3D打印陶瓷在現代產品設計中的運用

周俊良 常鴻祥 陳相序

(北京化工大學機電工程學院 北京 100029 )

陶瓷材質具有高強度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、化學穩定性好的優點。但其也具有難于加工成復雜形狀，制作周期長，尤其不適合制作復雜幾何形體的缺點。如制作鏤空的球體，或者是特殊的幾何形體，在設計中某些部分往往不適合機械加工，需要復雜的后期處理手段(特定花紋或造型必須使用昂貴的碳化物或鉆石等工具才能加工)。近年來，隨著3D打印技術的快速發展和技術越來越成熟，人們對3D打印技術的關注也在逐步增加，3D打印技術現已可以實現以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[2]。 首先通過計算機設計出結構復雜的模型，再利用配套的自動化裝備進行3D逐層打印，使陶瓷材料能夠快速成形，因此廣泛應用于航空航天、汽車制造、數碼產品、醫學等領域得到了廣泛應用。

陶瓷3D打印技術能使陶瓷生產比傳統方法節省90%的時間。這項技術不僅可以節約時間，還可以讓設計人員突破傳統陶瓷的形狀束縛，展開更為廣泛的想象空間，還可以使用多種多樣的陶瓷材料，從硬度較低的氧化鋁陶瓷到非常堅硬抗磨的氧化鋯陶瓷。這些陶瓷可耐受1 500～1 700 ℃的高溫，介電強度可達150 V/mm。氧化鋁陶瓷材料不僅耐磨、耐腐蝕，并且是較為理想的機械制造原料。

1 3D打印陶瓷材料

目前我國可應用于3D打印的陶瓷材料還十分有限，尚處于研制狀態的3D打印陶瓷材料主要有：

1)氧化鋁陶瓷(Al2O3)。它具有高強度、高硬度、致密的結構、熱穩定性高、耐腐蝕度高、硬度高、耐磨性好、出色的介電強度等優點，是目前應用范圍最廣、產量最大的陶瓷材料。 它主要在高磨擦環境(如噴砂處理)中用作噴頭；在高溫環境(如焊接設備)中用作氣槍保護蓋；在腐蝕環境(如汽車制造的敲擊感應器安裝)中用作基座。如果采用傳統的工藝，則過程繁瑣，耗時耗力，成本昂貴，采用3D打印技術，將氧化鋁陶瓷作為打印材料制作零部件，將會具有使生產成本下降、生產周期縮短、大規模量產、造型豐富等優點。

2)磷酸三鈣陶瓷(可控性微結構多孔生物陶瓷)。它是一種多孔生物陶瓷，具有生物相容性、親水性好，原料的化學成分接近骨的無機成分，無毒無致癌不良反應，生命力學強度佳，體內降解吸收，組織傳導作用等特點。將其作為3D 打印材料，制作人工骨骼作為骨修復三維支架，在醫療領域里具有較好的應用前景(見圖1)。

圖1 多孔生物陶瓷

3)有機前驅體基陶瓷材料。該材料不但能夠承受較高的使用溫度(>2 000 ℃)，而且還具有低密度、優異的抗氧化抗燒蝕性能、良好的力學性能等優點，從而成為制備陶瓷材料的新方法。

4)碳硅化鈦陶瓷(Ti3SiC2)。它具有層狀的六方晶體結構，在生物、醫療等方面有著廣泛的應用，兼具金屬材料的高熱導率、高電導率、良好的延展性、塑性和陶瓷材料的高強度、穩定性、耐腐蝕性和抗氧化性能優越等優點。目前，國內外對碳硅化鈦陶瓷的制備已進行了大量的實驗研究。

制備碳硅化鈦陶瓷的方法主要有自蔓延高溫合成法 (SHS)、熱等靜壓法 (HIP)、化學氣相沉積法(CVD)、固相反應(SR)、放電等離子燒結(SPS)和熱壓法(HP)等。但是采用這些制備方法都需要在前期制作相應的成形模具，其成本高、制作周期長、靈活性差，不利于制作性狀復雜、中空的零件。利用3D打印技術制備Ti3SiC2陶瓷則可以有效地克服上述缺點[4]。

綜合上述幾種材料性能可以得出，3D打印陶瓷技術可以達到傳統陶瓷技術所不能達到的，可以形成一種更為高效的方式，如使成本下降、周期縮短、大規模量產、造型豐富等。

2 陶瓷在現在產品中的運用

在產品設計中，材質是一個非常關鍵的因素，它可以直接影響產品本身的使用觸感。什么類型的產品，適合什么類型的材質，在什么樣的情景模式下與使用者發生怎樣的關系，這都是一個產品材質誕生需要的考慮的因素。一件好的陶瓷產品是由功能效用、工藝技術和形式美3方面構成其基礎評判體系[5]。

