陶瓷部件3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

李 伶,高 勇,王重海,王洪升,張萍萍,趙小玻,宋 濤,王營(yíng)營(yíng),丁慎亮

(山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司,淄博 255000)

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陶瓷部件3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

李 伶,高 勇,王重海,王洪升,張萍萍,趙小玻,宋 濤,王營(yíng)營(yíng),丁慎亮

(山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司,淄博 255000)

近年來(lái),三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料由于兼具陶瓷材料的耐磨、高強(qiáng)、高硬、抗氧化、耐蝕及鋼鐵材料的導(dǎo)熱性及良好的韌性受到人們的廣泛關(guān)注。三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的陶瓷結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是制備復(fù)合材料的難題。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)的加工模式,不依賴復(fù)雜模具和機(jī)械加工,并可根據(jù)材料不同的性能要求,開(kāi)發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的陶瓷骨架,這將使陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料領(lǐng)域發(fā)生巨大變化。本文介紹了陶瓷3D 打印技術(shù)的原理、分類、工藝特點(diǎn)及研究進(jìn)展,并對(duì)3D打印技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料； 陶瓷部件； 3D打印技術(shù)； 快速成型技術(shù)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的多樣化,人們對(duì)材料的性能提出更高的要求。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料日益難以滿足社會(huì)對(duì)高強(qiáng)、輕質(zhì)材料的綜合需求,材料的復(fù)合化成為了研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料兼具陶瓷材料的耐磨、耐高溫、高強(qiáng)、高硬、耐蝕及鋼鐵材料的導(dǎo)熱性、韌性,可廣泛應(yīng)用于軍事防彈、汽車工業(yè)、航空航天、食品加工機(jī)械和機(jī)械加工等領(lǐng)域,受到制造業(yè)界及各類用戶的普遍關(guān)注[1]。三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的陶瓷結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是制備復(fù)合材料的難題。陶瓷材料脆性大,硬度高,容易在加工過(guò)程中產(chǎn)生缺陷,而三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料對(duì)陶瓷骨架的構(gòu)建有更大的要求,要求陶瓷骨架具有大量孔洞,在空間上三維連通,導(dǎo)致其成型工藝遠(yuǎn)較普通陶瓷復(fù)雜。目前的有機(jī)泡沫前驅(qū)體浸漬工藝、溶膠-凝膠工藝、發(fā)泡工藝、顆粒堆積工藝、添加造孔劑工藝等網(wǎng)絡(luò)陶瓷制備工藝具有工藝復(fù)雜、難度大、周期長(zhǎng)、成本高等不利因素,阻礙了陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用[2]。因此,如何根據(jù)材料的性能要求,開(kāi)發(fā)出合適的陶瓷骨架結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的制備工藝是三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料研究的重點(diǎn)。

3D打印技術(shù)于上世紀(jì)80年代誕生于美國(guó),其突破了傳統(tǒng)的加工模式,被認(rèn)為是近20年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破[3]。3D打印技術(shù)是依據(jù)CAD 三維建模、通過(guò)材料的逐層疊加堆積直接獲得實(shí)體部件的技術(shù),也被稱之為“增量技術(shù)”、“堆積技術(shù)”等[4]。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比,3D打印技術(shù)的制造速度更快,并可直接制造出任意復(fù)雜形狀的部件,是非常有應(yīng)用前景并符合未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的制造技術(shù),受到國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注[4-6]。目前,3D打印技術(shù)已在高分子、金屬材料領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用和發(fā)展,在陶瓷材料領(lǐng)域也不斷取得一些技術(shù)突破。20世紀(jì)90年代中期,研究者們就開(kāi)始嘗試通過(guò)3D打印技術(shù)成型陶瓷部件,目前已取得顯著的研究進(jìn)展。3D打印技術(shù)在制造陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料的陶瓷骨架(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu))方面具有很大優(yōu)勢(shì),3D打印技術(shù)不依賴復(fù)雜模具和機(jī)械加工,并可根據(jù)材料不同的性能要求,開(kāi)發(fā)出不同結(jié)構(gòu)的陶瓷骨架,這將使陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料領(lǐng)域發(fā)生巨大變化。

