幾種3D打印陶瓷材料技術及應用

發布時間 | 2018-10-11 15:27 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 11949

干燥氮化硅氧化鋁

導讀：3D打印陶瓷材料，并結合較為先進的燒結技術，制備出高精度、高強度的陶瓷零件，相比于傳統的制備工藝，會顯著降低加工成本、縮短生產周期、節省原材料，其發展潛力巨大，將推動3D打印陶瓷技術在...

3D打印技術，又稱增材制造，其具有具有操作簡單、成型速度快、精度高等優點。隨著3D打印技術的不斷發展，已經逐步應用在制造行業的各個領域。3D打印陶瓷材料，并結合較為先進的燒結技術，制備出高精度、高強度的陶瓷零件，相比于傳統的制備工藝，會顯著降低加工成本、縮短生產周期、節省原材料，其發展潛力巨大，將推動3D打印陶瓷技術在航天航空、醫學、工業等領域獲得更廣泛的應用。下面小編介紹幾種3D打印陶瓷材料技術及應用。

一、3D打印陶瓷技術概述

目前，3D打印陶瓷技術主要有噴墨打印技術、熔化沉積成型技術、激光固化成型技術、分層實體制造技術和激光選區燒結技術，這些技術可以按不同標準分類。其中，基于激光成型的方法有光固化成型技術、分層實體制造技術和激光選區燒結技術技術，另外兩種屬于非激光成型方法。需要設置支撐結構的有熔化沉積成型技術和激光選區燒結技術技術，而另外3種不需要設置支撐結構。最后，按照工藝過程可以分為直接成型法和逐層粘結法，噴墨打印技術技術是將陶瓷粉末和粘結劑混合制備成陶瓷墨水，通過3D打印直接成型的，屬于直接成型法，其他4種技術則屬于逐層粘結法。

圖1 3D打印陶瓷技術分類圖

1、噴墨打印技術

3D噴墨打印陶瓷技術工作原理是通過加熱噴嘴使噴嘴底部毛細管中的陶瓷墨水在極短的時間內迅速汽化并形成氣泡迅速擴展開。隨著氣泡的膨脹，達到克服墨水表面張力的臨界值，墨水就從噴嘴毛細管頂部噴出。陶瓷墨水按照計算機預先建模的數據進行圖案的繪制，層層疊加實現3D打印過程。停止加熱后，墨水冷卻，氣泡開始凝結收縮，陶瓷墨水便會縮回，陶瓷墨水停止供應。

圖2 3D噴墨打印陶瓷技術

3D噴墨打印陶瓷技術優點是:用戶按照需求設計個性化陶瓷，成本大大降低，很大程度上節約人力物力，同時技術不需要借助激光技術的輔助，在日常生活中已經得到廣泛的發展和應用。

2、熔化沉積成型技術

熔化沉積成型技術由供料輥、導向套和噴頭3個結構組件相互構成，其工藝工程是首先熱熔性絲狀材料經過供料輥，在從動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地進入噴頭。材料在噴頭內加熱熔化，按照所需打印的原件造型進行3D打印。

圖3 熔化沉積成型技術示意圖

熔化沉積成型技術優點是：不需要激光技術的輔助，成本較低，后期維護也比較方便。但是該技術需要設置支撐結構，保證陶瓷零件在打印過程不會坍塌。

目前，支撐材料分為兩種：一種是剝離性支撐材料，后期處理時需要手動剝離，較為繁瑣；另一種是水溶性的支撐材料，在后期處理時通過物理或化學方法就能方便快捷地去除。因此，目前市場上普遍采用后者作為支撐材料，在一定程度上降低了后期處理過程的復雜性。

3、激光固化成型技術

激光固化成型技術基本原理是通過紫外激光束，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x-y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材料。

圖4 激光固化成型技術工作原理示意圖

激光固化成型技術優點是：適用于制作結構復雜、精度要求高的零件。可以聯機操作，遠程控制，有利于生產的全自動化。此外該技術不需要經過燒結，也不需要添加燒結助劑，所以可以在較低的溫度和壓力下完成。

缺點是：對工作環境條件要求苛刻，效率較低，需要設置支撐結構，工藝過程較為復雜。

4、分層實體制造技術

分層實體制造技術是一種薄片材料疊加工藝。其工藝過程是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，實現由層到立體的轉變。在3D陶瓷打印中，用于分層實體制造技術的陶瓷薄片材料可以利用流延法制備得到。

圖5 分層實體制造技術示意圖

分層實體制造技術優點是：成型速度快，適合用于制造層狀復雜結構零件。缺點是：該技術不適合打印復雜、中空的零件，層與層之間存在較為明顯的臺階效應，最終成品的邊界需進行拋光打磨處理。

5、激光選區燒結技術

激光選區燒結技術主要通過壓輥、激光器、工作臺3個結構組件相互搭配來實現。其具體原理是通過壓輥將粉末鋪在工作臺上，電腦控制激光束掃描規定范圍的粉末，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。

激光選區燒結技術優點是可對多種材料進行加工，包括金屬、陶瓷、覆膜砂等。在激光燒結過程中不需要設置支撐結構，得到的最終成品精度好、強度高，相比于前幾種技術具有明顯優勢，應用最為廣泛。

缺點是：該技術用于打印陶瓷零件成本高、后期維護較為繁瑣。

圖6 激光選區燒結技術工作原理示意圖

二、3D打印陶瓷材料技術應用

1、氧化鋁陶瓷

傳統工藝制備氧化鋁陶瓷，過程繁瑣，耗時耗力。與傳統工藝相比，3D打印陶瓷具有制作周期縮短、成本降低、加工便捷、可操作性強等優勢。因此采用3D打印技術制備氧化鋁陶瓷，將成為一次新的革命性發展，進一步擴大氧化鋁陶瓷的銷售市場，在建筑、航空航天和電子消費品等領域獲得廣泛應用。

研究者首先采用噴霧造粒技術制備粒徑控制在10-150μm的氧化鋁粉體，再通過激光選區燒結技術打印出具有良好的力學性能氧化鋁陶瓷。

圖7 3D打印技術制備復雜形狀氧化鋁陶瓷

2、磷酸三鈣陶瓷

磷酸三鈣的化學組分與骨骼十分相近，具有無變異性、良好的生物相容性等優點，廣泛應用于醫學領域。目前，國外對磷酸三鈣陶瓷3D打印技術進行了系統研究。主要工藝過程是以100g磷酸三鈣粉體為原料，與乙醇混合后球磨6h，漿料經兩次干燥后采用噴墨沉積打印技術將素坯成型，，同時于1250℃空氣氣氛煅燒2h制備高質量磷酸三鈣陶瓷。