陶瓷3D打印

       陶瓷3D打印结合了3D打印技术和陶瓷材料技术。陶瓷3D打印整个过程无需原肧和模具，利用陶瓷3D打印技术可直接加工尺寸、形状各异的陶瓷件，与传统陶瓷加工工艺相比，陶瓷3D打印简化产品的制造程序，缩短生产周期，提高效率并降低成本。陶瓷3D打印流程包括打印陶瓷材料的配置，构造三维模型并分层处理，打印陶瓷坯体，坯体脱脂、烧结三大部分。

陶瓷3D打印流程

图片来自：http://www.360powder.com/technology_details/index/3662.html

陶瓷3D打印技术

01

喷墨打印技术（IJP）

       此方法由Brunel大学的Evans和Edirisingle研发，IJP技术的原材料是由非金属材料、分散剂、粘结剂、表面活性材料和其他辅助材料混合而成的“陶瓷墨水”。它是将陶瓷墨水直接由喷嘴喷射，沉积成型。IJP技术成型原理简单，但是喷墨打印喷头易堵塞。

02

熔化沉积成型技术（FDM）

       FDM技术的原料为热熔型丝状材料。FDM技术利用加热喷头将丝状材料加热熔化挤出，沉积成型。FDM技术具有对工作环境要求低、操作简单、前期工作简单、成本较低等优点。但是其对喷头的加热温度和材料性质要求高。

FDM技术原理示意图

图片来自：VAN N R. The future of dental devices is digital[J]. Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials, 2012, 28(1):3-12.

03

光固化成型技术（SLA/DLP）

       光固化成型技术包括立体光固化成型技术（SLA）和数字光处理技术（DLP）。美国Michigan大学的Michelle Griffith是首先提出将光固化成型技术和陶瓷材料制备工艺相结合。SLA技术利用紫外线激光束逐点的照射光敏树脂和陶瓷粉末混合而成的浆料使其固化，堆叠成型。

SLA技术原理示意图

图片来自：STANSBURY J W, IDACAVAGE M J. 3D printing with polymers: Challenges among expanding options and opportunities[J]. Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials, 2016, 32(1): 54-64.

        DLP技术的工艺原理与SLA技术的工艺原理基本相同，不同处是DLP运用了美国德州仪器公司的数字微镜元件（Digital Micromirro Device,DMD），DMD装置可使整层的图像直接投影到整个区域，无需紫外线光束进行逐点的照射。 

04

分层实体制造技术（LOM）

       LOM技术是利用激光切割器切割陶瓷薄片材料，逐层堆叠成型。其成型原理简单，工作空间大，适合加工尺寸较大的加工件，但LOM技术加工出的零件力学性能较差、精度较低，不适合加工精密零件。

05

激光选区熔化技术/激光选区烧结技术（SLM/SLS）

        SLS技术利用激光束选择性烧结由有机物材料和陶瓷粉末混合而成的粉状材料，堆叠成型。SLM技术与SLS技术的相似，不同点是SLM技术利用激光束直接照射陶瓷粉末将其烧结成型。由于陶瓷打印材料、成型工艺及后处理方面发展还不成熟，SLS技术与SLM技术的应用率较低。

06

三维打印成型技术（3DP）

       三维打印技术（3DP)利用喷头喷射粘结剂将陶瓷材料粘连在一起，堆叠成型。3DP技术有成型时间短、成本较低、打印材料范围广、材料利用率高等优点。由于材料铺设不均匀或喷头喷射效果及范围的影响，加工出的成品精度不高且力学性质较差，需后处理工艺以提高其性能。

07

浆料直写成型技术（DIW）

     浆料直接写成型技术（DIW）最早由Cesarano等提出，该技术是通过出料挤出头将水基胶体材料或有机物基陶瓷浆料挤出沉积成型。DIW技术材料稳定性好、保存周期长、不易干。并且DIW技术对加工环境要求低，在常温下即可进行，无需加热、无需激光、紫外线的辐射。

DIW技术示意图

图片来自：CESARANO J, SEGALMAN R, CALVERT P, Robocasting provides Moldless Fabrication from Slurry Deposition[J]. Ceram Ind, 1998,148(4): 94–102.

陶瓷3D打印材料

       陶瓷3D打印所用的打印材料一般按照采用的打印技术及陶瓷制品的性能要求进行选择。按照形态可将打印材料分为浆材、粉材、丝材、片材。浆材一般由有机物液体和陶瓷粉末混合搅拌制得，主要应用于DIW技术、SLA技术，粉材是指陶瓷粉末和有机物颗粒的混合粉末或陶瓷粉末，主要应用于SLM技术、SLS技术、3DP技术，丝材主要是应用于FDM技术的热熔性丝状材料，片材指陶瓷材料薄膜，主要用于LOM技术。

陶瓷3D打印应用

与传统陶瓷工艺相结合，是陶瓷3D打印应用的方向之一。

利用陶瓷3D打印技术打印出的花瓶

图片来自醴陵市陶瓷3D打印研究所

利用陶瓷3D打印技术打印生物陶瓷应用于医学方面，是陶瓷3D打印应用的重要方向。

心脏起搏器部件和假牙

图片来自Lithoz

高性能陶瓷功能零件。高性能陶瓷零件在航天航空、高端武器、船舶、汽车、电子等领域有光明的应用前景。

可应用于太空的陶瓷3D打印机

图片来自新华网

纪宏超 张雪静 郑镭 叶晓濛

华北理工大学  机械工程学院

原文出处：

《材料工程》2018,46（7）：19-28.

纪宏超^1,2, 张雪静¹, 裴未迟^1,3, 李耀刚¹, 郑镭^1,4, 叶晓濛¹, 陆永浩²

1. 华北理工大学 机械工程学院, 河北 唐山 063210;
2. 北京科技大学 国家材料服役安全科学中心, 北京 100083;
3. 北京科技大学 机械工程学院, 北京 100083;
4. 河北农业大学 机电工程学院, 河北 保定 071001

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000084 

链接：

http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000084

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