目前已經(jīng)商業(yè)化的3D打印技術(shù)多達(dá)幾十種,比較常見(jiàn)的陶瓷部件的3D打印成型工藝有：熔融沉積陶瓷成型、激光燒結(jié)覆膜陶瓷粉的激光選區(qū)燒結(jié)成型、紫外光固化光敏樹(shù)脂基陶瓷漿料的立體光刻成型、有機(jī)粘結(jié)劑粘接陶瓷粉末的三維打印成型、熱壓粘接陶瓷薄膜材料的分層實(shí)體成型、噴墨打印成型技術(shù)等工藝[7]。本文主要闡述了陶瓷部件的3D打印成型工藝的技術(shù)原理和特點(diǎn),并對(duì)其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述。

2 陶瓷3D打印技術(shù)介紹

2.1 熔融沉積成型技術(shù)

圖1 熔融沉積法成型的鋁-氧化鋁復(fù)合材料Fig.1 Al-Al2O3 ceramic composites via fused deposition modeling

熔融沉積成型技術(shù)(簡(jiǎn)稱FDC)由熔融堆積成型技術(shù)發(fā)展而來(lái),最早由美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和Rutgers大學(xué)研發(fā)。該工藝將有機(jī)粘結(jié)劑與陶瓷粉體混合,經(jīng)毛細(xì)管流變儀或擠出機(jī)做成絲后,在計(jì)算機(jī)的控制下,將復(fù)合細(xì)絲在稍高于其熔點(diǎn)的溫度下熔化,獲得陶瓷件生坯,通過(guò)脫脂處理去除坯體中的高分子黏結(jié)劑后,在合適的高溫條件下得到陶瓷燒成部件。適用于FDC工藝的材料須具備一定的熱性能和機(jī)械性能,強(qiáng)度、結(jié)合性能、粘度、彈性模量是衡量該工藝材料的四個(gè)要素。1996年,美國(guó)陶瓷研究中心的Agrarwala等[8]首次采用FDC工藝制造Si3N4零件,所成型的Si3N4坯體的相對(duì)密度為53%,制成的陶瓷坯體含有較多高分子黏結(jié)劑,經(jīng)兩次脫脂處理后,燒結(jié)的Si3N4部件的密度達(dá)到98%,抗彎強(qiáng)度為(824±110) MPa。與等靜壓成型工藝相比,熔融沉積成型技術(shù)所制得的Si3N4坯體收縮存在各向異性,線收縮率在X、Y方向上為16.6%±1.3%,在Z方向上為19.3%±1.6%,但燒結(jié)密度和強(qiáng)度相差不大。Bandyopadhyay等[9]采用熔融二氧化硅與聚丙烯(聚丙烯)為基礎(chǔ)的熱塑性粘結(jié)劑混合,利用熔融沉積法成型熔融石英陶瓷預(yù)制體(圖1),陶瓷坯件經(jīng)過(guò)脫脂和燒結(jié)后,再采用無(wú)壓浸滲的方法在1150 ℃將熔融Al熔液浸滲到陶瓷預(yù)制體中,用以制造Al2O3-SiO2-Al陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料,復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到(689±95) MPa。熔融沉積成型技術(shù)的不足之處是微小結(jié)構(gòu)件的層積不夠精確,制成的陶瓷坯體因黏結(jié)劑難以除盡,導(dǎo)致其在后續(xù)燒結(jié)時(shí)易產(chǎn)生鼓泡、變形及開(kāi)裂等缺陷。

2.2 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)

