陶瓷材料以其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高剛度，以及耐等離子體等特性，在集成電路制造裝備、能源裝備以及航空航天等領(lǐng)域被廣泛作為核心部件使用。例如半導(dǎo)體領(lǐng)域的腔室零部件、吸盤夾盤，航空航天領(lǐng)域的多介質(zhì)燃燒噴嘴、耐高溫?zé)峤粨Q器、高溫閥門管道等。但由于陶瓷材料特有的脆硬性，采用傳統(tǒng)減材制造方式難以加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸跨度大的陶瓷零部件，而采用干壓、擠出和凝膠注模等制造技術(shù)仍舊存在著模具成本高且交貨時間長等問題。

3D打印得益于其逐層搭建的加工過程，可以極大自由度實現(xiàn)復(fù)雜陶瓷零部件的加工，并大幅度地縮短制造周期，降低制造成本。在眾多可用于陶瓷加工的增材制造技術(shù)中，常見的有粘結(jié)噴射成形、光固化成型、融熔沉積成形，以及墨水直寫等3D打印工藝。對這些陶瓷3D打印技術(shù)的優(yōu)缺點的分析如下表所示。

在這些技術(shù)中，粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting，或稱3DP）是一種基于噴墨技術(shù)的增材制造技術(shù)，也是基于粉末床的3D 打印技術(shù)。該技術(shù)首先在打印平臺床上鋪設(shè)0.05～0.2mm層厚的粉末，然后選擇性地在特定區(qū)域噴射粘結(jié)劑實現(xiàn)模型截面圖案的固化。在通過層層疊加得到陶瓷坯體后，需要取出打印模型進行脫脂和燒結(jié)最終得到致密化的陶瓷零件。該工藝可以高效且批量地打印具有復(fù)雜形狀的陶瓷產(chǎn)品。廣東峰華卓立科技股份有限公司經(jīng)過多年的探索與研究，成功開發(fā)了基于3DP技術(shù)的陶瓷3D打印裝備、打印粘結(jié)劑，以及脫脂燒結(jié)等后處理技術(shù)。

1. 使用粘結(jié)劑噴射3D打印陶瓷零件的優(yōu)勢

從工業(yè)生產(chǎn)的角度進行分析，3DP打印是一種同時具備了低成本、高效率和高精度等制造要素的制造技術(shù)。采用3DP打印技術(shù)可以同時成型毫米級到米級尺度的陶瓷零部件，并在打印過程中保持同等的尺寸精度和表面質(zhì)量，既適配小批量定制化的生產(chǎn)，也能勝任大批量規(guī)?；纳a(chǎn)。同時，該技術(shù)在室溫下完成打印成型，因此可以成型不同熔點的復(fù)合陶瓷材料，為新材料、新產(chǎn)品的研發(fā)提供極大的便利。更為重要的，由于3DP打印只在粉末之間實現(xiàn)粘結(jié)，因此可以以極低的有機物含量實現(xiàn)模型的成型，這可以大幅減少脫脂的時間和脫脂缺陷的產(chǎn)生，降低后處理成本。

2.?可采用3DP打印的陶瓷種類及其應(yīng)用

理論上任何可以以粉體形式進行鋪粉打印的材料都可以通過3DP打印技術(shù)進行制造。這意味著3DP技術(shù)可以代替現(xiàn)有陶瓷粉體的成型技術(shù)，與已經(jīng)成熟的陶瓷粉末制造以及脫脂燒結(jié)等生產(chǎn)工藝結(jié)合，制造絕大部分的陶瓷材料。下表羅列了常見的可用于3DP打印技術(shù)制造的陶瓷材料，簡要介紹理論他們的材料特點和應(yīng)用場景。

3. 采用3DP技術(shù)制造陶瓷零件的挑戰(zhàn)

在陶瓷3DP打印的過程中，峰華卓立將該技術(shù)的關(guān)鍵因素歸納為以下5點：陶瓷粉體、粘結(jié)劑、打印參數(shù)、打印設(shè)備和后處理等。這些因素會在制造過程中影響零件的形狀、尺寸、密度、強度和表面質(zhì)量，因此需要重點研究。

