近年來，3D打印技術(shù)的發(fā)展日新月異。3D打印技術(shù)的材料由高分子材料逐漸發(fā)展到金屬材料，隨著這項(xiàng)技術(shù)的逐步完善，“陶瓷材料+3D打印”正在成為一個(gè)蓬勃發(fā)展的新領(lǐng)域，是世界各國(guó)企業(yè)競(jìng)相追逐，試圖搶奪行業(yè)話語權(quán)的熱戰(zhàn)場(chǎng)。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)材料成型方法相比，最大的特點(diǎn)是“分片成型+逐層疊加”。圖1中的六張圖片非常直觀地描繪了3D打印技術(shù)從計(jì)算機(jī)端，到實(shí)體制造端的過程。3D打印的第一步是三維建模，這個(gè)可以通過掃描儀對(duì)需要成形的實(shí)體進(jìn)行掃描，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)生成相應(yīng)的模型，也可以通過UG、PROE等制圖軟件自行繪制。圖中為UG繪制的示意簡(jiǎn)圖。接下來，基于離散-疊加原理將其切片得到許多分離的平面，傳遞給成形設(shè)備。簡(jiǎn)單而言，建模的過程是整個(gè)完整實(shí)體的獲得，而成形的過程是材料在設(shè)備下的逐層疊加。

圖13D打印從計(jì)算機(jī)建模到逐層打印的過程

早期的3D打印技術(shù)由Sachs等提出（現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)常被稱為三維印刷技術(shù)），其應(yīng)用于陶瓷材料成型的工藝方法是首先將三維結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)分立的結(jié)構(gòu)單元，然后在計(jì)算機(jī)指令的控制下，將黏結(jié)劑選擇性地噴射到陶瓷粉末表面上，粉體粘結(jié)之后最終成型出預(yù)期的立體構(gòu)件，如圖2所示。

圖2 三維印刷技術(shù)的示意圖

目前，以氧化鋯、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等陶瓷粉體為原材料，基于三維印刷成型技術(shù)制造陶瓷模具的方法已經(jīng)得到了良好的發(fā)展并成功市場(chǎng)化，其中，硅溶膠是最常用的陶瓷顆粒黏結(jié)劑。三維印刷成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠大規(guī)模成型出陶瓷部件，成本較低，不足之處在于部件強(qiáng)度有限(黏結(jié)劑黏合強(qiáng)度受限)，難以獲得承重陶瓷器件。

在三維印刷成型技術(shù)中，噴嘴噴出的是陶瓷黏結(jié)劑，而噴射打印成型技術(shù)(ink jet printing, IJP)是在噴墨打印機(jī)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合了3D打印的理念發(fā)展而成。噴射打印技術(shù)是首先將陶瓷粉料混合入各種添加劑和有機(jī)物制成陶瓷漿料，又稱陶瓷墨水，然后用噴墨打印機(jī)將這種漿料按照計(jì)算機(jī)指令逐步噴射到載體上，形成具有原先設(shè)計(jì)外形和尺寸的陶瓷生坯。

圖3噴墨打印示意圖

噴射打印成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成型機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單，打印頭的成本較低，只要解決了陶瓷墨水的問題，就可以將該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。目前英國(guó)賽爾(Xaar)噴墨技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用于陶瓷工業(yè)領(lǐng)域，主要包括兩方面，即陶瓷成型和陶瓷制品裝飾。噴射打印成型也存在一定的局限性，如由于墨水液滴的大小限制了打印點(diǎn)的最大高度，因此該技術(shù)很難制備在Z軸方向具有不同高度的三維構(gòu)件，同時(shí)也無法制備具有內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷產(chǎn)品。