激光選區(qū)燒結(jié)成型(簡(jiǎn)稱為SLS)技術(shù)1986年由美國(guó)Texas大學(xué)Austin分校的Deckard最早提出,美國(guó)3D systems公司、德國(guó)EOS公司隨后相繼開(kāi)發(fā)出基于SLS技術(shù)的成型系統(tǒng)。SLS技術(shù)以堆積在平臺(tái)上的粉末為原料,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光束掃描特定區(qū)域內(nèi)的粉末,使粉末受熱熔融黏結(jié)固化,掃描完畢后添加新一層粉料,然后繼續(xù)重復(fù)上述步驟,逐層疊加最終形成三維制件。對(duì)于塑料制品,激光可完全熔化高分子粉末,從而得到最終的成型件。而陶瓷材料的燒結(jié)溫度很高,難以用激光直接燒結(jié),通常人們將難熔的陶瓷粉體包覆上高分子粘結(jié)劑,通過(guò)激光溶融粘結(jié)劑粘接各層,從而獲得陶瓷生坯,然后利用脫脂去除粘結(jié)劑及燒結(jié),最終得到陶瓷部件。1995年,美國(guó)的Subramanian等[10]率先利用SLS技術(shù)制備出陶瓷零件,他在氧化鋁粉末中加入體積百分比20%～40%的高分子粘接劑,對(duì)混合后的粉末進(jìn)行SLS成型,坯體經(jīng)低溫處理脫去黏結(jié)劑后,在1600 ℃下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié),得到相對(duì)密度為50%、彎曲強(qiáng)度為8 MPa的氧化鋁陶瓷。英國(guó)的Toby Gill等[11]將尼龍粉末和SiC粉末按照1∶1的體積比混合,得到孔隙率超過(guò)45%、拉伸強(qiáng)度為5 MPa的SiC部件。Shahzad等[12]以聚合物包覆Al2O3粉末進(jìn)行SLS成型陶瓷坯體,所得到的陶瓷件坯體密度為理論密度的29%～34%,該坯體經(jīng)低溫處理脫去黏結(jié)劑后,在1600 ℃下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié),得到相對(duì)密度為39%的Al2O3陶瓷。為了獲得致密化燒結(jié),Shahzad將坯體在135 ℃、64 MPa的環(huán)境下進(jìn)行5 min熱等靜壓處理,從而將坯體密度提高至83%,燒結(jié)后陶瓷部件的密度也有所提高,達(dá)到理論密度的88%,抗彎強(qiáng)度為(148±22) MPa,燒結(jié)后Al2O3陶瓷的體積收縮率為62%。Jan Wilkes等[13]直接利用激光熔化制造完全致密的陶瓷部件(圖2),通過(guò)聚焦激光束在1600 ℃熔化ZrO2/Al2O3混合粉末,不經(jīng)過(guò)任何燒結(jié)或后處理工藝直接成型陶瓷部件,制造的陶瓷部件幾乎完全致密,沒(méi)有裂紋產(chǎn)生,抗彎強(qiáng)度超過(guò)500 MPa。

圖2 激光燒結(jié)成型的ZrO2/Al2O3陶瓷部件Fig.2 Zirconia/alumina ceramic parts via laser melting process

圖3 光固化成型的石英陶瓷部件Fig.3 Silica parts via stereolithography process

2.3 立體光刻成型技術(shù)

立體光刻成型(簡(jiǎn)稱為SLA)技術(shù)是利用紫外光固化一種對(duì)紫外光非常敏感的液態(tài)樹(shù)脂材料的技術(shù),最早由Charles Hull 于1984 年提出,隨后3D Systems 公司將其想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí),實(shí)現(xiàn)了SLA技術(shù)的商業(yè)化。SLA最初用于高分子材料成型,之后才用于陶瓷材料的成型。在制備陶瓷零件時(shí),首先將陶瓷粉與光固化樹(shù)脂均勻混合,獲得高固相含量、低粘度的陶瓷料漿,然后控制紫外光選擇性照射料漿表面,使得含有陶瓷粉的料漿光聚合,形成高分子聚合體結(jié)合的陶瓷坯體,再經(jīng)過(guò)脫脂與燒結(jié),得到所需的陶瓷部件。1996年,Griffith等[14]首次利用SLA技術(shù)制造陶瓷部件,分別釆用SiO2、Al2O3、Si3N4三種陶瓷粉體與光敏樹(shù)脂均勻混合,得到固相含量為40%～55%的料漿,然后通過(guò)光固化的方式成型陶瓷坯體,氧化鋁陶瓷經(jīng)600 ℃脫脂處理后,在1550 ℃高溫?zé)Y(jié),得到密度接近理論密度,平均晶粒尺寸約為1.5 μm,層間界面不明顯的陶瓷。Hinzewski等[15]研究了分散劑和稀釋劑對(duì)陶瓷-光固化樹(shù)脂料漿流變性的影響,并獲得固相含量為53%的漿料,燒結(jié)后氧化鋁陶瓷部件的相對(duì)密度為90.5%。山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院通過(guò)調(diào)整光固化樹(shù)脂、分散劑、防沉劑、石英粉體間的比例,得到固相含量高達(dá)70vol%的陶瓷漿料,然后采用光固化成型方式打印出石英陶瓷坯體,1200 ℃燒結(jié)后石英陶瓷部件的密度為1.65 g/cm3(圖3),抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa。在商業(yè)化應(yīng)用方面,奧地利Lithoz公司開(kāi)發(fā)了基于光刻的陶瓷制造技術(shù),制造了首款可打印高精度、高純度陶瓷零部件的三維打印機(jī)--CeraFab 7500 ,該設(shè)備可打印四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別達(dá)430 MPa和650 MPa的高純氧化鋁、氧化鋯陶瓷件。