• 陶瓷粉體：?需要選擇具有良好流動性、高容重和低親水性的陶瓷粉體，且為球形或類球形具有一定的流?動性，以保證成形效果和結(jié)構(gòu)完整。

• 粘結(jié)劑：?需要選擇與陶瓷粉體相容且易于去除或燒結(jié)的粘結(jié)劑，以提高零件強度和脫脂效果。

• 打印參數(shù)：?需要優(yōu)化層厚、墨量、加熱溫度等參數(shù)，以提高零件密度和強度，并控制幾何尺寸和表面質(zhì)量。

• 打印設(shè)備：?需要選擇具有高分辨率、高穩(wěn)定性和高自動化程度，以提高生產(chǎn)效率和可靠性。

• 后處理：?需要根據(jù)不同材料選擇合適的后處理方法，如干燥、滲透或浸漬處理、脫脂和高溫?zé)Y(jié)等，以增強模型的最終性能和精度控制。

值得注意的是，采用3DP技術(shù)制造陶瓷產(chǎn)品雖然具有諸多優(yōu)勢，但仍存在一些技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。

1?）技術(shù)上的挑戰(zhàn)主要涉及以下三個方面。

• 粘結(jié)劑的選擇和控制。?粘結(jié)劑的種類（有機或無機）、粘度、噴射量、表面張力、干燥時間等參數(shù)會影響陶瓷零件的形成質(zhì)量和后續(xù)燒結(jié)過程，粘結(jié)劑的選擇需要適配陶瓷材料和脫脂燒結(jié)工藝。

• 燒結(jié)過程的優(yōu)化。?由于粘結(jié)劑噴射工藝打印出來的陶瓷零件含有一定量的粘結(jié)劑，需要通過不同溫度的脫脂和高溫?zé)Y(jié)過程將其去除并實現(xiàn)粉末顆粒之間的結(jié)合。這個過程中不可避免地會出現(xiàn)收縮、變形、裂紋等缺陷，影響零件的性能和外觀，因此燒結(jié)保護、溫度曲線、尺寸仿真與補償都是成為質(zhì)量控制重要的一環(huán)。

• 材料性能的提高。?由于粘結(jié)劑噴射工藝打印出來的陶瓷零件一般具有較低的密度和強度，需要通過添加增強相、改變顆粒分布、調(diào)節(jié)孔隙率等方法來提高其力學(xué)性能和功能性能，提高致密度要求。

2）在工業(yè)應(yīng)用方面，主要涉及以下三個方面：

• 成型零件密度和強度的提高。?通過優(yōu)化打印參數(shù)、增加層數(shù)或壓實等方法來實現(xiàn)，提高成型零件初始密度和最終密度，滿足高強度應(yīng)用需求。

• 后處理過程的簡化和縮短。?通過采用易于去除或無需去除的粘結(jié)劑、減少脫脂步驟或采用快速脫脂方法等來簡化或縮短后處理過程，實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和降低成本。

• 可用材料種類和組合的擴展。?通過開發(fā)新型或改進現(xiàn)有的材料配方、混?合不同類型或功能材料等滿足不同領(lǐng)域功能需求。

4. 峰華卓立提供的技術(shù)優(yōu)勢

為應(yīng)對技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，廣東峰華卓立自2018年起致力于陶瓷粘結(jié)劑噴射3D打印的核心技術(shù)創(chuàng)新。經(jīng)過多年的研發(fā)，峰華卓立利用自主設(shè)計的新型落粉、鋪粉技術(shù)，實現(xiàn)了多種陶瓷材料高密度素坯（Green part）打印的突破，該技術(shù)可以使素坯密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)密度的60%以上，且粉床不同位置的密度誤差控制在2%以內(nèi)。此外，該技術(shù)還具有可打印尺寸范圍廣的優(yōu)勢，可滿足客戶對不同尺度陶瓷零件的高質(zhì)量、快速生產(chǎn)需求。峰華卓立期待與更多教育科研、工業(yè)級應(yīng)用客戶進行交流與合作。

如今，陶瓷3D打印的需求正在穩(wěn)步增長。據(jù)SmarTech Analysis 預(yù)計，陶瓷增材制造行業(yè)將在2029年成長為一個價值38億美元的細(xì)分市場，且將在2025年后迎來一個拐點。屆時，醫(yī)療保健、空航天、能源與電子、汽車制造以及軍事和防御領(lǐng)域的一大批公司和行業(yè)將受益于該技術(shù)。