圖4 英國(guó)賽爾和新景泰合作開發(fā)的800×800mm規(guī)格的瓷磚產(chǎn)生，使用了賽爾的2001噴墨產(chǎn)品

此外，以色列3D打印公司XJet在2017年推出了可同時(shí)打印金屬和陶瓷的3D打印設(shè)備。其技術(shù)路徑是通過將大分子金屬或陶瓷顆粒粉碎成納米級(jí)別，注入粘合劑，構(gòu)成打印墨水。在墨水中，金屬或陶瓷顆粒以懸浮態(tài)均勻分布，逐層噴射層厚可小于2微米，成型后，坯體在構(gòu)建室將粘合劑蒸發(fā)。Xjet將這項(xiàng)技術(shù)成為納米顆粒噴射技術(shù)。

圖5以色列公司Xjet生產(chǎn)的Carmel 1400 AM System

光固化快速成型技術(shù)(stereo lithography apparatus，SLA)又稱為立體印刷成型技術(shù)，如圖6所示，其主要機(jī)制是采用一種在紫外光照射下能夠迅速固化的光敏液態(tài)樹脂為原料，通過紫外光選擇性地輻照某一層液體，最終成型出部分區(qū)域固化的零部件。

圖6光固化快速成型示意圖

奧地利Lithoz是一家專注于陶瓷3D打印技術(shù)的公司，在陶瓷3D領(lǐng)域具有重要地位。圖7為他們生產(chǎn)的光固化3D打印設(shè)備。2017年12月，在德國(guó)法蘭克福Formnext2017展會(huì)上，中航邁特與Lithoz簽署合作協(xié)議，雙方將攜手合作開發(fā)陶瓷3D打印機(jī)、陶瓷新材料及零件，以滿足我國(guó)航空航天對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的需求。目前，Lithoz公司已實(shí)現(xiàn)氧化鋯、氮化硅、磷酸鈣等陶瓷材料的3D打印，除了3D打印微型結(jié)構(gòu)反應(yīng)器、靜態(tài)混合器的多留管道設(shè)計(jì)、虹吸管，還可應(yīng)用于打印心臟起搏器、陶瓷型芯、液相分離萃取柱以及手鏈等產(chǎn)品。

圖7奧地利Lithoz生產(chǎn)的光刻陶瓷3D打印設(shè)備

除了奧地利的Lithoz以外，法國(guó)3D Ceram也是一家實(shí)力強(qiáng)勁的3D打印公司。目前，公司主打產(chǎn)品為專業(yè)級(jí)的大幅面光固化陶瓷3D打印機(jī)，可以打印氧化鋁、氧化鋯、ATZ、HAP和TCP等多種材料。

圖8 法國(guó)3D Ceram的主打產(chǎn)品性能參數(shù)

3D Ceram公司的光固化設(shè)備采用激光作為光源，配合特殊的陶瓷膏料打印原料，燒結(jié)后的產(chǎn)品接近100％理論密度，強(qiáng)度甚至超過傳統(tǒng)的壓制和注射成型。打印精度在200um以上的細(xì)節(jié)均可準(zhǔn)確表現(xiàn)。

圖9 法國(guó)3D Ceram打印的氧化鋯反應(yīng)器及其組裝示意圖

小結(jié)

陶瓷3D打印隨著整個(gè)3D打印的發(fā)展日新月異，新方法、新技術(shù)層出不窮。本文介紹了目前主流的3D打印技術(shù)，包括三維印刷技術(shù)、噴射打印技術(shù)和光固化技術(shù)，這些技術(shù)在市場(chǎng)中已經(jīng)有較為成熟的產(chǎn)品和具體的應(yīng)用，其中，諸如英國(guó)Xaar、以色列Xjet、奧地利Lithoz和法國(guó)3D Ceram是目前陶瓷3D打印領(lǐng)域的佼佼者。綜合來看，一方面，陶瓷3D打印技術(shù)備受關(guān)注，市場(chǎng)前景巨大，而另一方面，各國(guó)龍頭企業(yè)競(jìng)相追逐，造成技術(shù)迭代迅速，因此對(duì)于資本的投入門檻非常大。

參考文獻(xiàn)

陶瓷3D打印技術(shù)的研究與進(jìn)展，深圳大學(xué)，李亞運(yùn)，司云暉，熊信柏，鄒繼兆，曾燮榕。

By：火宣