2.4 三維打印成型技術(shù)

三維打印成型(簡(jiǎn)稱為3DP)技術(shù)是一種利用微滴噴射技術(shù)的制造方法,主要由美國(guó)麻省理工學(xué)院和Soligen公司開(kāi)發(fā)。3DP技術(shù)依據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的信息,通過(guò)打印頭噴射粘結(jié)劑將粉體層層堆積成最終產(chǎn)物。該技術(shù)可用于成型陶瓷、金屬、陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料及高分子材料,所用的粘結(jié)劑有硅溶膠、高分子粘結(jié)劑等。3DP技術(shù)成型的陶瓷坯體由松散的粉末粘結(jié)在一起,密度比較低很難直接燒結(jié),一般采用后處理工藝使其致密化燒結(jié)。1993年,Yoo等[16]最早采用3DP的方法成型陶瓷坯體,成型后陶瓷坯體的相對(duì)密度只有33%～36%,通過(guò)對(duì)陶瓷坯體進(jìn)行等靜壓處理,可獲得致密度達(dá)到99.2%的氧化鋁陶瓷件,其抗彎強(qiáng)度為324 MPa。翁作海等[17]以硅粉為原料、糊精為粘結(jié)劑制備了多孔氮化硅陶瓷,該工藝首先采用3DP技術(shù)制備出多孔硅坯體,然后經(jīng)氮化燒結(jié)處理后,獲得了孔隙率高達(dá)74%、抗彎強(qiáng)度為5.1 MPa的多孔氮化硅陶瓷,燒結(jié)后陶瓷件的線收縮率比較小,不到2%。美國(guó)麻省理工學(xué)院Teng等[18]采用3DP技術(shù)制備了ZTA陶瓷件,通過(guò)將ZrO2顆粒選擇性添加到Al2O3的基體上,得到成分梯度變化的試樣,燒結(jié)后t-ZTA 陶瓷的抗彎強(qiáng)度為670 MPa,斷裂韌性為4 MPa·m1/2,陶瓷部件的性能與傳統(tǒng)方法制得的ZTA陶瓷性能類似。W. Sun 等[19]采用3DP技術(shù)制備的Ti3SiC2陶瓷件孔隙率高達(dá) 50%～60%,但結(jié)合冷等靜壓和燒結(jié)工藝,可得到相對(duì)密度達(dá)99%的Ti3SiC2陶瓷件。Nahum Travitzky等[20]以氧化鋁為原料、糊精為粘結(jié)劑,采用3DP技術(shù)制備了多孔氧化鋁預(yù)制體(圖4),陶瓷的孔隙率可通過(guò)調(diào)整漿料的固相含量控制,料漿的固相含量為33vol%～44vol%時(shí),成型坯體彎曲強(qiáng)度的范圍為4～55 MPa,1600燒結(jié)后氧化鋁陶瓷的收縮率為17%,通過(guò)對(duì)燒結(jié)后坯體與Cu-O合金在1300 ℃進(jìn)行浸滲處理,復(fù)合材料的斷裂韌性可達(dá)到(5.5±0.3) MPa·m1/2,彎曲強(qiáng)度為(236±32) MPa。

