-性格特点
陶瓷
3D
打印技术介
绍【深度解析】
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陶瓷
3D
打
印技术概述：
陶瓷材料作为三大基本材料之一，以优良的理化
特性在工业界被广泛应用。但因传统陶瓷制备工艺的限制，
工业中使用的陶瓷制品往往只
具备简单的三维形状。三维打印工艺的发展让复杂的陶瓷产品成为可能。目前
来看，已经
被成功应用于陶瓷材料的三维打印的工艺包括喷嘴挤压成型，立体光刻成型（面曝光和激光），
< br>粘合剂喷射成型，选择性激光烧结或熔融成型，浆料层铸成型（
slurry-
layer casting
）等。
陶瓷
3D
打印技术原理：
喷嘴挤压成型
喷嘴挤压
成型与塑料
3D
打印的熔融沉积成型技术
（
FDM
）
类似。
< br>该技术采用混有陶瓷粉末的喷丝
（
filament
）
作为原材料，
使用
100
摄氏度以上的温度将喷丝中的高分子材料融化后挤出喷嘴，
挤出后的陶瓷高分子复合
材料因为温差而凝固。
图
1.
热熔沉积式陶瓷打印机
（美国罗格斯大学开发）
除此之外，也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料，
直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。这种
陶瓷浆料的主要成分是陶瓷粉末和粘合剂，
其中粘合剂在成型过程中起到粘合陶瓷粉末的作用。无论是陶瓷
喷丝还是陶瓷浆料作为原
材料，这种工艺得到的三维模型都需要进一步进行热处理，即脱脂和烧结。脱脂和
烧结也
是传统陶瓷加工工艺中使用的致密化陶瓷产品的手段。目前来看，面向陶瓷的喷嘴挤压成型工艺受限
于相对粗糙的加工精度，还主要集中于实验室研究，成熟的基于该工艺的
3D
打印机还未出现。
图
2.
冷凝挤压式陶瓷打印机（美国密苏里科技大学开发）
立体光刻成型
立体光刻成型是目前市
场上陶瓷打印的主要技术，
也是商业化相对成功的技术。
该技术
采用一种由陶瓷粉末、
光引发剂、分散剂等混合而成的光固化胶，工艺本身与目前市场上
的
DLP
和
SLA
打印机并无大的区别。有
的产品（如
Lithoz
）会因为光固化胶的高粘度而使用特殊的刮刀涂抹手段来加快成型过程中的材料填充，但
归根结底其本质与普通树脂成型并无大的区别。与喷嘴挤压出的毛坯件一样，立体光刻工艺制造出
的
3D
模
型也需要在高温炉中进行脱脂
和烧结。根据有关公司的产品介绍，使用该工艺制造出的陶瓷制品（例如氧化
铝、氧化锆
、磷酸钙等）密度可高达
99%
以上。
图
3. Lithoz
陶瓷打印机
与此同时，近一两年，研究人员在光固化陶瓷前驱体材料上取
得的技术突破（详情可见科学杂志
2016
年
< br>1
月
1
日相关报道），让立体光刻成型技术在陶瓷打印中的地位更加稳固。陶瓷前驱体是一种在高温下热分解
产生陶瓷材料的高分子化合物，它是用于制造碳化硅、碳氧化硅等高温陶瓷的传统手段。具有光敏
感性的陶
瓷前驱体材料的诞生极大地降低了高温陶瓷的
3D
打印成本，具有很广泛的应用前景。然后，由立体光刻技
术做成的毛
坯件中含有大量的有机物，这使得经过脱脂和烧结之后产生的成品往往会相对于初始设计尺寸拥
< br>有
30%
左右的收缩量。这也限制了该技术在陶瓷生产中
的使用。
图
4.
《科学》杂志报道的美国
HRL
实验室的陶瓷前驱体打印技术
粘合剂喷射成型
< br>这项技术将粘结剂通过打印喷头喷射到陶瓷粉末上，用来将粉末颗粒粘结在一起。然而，根据有限的文献报
道，这种技术产生的陶瓷致密度并不高。可能的解释是其受到了粉末铺设的密度的限制。
图
5. Exone
粘合剂喷射成形
选择性激光烧结或熔融
SLS/SLM
主要被用于金属材料
的
3D
打印上，
在陶瓷的制造中使用并
不多。
这是因为使用激光直接对陶瓷粉
末进行烧结或者融化处理
时，加工过程中的温度差极易在陶瓷产品中产生应力，这些应力会在陶瓷产品内部
产生大
量裂纹；使用粉末层预热可以降低裂纹成形的可能性，但同时精度也有所降低。大量的研究集中在减
少加工过程中的温度差，但是难度极大，目前并未取得太大进展。更加简单易行的方案是在陶瓷粉末中
掺入
高分子化合物作为粘合剂，使用激光来烧结这些高分子化合物以达到间接成型的目的
。然后，与粘合剂喷射
成型一样，这种工艺也受到了粉末铺设密度的限制，目前的研究文
献报道中使用其加工而成的陶瓷制品密度
并不高。
图
6.
激光选区熔化成形（
RPJ,
Volume: 19 Issue: 1, 2013
）
浆料层铸成型
在这里，我们将所有基
于陶瓷浆料的
3D
打印技术统称为浆料层铸成型。之所以将他们
列为一类，是因为笔
者认为这些技术可能是陶瓷
3D
打印的一个方向。将陶瓷粉末与不同的有机粘结剂混合制备成浆料，再使用
传统的
3D
打印工艺加工成型，这样一套工艺流程不但简单而且
效果好。从文献报道可以看出，基于浆料的
工艺要比其他工艺生成的陶瓷致密性更高。
一种使用陶瓷浆料作为原材料的打印机（台北科技大学开发）
除了以上介绍的技术，还有其他一些技术，例如分层实体制造、电子照相印刷技术等，因
为应用的并不广泛
或者仍然处于初步的研究中
陶瓷
3D
打
印技术特点：
陶瓷
3D
打印机打印
,
不但大大缩减成本
,
且性能稳定
,
具有无菌等特点。
陶瓷
3D
打印技术优缺点：
我们知道陶瓷材料
具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、
医疗等行业有着广泛应用。但陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，目前国内陶瓷直接快速成形工
艺尚未成熟，正处于研究阶段。
陶瓷
3D
打印技术材料：
工业级陶瓷
3D
打印材料有：氧
化铝（
AI2O3
），氧化锆（
ZRO
2
），羟基磷灰石（
HAP
），磷酸三
钙（
TCP
）
等。
陶瓷
3D
打印知名
3D
打印机品牌：
法国
Ceramaker
3D
打印机
奥地利
Lithoz
公司陶瓷
3D
打印机
陶瓷
3D
打
印技术应用及经典应用案例分享：
目前陶瓷
< br>3D
打印主要用在工业产品、珠宝
/
奢侈品、医疗行业，当然对于从事科研的高校和研究所来讲，也
是必备的神器。
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