根据光源种类及作用方式的不同，分为激光扫描固化（SLA）和DLP（Digital Light Processing，数字光处理）面固化工艺。

SLA技术是通过激光的扫描曝光实现单层的固化。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xy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零件。

DLP技术是通过面光源的投影曝光实现单层的固化。以能在紫外光下固化的液态树脂为粘结剂，与陶瓷粉体等原料混合配制出陶瓷浆料，计算机根据每个截面的轮廓线控制紫外光照射相应区域，浆料很快固化形成一层轮廓，逐层叠加，新固化的一层粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕。

光固化成形技术发展至今已经较为成熟，适用于制作结构复杂、精度要求高的零件，已有公司研发出光固化3D打印设备。