圖4 三維打印成型Al2O3/Cu-O復(fù)雜部件Fig.4 Complex-shaped Al2O3/Cu-O body via 3D printing

2.5 分層實(shí)體成型技術(shù)

分層實(shí)體成型(簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)OM)技術(shù)是美國(guó)的Lone Peak Engineering 公司、Helisys 公司開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。該工藝?yán)眉す饣虻毒咔懈钏芰媳∧ぁ⒈蛹垺⒔饘俦“寤蛱沾杀∑绕?通過(guò)熱壓或粘結(jié)劑加熱方式層層粘接,疊加獲得三維實(shí)體零件。1994年,Lone Peak公司的Griffin等[21]最早采用LOM技術(shù)制造Al2O3陶瓷部件,并獲得抗彎強(qiáng)度約為311 MPa性能較高的陶瓷部件,與干壓成型得到的陶瓷部件的抗彎強(qiáng)度(325 MPa)類似。Griffin等[22]還對(duì)ZrO2/Al2O3復(fù)合材料的LOM技術(shù)進(jìn)行了研究,燒結(jié)后獲得強(qiáng)度為570～688 MPa,斷裂韌性約為10 MPa·m1/2的復(fù)合材料。Zhang等[23]采用Al2O3與聚合物粘結(jié)劑混合制成LOM 用陶瓷薄片,240 ℃脫去粘結(jié)劑后,在1580 ℃高溫下進(jìn)行燒結(jié),得到孔隙率為2.9%、抗彎強(qiáng)度為228 MPa的陶瓷件。Klosterman 等[24]采用雙峰碳化硅粉體、炭黑和石墨粉末與高分子粘合劑體系混合制成陶瓷薄片,利用LOM技術(shù)制造了SiC陶瓷部件(圖5),探討了SiC陶瓷間的界面問(wèn)題,得到了四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為(169±43) MPa的陶瓷件。

圖5 分層實(shí)體成型的SiC陶瓷部件Fig.5 Silicon carbide ceramic parts via laminated object manufacturing

圖6 噴墨打印成型SiC陶瓷部件Fig.6 Silicon carbide ceramic parts via direct ink writing

2.6 噴墨打印成型技術(shù)

噴墨打印成型(簡(jiǎn)稱為IJP)技術(shù)是從三維打印成型技術(shù)發(fā)展而來(lái),該技術(shù)將陶瓷粉體與各種有機(jī)物和溶劑配制成陶瓷墨水,通過(guò)計(jì)算機(jī)指令將陶瓷墨水逐層噴打到平臺(tái)上,形成所需形狀和尺寸的陶瓷坯體。陶瓷墨水的配制是噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵,要求陶瓷粉體在墨水中具有良好的均勻分散度,合適的表面張力、黏度及電導(dǎo)率,較快的干燥速率和較高的固相含量。陶瓷墨水的固相含量偏低是IJP技術(shù)的一個(gè)主要問(wèn)題,陶瓷墨水的固相含量通常只有5%。英國(guó)的布魯諾大學(xué)[25]和國(guó)內(nèi)天津大學(xué)[26]都在這方面進(jìn)行了深入研究,將陶瓷墨水的固相含量由最初的3vol%提高到15vol%。Seerden 等[27]采用石蠟作為介質(zhì)加入到氧化鋁粉體后,墨水的固相含量可達(dá)到體積分?jǐn)?shù)20%,并得到較為致密的燒結(jié)體,但存在粘度太大、噴射困難等問(wèn)題。Cappi 等[28]采用IJP技術(shù)制造了氮化硅陶瓷齒輪素坯,其密度為3.18 g/cm3,抗壓強(qiáng)度為600 MPa,斷裂韌性為4.4 MPa·m1/2,所獲得的陶瓷部件的性能與通過(guò)傳統(tǒng)干法成型制得的陶瓷性能相當(dāng)。康奈爾大學(xué)Larson等[29]發(fā)現(xiàn),通過(guò)調(diào)整SiC膠體和聚硼硅氧烷混合墨水的比率,可調(diào)整碳化硅結(jié)構(gòu)的密度,混合墨水在1800 ℃燒結(jié)后可轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟杼沾刹考?圖6),其相對(duì)密度為48.9%時(shí),抗彎強(qiáng)度達(dá)到70.4 MPa。

