陶瓷材料由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的化學穩(wěn)定性，在機械、化工、電子、航空航天、生物醫(yī)學等工業(yè)領域得到廣泛應用。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)，包括注射成型、干壓成型、凝膠注射成型等，對模具的依賴性很強，無法滿足集成化、復雜化、精密化陶瓷產(chǎn)品快速制造的要求。增材制造技術(shù)基于離散堆疊原理，根據(jù)預先設計的三維實體模型，將一系列離散材料按預定軌跡逐層堆疊，從而制造出物理零件。與傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)相比，陶瓷增材制造技術(shù)打破了傳統(tǒng)陶瓷加工過度依賴模具的局限，無需模具即可快速生產(chǎn)出完全個性化的陶瓷產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)設計自由度高，并被認為是構(gòu)成工業(yè)4.0的眾多顛覆性技術(shù)之一。

根據(jù)是否需要進行后處理，陶瓷增材制造技術(shù)可分為間接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。本文內(nèi)容，3D打印技術(shù)參考重點介紹這些技術(shù)的成形特點。

一. 陶瓷間接增材制造技術(shù)

陶瓷間接增材制造也稱為“多步”成型方法。第一道工序是通過光固化、激光燒結(jié)、粘結(jié)劑噴射、材料噴射和擠出制備無模具的陶瓷生坯，主要的工藝類型包括SLA、DLP、TPP、SLS、Binder Jetting、NPJ、FDM/PEP等；第二道工序是對陶瓷生坯進行高溫脫脂和燒結(jié)，從而實現(xiàn)陶瓷部件的高致密化。該方法按原料形態(tài)大體可分為漿料、粉末、粒料以及絲材。

1. 激光燒結(jié)

激光燒結(jié)與光固化在成型機理上存在巨大差異，SLS技術(shù)需要利用低熔點的高分子粉末作為粘結(jié)劑將粉末連接在一起，導致脫脂后生坯致密化程度低。因此，在后處理過程中，壓力滲透、溫等靜壓和冷等靜壓通常用于實現(xiàn)SLS陶瓷部件的高致密化。此外，在脫脂和燒結(jié)過程中，SLS工藝制備的陶瓷坯體容易因高溫熱收縮而產(chǎn)生開裂缺陷。

激光燒結(jié)3D打印的SiC（薄壁結(jié)構(gòu)的厚度為 1 mm）

2.光固化

光固化技術(shù)的優(yōu)點是能夠制備出均勻性高、內(nèi)應力低、精度高的陶瓷生坯件。但對于光固化工藝，漿料由陶瓷顆粒、光敏樹脂和光活性組分組成，光活性組分包括光引發(fā)劑、惰性染料和抑制劑，光引發(fā)劑吸收特定波長的光子后，會發(fā)生漿料中感光材料的聚合。對于該工藝，漿料中粉末的反射率會限制可加工的陶瓷種類。另外，陶瓷漿料是一種懸浮物，可能會造成打印層間的顆粒偏析，嚴重影響燒結(jié)件的致密度和機械性能。在SLS技術(shù)中，可以避免制備漿料的繁瑣過程，提高了陶瓷坯體的成型效率。然而，SLS技術(shù)的低分辨率導致成型零件的精度差和密度低。

3. 粘結(jié)劑噴射

粘結(jié)劑噴射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0.05～0.2mm層厚的粉末，然后選擇性的在特定區(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打印具有復雜形狀的陶瓷產(chǎn)品。國內(nèi)的知名品牌有廣東峰華卓立等，國外則有Exone（Desktop Metal），這些公司經(jīng)過多年的探索與研究，均成功開發(fā)了基于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的陶瓷3D打印裝備、粘結(jié)劑以及脫脂燒結(jié)等后處理技術(shù)。然而，該技術(shù)但仍存在一些技術(shù)和工業(yè)應用方面的挑戰(zhàn)，如粘結(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)會對陶瓷零件的形成質(zhì)量、強度和后續(xù)燒結(jié)過程均會造成影響。

粘結(jié)劑噴射3D打印的?SiC 組件

4. 材料噴射

材料噴射技術(shù)是將包裹有納米陶瓷粉（金屬粉）或支撐粒子的液體裝入打印機并噴射在建造平臺上，通過高溫使液體蒸發(fā)留下實體部分，最后通過低溫燒結(jié)完成成型的技術(shù)。該工藝具有極高的技術(shù)難度，根據(jù)3D打印技術(shù)參考的觀察，發(fā)展多年當前仍只有以色列XJET公司實現(xiàn)了該工藝的商業(yè)化。這種直接噴射陶瓷或金屬納米顆粒的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的細節(jié)和精度表現(xiàn)力，而其關鍵在于納米顆粒在油墨中的分散以及噴射工藝。與其他工藝相比，它的高成本缺點也非常顯著。

5. 擠出制造

擠出工藝實際上也可以分的更為細致，如采用陶瓷線材的擠出、基于混合粒料的擠出以及陶瓷粉料的沉積。

陶瓷線材擠出工藝較為容易理解，它是將由陶瓷和高分子聚合物制造的線材通過FDM/FFF設備擠出制造生坯，3D打印技術(shù)參考注意到，國內(nèi)Raise3D Pro2 3D打印機已經(jīng)可以實現(xiàn)陶瓷線材的穩(wěn)定打印。