在產品設計中，材質主要分為金屬、塑料、木竹、陶瓷、纖維、皮革、玻璃等，而陶瓷產品在人們心中的印象，往往是以藝術品為主，這是因為陶瓷產品價格昂貴，所需要的人工成本比較高、制作過程繁瑣、周期長等，還因其材質所能達到的韌性、抗摔性、抗腐蝕性、厚度等都受制約，所以陶瓷材質的科技產品并不多見。

隨著塑料材質在手機市場的逐漸被淘汰，金屬機身不能進行無線充電，玻璃機身的一體性又較差，因此陶瓷手機(見圖2)的優越性能突顯，但目前小米公司所做的陶瓷手機是“Unibody全陶瓷”，簡單來說就是一體成形機身工藝，是一種將陶瓷擠壓成板材，然后通過數控機床一體成形的機械加工技術。這種技術對機床精度要求高，初期設備投入大。每一塊“Unibody全陶瓷”都要經過1 400 ℃高溫 7 d燒結；兩層樓高的設備，240 t沖壓成形；金剛砂刀頭0.01 mm反復雕琢，每加工一部手機，都要更換刀頭。它雖然較傳統陶瓷有了突破，但是周期還是較長，抗摔性也較差。

近年來，陶瓷材質取得了進一步發展，3D打印技術也逐步變成了可消費的技術，3D打印陶瓷可以更廣泛地進入人們的生活，如3D打印陶瓷材質的手機，逃脫了傳統陶瓷的多種步驟(練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、彩繪、釉色變化等)，只需要將產品數字建模出來，使用我們前面所說的材質進行3D打印，很快一個產品就可以出現在我們的面前，不需要傳統的燒制、晾曬等多個步驟，即可得到所需要的形狀，并且這個形狀可是有機、精確的，設計師可以反復修改的。

圖2 使用陶瓷材料作后蓋的手機

3D打印陶瓷還可應用于醫療領域，可以根據人體的各種數據進行私人訂制植入型的骨骼或者牙齒等。通過3D打印個體化制備的植入物進行組織缺損的修復，可以大大提高外科手術的精確性與安全性。

奧地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印設備可以打印出滿足這一醫療需求的骨骼植入體。基于增材制造思想，Lithoz公司研發了獨特而優秀的生產結構陶瓷的方法。LCM技術(基于光刻技術的陶瓷3D打印)，使快速經濟的生產高性能陶瓷功能件成為可能，材料性能不低于使用傳統模式大批量生產的部件。Lithoz公司的LCM技術3D陶瓷打印設備可以制備出多種孔尺度與復孔結構的陶瓷制品，如可以制備出作為骨骼植入體的生物陶瓷支架磷酸三鈣樣件，也具有很好的生物相容性，且在各種性能上可達到傳統工藝制造出的同樣部件。

在歐洲，奧地利Lithoz公司與蘇黎世醫科大學合作研究，打印用于治療骨腫瘤的可降解的TCP支架，并進行植入實驗，動物體內的支架在植入10 d后被結締組織包裹，沒有炎癥產生。骨質缺損患者將會看到康復的希望。通過高精度陶瓷3D打印設備可以實現高精度(最小特征尺寸：<150 μm)、高純度(>99,4% T D) 、高強度、高時效高性價比；可以實現沒有工具成本和成形成本，可達到快速生產的目的。這不僅成功地解決了傳統3D打印生物陶瓷支架的孔尺度與孔結構可控性不高的問題，而且可以通過設備軟件精確的計算出需要放大的燒結尺寸，以保證樣品進行燒結收縮后，達到符合原始設計的尺寸。LCM技術對于陶瓷打印制品的形狀沒有限制，不僅可以實現新的形狀設計和產品功能蜂窩細胞結構，也可生產薄壁結構(低于150 μm)。

3 3D陶瓷的未來發展方向

目前，雖然3D 打印陶瓷市場發展前景較好，但在我國在處于起步階段，原創技術缺乏、產業規模小、產業鏈不健全等因素制約了國內3D 打印陶瓷市場的進一步發展，在技術與設備上還不如一些發達國家。 但是國內的企業與高校正在積極地研制適用于3D陶瓷打印機和打印的專用原料，在向國內外客戶提供服務的同時，自身也取得飛速的發展。因此，3D陶瓷打印正在成為熱門產業，3D技術與陶瓷之間的連接關系將會越來越緊密，我們也應該將傳統的工藝與材質進行新的思路解析，通過創新使我國在產品材質上有更進一步的飛躍。除此之外，相關專業人才的培養也不容忽視。

4 結語

筆者從3個方面分析了目前我國3D打印陶瓷，在材質方面，目前某一種材質只能打印應用于某一個打印設備，尚未有適合各種打印設備的材質出現，而且進入消費者手中的3D打印陶瓷產品較少。3D陶瓷的未來發展需要的是更加尖端的設備、材料，但最需要的是創造和設計這些的人才，政府還應該牽頭企業與高校聯合培養人才計劃，為其提供更多的基金支持。掌握了3D打印技術的核心就等于抓住了未來制造業的命脈，3D打印帶我們邁向新的工業時代，我們應抓住這個機遇，結合自身優勢大力發展3D打印技術。