陶瓷的應用領域非常廣泛，涵蓋科研、醫(yī)療、工業(yè)、建筑及首飾等，尤其是具有許多有利性能的高級陶瓷材料更是航空航天及國防等領域需要的材料，而3D打印的陶瓷產品能保證良好的表面質量及各種良好性能。近日，科技部發(fā)布的《“十三五”先進制造技術領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》指出，強化制造核心基礎件和智能制造關鍵基礎技術，在增材制造、激光制造等領域掌握一批具有自主知識產權的核心關鍵技術與裝備產品，形成以互聯(lián)網為代表的信息技術與制造業(yè)深度融合的創(chuàng)新發(fā)展模式，促進制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，以推進智能制造為方向，強化制造基礎能力，提高綜合集成水平，促進產業(yè)轉型升級，實現制造業(yè)由大變強的跨越。

 

　　陶瓷3D打印成型技術

 

　　目前陶瓷3D打印成型技術主要可以分為噴墨打印技術(ink-jet printing，IJP)、熔融沉淀技術(fuseddepositionmodeling，FDM)、分層實體制造技術(laminatedobjectmanufacturing，LOM)、選擇性激光燒結技術(selectivelasersintering，SLS)和立體光固化技術(stereolithography apparatus，SLA)。

 

　　使用這些技術打印得到的陶瓷坯體經過高溫脫脂和燒結后便可得到陶瓷零件。根據成型方法和使用原料的不同，每種打印技術都有自己的優(yōu)缺點，發(fā)展程度也有差距。

 

　　1、噴墨打印技術（IJP）

 

　　噴墨打印技術主要分為三維打印和噴墨沉積法。

 

　　三維打印是由MIT開發(fā)出來的，首先將粉末鋪在工作臺上，通過噴嘴把粘結劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結在一起，形成一個層，而后，工作臺下降，填粉后重復上述過程直至做出整個部件。所用的粘結劑有硅膠、高分子粘結劑等。三維打印法可以方便地控制陶瓷坯體的成分和顯微結構，但是坯體需要后處理，而且精度低、強度低。

 

　　噴墨沉積法是由Brunel大學的Evans和Edirisingle研制出來的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。該工藝的關鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制約其發(fā)展的因素主要是陶瓷墨水的配置和噴墨打印頭的堵塞。

 

　　2、漿料擠出成型技術（類似FDM）

 

　　與塑料3D打印的熔融沉積成型（FDM）類似，基本都是由供料輥、導向套和噴頭３個結構組件相互搭配來實現。首先熱熔性絲狀材料（混有陶瓷粉末的噴絲）經過供料輥，在從動輥和主動輥的配合作用下進入導向套，利用導向套的低摩擦性質使得絲狀材料精準連續(xù)地進入噴頭。材料在噴頭內加熱熔化后擠出噴嘴，擠出后的陶瓷高分子復合材料因為溫差而凝固，按照設計好的原件造型進行3D打印。

 

　　也有部分工藝采用高粘度的陶瓷漿料作為原材料，直接通過噴嘴擠出后在空氣中干燥固化。

 

　　本技術雖然可以實現多種材料組合，但擠出最小直徑有限，在結構上受到局限，精度較低，比較適用于陶瓷工藝品和多孔材料的生物制造領域。而且需要設置支撐結構、噴頭溫度高，對于原料的要求高。

 

　　3、分層實體制造技術（LOM）

 

　　一種薄片材料疊加工藝，又稱為薄形材料選擇性切割。直接通過激光切割薄膜材料（含粘結劑），移動升降工作臺，切割新的一層薄膜材料疊加在之前的一層材料上，在熱粘壓部件的作用下粘結成型，是一種直接由層到立體零件的過程。

 

　　成型速度快，適合用于制造層狀復雜結構零件；不需要設置支撐結構，后期處理過程比較簡單。陶瓷薄片材料可以利用流延法制備得到，國內外對流延法制備陶瓷薄片材料的技術也已經比較成熟，原料的獲取方便快捷。但是，由于采用的薄膜材料需要進行切割疊加，不可避免地產生大量材料浪費的現象，利用率有待提高。同時打印過程采用的激光切割增加了打印成本。不適合打印復雜、中空的零件，層與層之間存在較為明顯的臺階效應，最終成品的邊界需要進行拋光打磨處理。

 

　　4、激光選區(qū)燒結技術（SLS）

 

　　主要通過壓輥、激光器、工作臺３個結構組件相互搭配來實現陶瓷3D打印。通過壓輥將粉末鋪在工作臺上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結劑經激光掃描熔化，形成層狀結構。掃描結束后，工作臺下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結，反復操作同一步驟，最終打印出成品。

 

　　由于直接對陶瓷進行燒結比較困難，需在陶瓷粉中加入粘結劑或者將原料制成覆膜陶瓷的結構。粘結劑的種類、用量以及加入粘結劑后的陶瓷密度低、力學性能差等方面的問題一直制約著該技術的發(fā)展，難以得到高精度、高強度、高致密度的陶瓷零件。同時，由于使用激光，該技術打印陶瓷零件成本高、后期維護較為繁瑣。

 

　　5、立體光刻技術（SLA）

 

　　又稱光固化成型技術。根據光源種類及作用方式的不同，分為激光掃描固化（SLA）和DLP（Digital Light Processing，數字光處理）面固化工藝。

 

　　SLA技術是通過激光的掃描曝光實現單層的固化。通過紫外激光束，按照設計好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹脂混合液體，逐點固化，由點及線，由線到面。通過xy方向固化成面后，通過升降臺在ｚ軸方向的移動，層層疊加完成三維打印陶瓷零件。

 

　　DLP技術是通過面光源的投影曝光實現單層的固化。以能在紫外光下固化的液態(tài)樹脂為粘結劑，與陶瓷粉體等原料混合配制出陶瓷漿料，計算機根據每個截面的輪廓線控制紫外光照射相應區(qū)域，漿料很快固化形成一層輪廓，逐層疊加，新固化的一層粘結在前一層上，如此重復直至成型完畢。

 

　　光固化成型技術發(fā)展至今已經較為成熟，適用于制作結構復雜、精度要求高的零件，已有公司研發(fā)出光固化3D打印設備。