陶瓷3D打印被視為在極限環(huán)境下使用的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，可以滿足對高溫材料（如超高溫陶瓷）和復(fù)雜幾何形狀的需求。目前，已有數(shù)種陶瓷3D打印工藝，如光固化、直接墨水書寫、粉末床激光燒結(jié)以及粘結(jié)劑噴射和氣溶膠噴射等等，這些工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，能夠滿足不同場景的應(yīng)用需求。

粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）3D打印是一種基于噴墨技術(shù)的增材制造技術(shù)，也屬于基于粉末床的3D 打印技術(shù)。采用該工藝制造陶瓷，首先在粉末床上選擇性的噴射粘結(jié)劑，通過層層制造得到陶瓷坯體，然后通過燒結(jié)獲得致密化的零件。該工藝可以快速打印復(fù)雜形狀，同時保持打印精度。在國外，美國NASA格倫研究中心采用該工藝3D打印了SiC陶瓷復(fù)合材料渦輪發(fā)動機(jī)部件；在國內(nèi)，廣東峰華卓立科技股份有限公司經(jīng)過多年的探索與研制，開發(fā)了基于該工藝的教育科研型陶瓷3D打印裝備。

3DP打印設(shè)備主要結(jié)構(gòu)及工藝示意圖?

峰華卓立打印的陶瓷零件

3D打印技術(shù)參考注意到，采用粘結(jié)劑噴射3D 打印制造陶瓷零件涉及五個關(guān)鍵因素：陶瓷粉體、粘結(jié)劑、打印參數(shù)、打印設(shè)備和后處理,這些因素會影響零件的形狀、尺寸、密度、強(qiáng)度和表面質(zhì)量：

• 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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)模型的最終性能和精度控制。

1. 使用粘結(jié)劑噴射3D打印陶瓷零件的優(yōu)勢

粘結(jié)劑噴射技術(shù)在陶瓷3D打印方面具有諸多優(yōu)勢，其同時具備低成本、高效率和較高的制造精度等特點(diǎn)，同時成型尺寸涵蓋了毫米級到米級。除此之外，它在材料選擇和制造結(jié)構(gòu)方面具有更寬的適應(yīng)性：

• 能夠使用多種類型的材料，如陶瓷、金屬或陶瓷復(fù)合材料等；

• 比其他增材制造技術(shù)打印效率更高，在一次打印中創(chuàng)建出不同形狀和尺度的零件，可以大幅縮短生產(chǎn)周期；

• 能夠通過調(diào)節(jié)粘結(jié)劑和粉末的比例和組合，實(shí)現(xiàn)不同的力學(xué)性能；

• 能夠?qū)崿F(xiàn)高度的設(shè)計自由度，制作出復(fù)雜的幾何形狀；

• 能夠減少材料浪費(fèi)，可回收再利用未使用的粉末。

2. 可采用粘結(jié)劑噴射3D打印陶瓷零件的種類及其應(yīng)用

粘結(jié)劑噴射增材制造技術(shù)可以制造多種陶瓷材料種類，這些陶瓷具有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。

不同陶瓷材料的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域

峰華卓立打印的氮化物陶瓷樣品

峰華卓立打印的氧化物陶瓷樣品，左右滑動查看更多

3. 采用粘結(jié)劑噴射3D打印陶瓷零件的挑戰(zhàn)

粘結(jié)劑噴射增材制造工藝打印陶瓷材料雖然具有諸多優(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）在技術(shù)方面的挑戰(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(jī)或無機(jī)）、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，合適的粘結(jié)劑選擇是關(guān)鍵。

• 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(shí)現(xiàn)粉末顆粒之間的冶金結(jié)合，而這個過程中會出現(xiàn)收縮、變形、裂紋等缺陷，影響零件的性能和外觀，燒結(jié)保護(hù)、溫度曲線、尺寸仿真與補(bǔ)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(qiáng)度，需要通過添加增強(qiáng)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，尤其在多孔陶瓷零件應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。

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(qiáng)度的提高。通過優(yōu)化打印參數(shù)、增加層數(shù)或壓實(shí)等方法來實(shí)現(xiàn)，提高成型零件初始密度和最終密度，滿足高強(qiáng)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(shí)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(kuò)展。通過開發(fā)新型或改進(jìn)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)計的新型落粉鋪粉機(jī)構(gòu)，實(shí)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，從BJC300到BJC2500都可滿足客戶對不同陶瓷零件的高質(zhì)量、快速生產(chǎn)需求，期待與更多教育科研、工業(yè)級應(yīng)用客戶更多交流與合作。

峰華卓立BJC2500陶瓷打印機(jī)（以實(shí)際工藝參數(shù)為準(zhǔn)，可定制）

峰華卓立BJC430mm陶瓷3DP打印機(jī)

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(diǎn)。屆時，醫(yī)療保健、航空航天、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)。