3 展 望

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的制造模式,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化制造、降低成本和縮短研制周期等方面極具潛力,在全世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注和重視。目前已開(kāi)發(fā)出多種適合陶瓷零件的3D打印成型工藝如熔融沉積陶瓷成型、激光燒結(jié)覆膜陶瓷粉的激光選區(qū)燒結(jié)成型、紫外光固化光敏樹(shù)脂基陶瓷漿料的立體光刻成型、熱壓粘接陶瓷薄膜材料的分層實(shí)體成型、有機(jī)粘結(jié)劑粘接陶瓷粉末的三維打印成型、噴墨打印成型技術(shù)等工藝,并在材料成型方面取得了很大的研究進(jìn)展。但是,仍有許多不足之處需要完善,成型材料的性能和密度還不太理想,通常需要經(jīng)過(guò)繁瑣的后處理工藝來(lái)改善陶瓷部件的致密度,陶瓷部件的精度和質(zhì)量也不能滿足實(shí)際需要,離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。未來(lái)需要繼續(xù)提升3D打印的精度、效率和速度,開(kāi)拓多材料、大尺寸物件打印的工藝方法,提高陶瓷件的力學(xué)、表面質(zhì)量和物理性能,以實(shí)現(xiàn)面向產(chǎn)品的直接制造。

[1] Matteo P,Massimiliano V,Claudio B.Effect of porosity of cordierite preforms on microstructure and mechanical strength of co-continuous ceramic composites[J].J.Eur.Ceram.Soc.,2007,27:131-141.

[2] 張志金,王富恥,于曉東,等.網(wǎng)絡(luò)陶瓷增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2009,23(1):20-23.

[3] 劉紅光,楊 倩,劉桂鋒,等.國(guó)內(nèi)外3D打印快速成型技術(shù)的專利情報(bào)分析[J].情報(bào)雜志,2013,32(6):40-46.

[4] Berman B.3-D printing:The new industrial revolution[J].BusinessHorizons,2012,55(2):155-162.

[5] Jeea H J,Sachsb E.A visual simulation technique for 3D printing[J].AdvancesinEngineeringSoftware,2000,31(2):97-106.

[6] Zhao X L,Evans J R G,Edirisinghe M J,et al.Direct ink-jet printing of vertical walls[J].J.Am.Ceram.Soc.,2002,85(8):2113-2115.

[7] 謝志鵬,薄鐵柱.先進(jìn)陶瓷快速無(wú)模成型技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷工業(yè),2011,18(2):16-21.

[8] Agarwala M K,Bandyopadhyay A,Weeren R V,et al.FDC, rapid fabrication of structural components[J].Am.Ceram.Soc.Bull.,1996,75(11): 60-65.

[9] Bandyopadhyay A,Das K.Application of fused deposition in controlled microstructure metal-ceramic composites[J].RapidPrototypingJournal,2006,12(3):121-128.

[10] Subramanian P K,Vail N K,Barlow J W,et al.Selective laser sintering of alumina with polymer binders[J].RapidPrototypingJournal,1995,1(2):24-35.

[11] Gill T J,Hon K K B.Experimental investigation into the selective laser sintering of silicon carbide polyamide composites[J].Proc.InstnMech.EngrsVol. 218PartB:J.EngineeringManufacture,2004,218:1249-1256.

[12] Shahzad K,Deckers J,Kruth J P,et al.Additive manufacturing of alumina parts by indirect selective laser sintering and post processing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2013,213(9):1484-1494.

[13] Wilkes J,Hagedorn Y,Meiners W,et al.Additive manufacturing of ZrO2-Al2O3ceramic components by selective laser melting[J].RapidPrototypingJournal,2013,19(1):51-57.