基于混合粒料，國內(nèi)升華三維開發(fā)了相應的解決方案。根據(jù)陶瓷粉體的物性（粒徑分布、形貌、比表面積等）和產(chǎn)品的性能要求，選擇合適的粘結(jié)劑配方體系（水基、塑基、蠟基等）進行適配，通過密煉機充分混合密煉高分子粘結(jié)劑與陶瓷粉末，最后通過造粒機制備得到粒徑可控的顆粒料材料。然后借助3D打印機系統(tǒng)將顆粒料加熱成熔融膏狀，再擠壓并逐層堆積成形，可得到高精度并具有一定密度和強度的生坯。

基于粉末沉積，國外一家名為Grid Logic的公司開發(fā)了一種獨特的基于粉末的3D打印，其沒有復雜的噴墨或激光系統(tǒng)，也沒有鋪粉裝置，而是使用擠出式3D打印頭進行粉末選擇性沉積。打印機可配備多種粉末，其中一種充當支撐，打印完成后，將帶有所有粉末的整個構(gòu)建室放入燒結(jié)爐中，金屬/陶瓷顆粒以傳統(tǒng)方式熔合在一起，支撐粉末在燒結(jié)過程中繼續(xù)支撐陶瓷材料，并在一定程度上可以重復使用。

根據(jù)該過程的特點可以理解，相比光固化和激光燒結(jié)，擠出技術(shù)在制造效率上可能存在不足。

二. 陶瓷直接增材制造技術(shù)

陶瓷直接增材制造技術(shù)通過高能量密度激光束直接熔化陶瓷粉末，可實現(xiàn)陶瓷零件成型與燒結(jié)一體化，按送粉形式可分為鋪粉式（SLM）和送粉式（LENS/DED）。該方法可用于制造氧化物共晶陶瓷，3D打印技術(shù)參考查詢到，西北工業(yè)大學蘇海軍教授團隊在長期開展超高溫氧化物共晶陶瓷定向凝固成形研究的基礎上，針對共晶陶瓷領域發(fā)展面臨的瓶頸并結(jié)合金屬激光增材制造技術(shù)原理，率先提出將激光增材制造技術(shù)應用到超高溫氧化物共晶陶瓷制備上的設想，并初步證實了該設想的可行性。

評判特定成形技術(shù)是否適用于加工某類材料的關鍵標準是該技術(shù)能否按照預設的方案順利、高質(zhì)量地完成對目標材料樣件的制備。目前，激光增材制造技術(shù)難以制備大尺寸、復雜形狀的氧化物共晶陶瓷樣件，難點主要集中在兩方面:? 原材料粉末特性及凝固缺陷控制。

佳能使用選擇性激光熔化3D打印的氧化鋁陶瓷

激光增材制造技術(shù)以粉末作為原材料，粉末特性直接影響加工過程的穩(wěn)定性及沉積試樣的成形質(zhì)量。為保證原材料供給及熔凝過程的均勻穩(wěn)定，粉末顆粒要具有良好的流動性以及高的致密性。為此, 金屬增材制造領域開發(fā)了氣霧化等技術(shù)來制備高質(zhì)量球形金屬粉末，目前已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應用。霧化技術(shù)的原理是利用高壓氣流等外力將連續(xù)金屬熔體破碎成細小的液滴，經(jīng)快速冷凝后獲得球形粉末。球形形貌保證了粉末的流動性，液固相變保證了所得粉末的致密性。?

與金屬增材制造相比，陶瓷材料激光增材制造研究起步相對較晚，目前尚未有成熟的滿足激光增材制造的高質(zhì)量球形陶瓷粉末制備工藝。此外，陶瓷材料熔點高、熔體粘度大的特點為開發(fā)基于液固相變的陶瓷形貌改性工藝帶來了極大的挑戰(zhàn)。

獨立控制各陶瓷組元輸送的LDED成形工藝

需要指出的是，激光增材制造是一個局部急熱驟冷且逐點快速循環(huán)往復掃描的過程，在基板及已沉積層內(nèi)形成復雜分布的溫度場，進而產(chǎn)生大的熱應力。高的熱應力是激光增材制造技術(shù)的一個顯著特征，如何調(diào)控熱應力是提升激光增材制造陶瓷材料成形質(zhì)量和降低缺陷的關鍵。對于脆性陶瓷材料而言，試樣中存在的應力極易誘發(fā)裂紋甚至造成試樣開裂，導致成形失敗。此外，原材料粉末中包含的空氣極易在快速熔凝過程中誘發(fā)氣孔缺陷。氣孔不僅會影響逐層制備過程中熔池的穩(wěn)定性，而且易導致成形試樣的性能惡化。因此，控制裂紋、氣孔等凝固缺陷是影響激光增材制造氧化物共晶陶瓷成形及成性的關鍵所在，是本領域當前研究的重點和難點。

END

陶瓷材料增材制造已成為先進陶瓷制造領域最具發(fā)展?jié)摿Φ闹匾较?。本文?D打印技術(shù)參考主要介紹了當前的陶瓷增材制造工藝類型及其制造特點。與其他材料增材制造應用相比，陶瓷發(fā)展相對緩慢。但研究公司IDTechEx發(fā)布的一份關于陶瓷增材制造市場的新報告，其市場規(guī)模將顯著增長，這得益于越來越多的參與者寄希望于這項技術(shù)。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理，未經(jīng)單獨授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。