[14] Michelle L,Griffith,John W.Halloran. Freeform fabrication of ceramics via stereolithography[J].J.Am.Ceram.Soc.,1996,79(10):2601-2608.

[15] Hinczewski C,Corbel S,Chartier T.Ceramic suspensions suitable for stereolithography[J].J.Eur.Ceram.Soc.,1998,18:583-590.

[16] Yoo J,Cima M J,Khanuja S,et al.Structure ceramic components by 3D printing[J].SolidFreeformFabricationProceedings,1993,94:40-50.

[17] 翁作海,曾慶豐,謝聰偉,等．三維打印結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備多孔氮化硅陶瓷[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(4):5-10.

[18] Wan D.Teng,Mohan J.Edirisinghe. Development of ceramic inks for direct continuous jet printing[J].J.Am.Ceram.Soc.,1998,81(4):1033-1036.

[19] Sun W,Dcosta D J,Lin F,et al.Freeform fabrication of Ti3SiC2powder-based structures:Part I-Integrated fabrication process[J].JournalofmaterialsprocessingTechnology,2002,127:343-351.

[20] Melcher R,Travitzky N,Zollfrank C,et al.3D printing of Al2O3/Cu-O interpenetrating phase composite[J].JMaterSci,2011,46:1203-1210.

[21] Griffin C,Daufenbach J,Mcmillin S.Desk- top manufacturing:LOM vs pressing[J].Am.Ceram.Soc.Bull.,1994,73(8):109-113.

[22] Griffin E A,Mumm D R,Marshall D B.Rapid prototyping of functional ceramic composites[J].Am.Ceram.Soc.Bull.,1996,75(7):65-68.

[23] Zhang Y，He X，Du S,et al.Al2O3ceramics preparation by LOM (Laminated Object Manufacturing)[J].Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2001,17:531-534.

[24] Donald K,Richard C,George G,et al.Interfacial characteristics of composites fabricated by laminated object manufacturing[J].CompositesPartA,1998,29A:1165-1174.

[25] Edirisinghe M J.Solid freeform fabrication methods for engineering ceramics[J].BritishCeram.Trans.,1998,97(6):283-286.

[26] 周振君,丁 湘,郭瑞松,等.陶瓷噴墨打印成型技術(shù)進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),2000,29(6):37-41.

[27] Seerden K A M,Reis N,Derby B,et al.Direct ink-jet deposition of ceramic green bodies:informulation of build materials[J].MRSProceedings,1998,542:221-224.

[28] Cappi B,Ozkol E,Ebert J,et al.Direct inkjet printing of Si3N4:characterization of ink,green bodies and microstructure [J].J.Eur.Ceram.Soc.,2008,28:2625-2628.

[29] Larson C M,Choi J J,Gallardo P A,et al.Direct ink writing of silicon carbide for microwave optics[J].Advanedengineeringmaterials,2015,11:1-7.

Research Development of 3D Printing Ceramic Parts

LILing,GAOYong,WANGChong-hai,WANGHong-sheng,ZHANGPing-ping,ZHAOXiao-bo,SONGTao,WANGYing-ying,DINGShen-liang

(Shandong Industrial Ceramics Research & Design Institute Co.,Ltd.,Zibo 255000,China)

Three-dimensional network ceramic/metal composites combine wear,high strength and hardness and oxidation resistance of ceramics as well as thermal conductivity and ductility of metal have attracted much attention in recent years. Nowadays,the biggest difficulty to fabricate the co-continuous composites is preparing high-performance ceramic parts with complicated shape. 3D printing technology is tool-less manufacturing methods in which functional components are produced directly from a computer model. They can rapidly fabricate components with geometries that cannot be manufactured by other conventional methods,which will bring about enormous change in the ceramic/metal fields. In this paper,the technical principle,features,development and research status of 3D printing techniques are summarized. The future development of 3D printing technology is also prospected.

three-dimensional network ceramic/metal composite;ceramic part;3D printing technology;rapid prototyping

李 伶(1980-),女,博士.主要從事陶瓷材料的研究.

高 勇,博士.

TQ174

A

1001-1625(2016)09-2892-06