3D打印陶瓷在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的運用

周俊良，常鴻祥，陳相序

(北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院， 北京 100010)

0 引 言

近年來，3D打印技術(shù)日趨成熟，可以實現(xiàn)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(gòu)造物體。

陶瓷材質(zhì)具有高強度、高硬度以及耐腐蝕、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點；但是陶瓷產(chǎn)品制作周期長(交貨周期至少為8-12周)，不適合制作復(fù)雜的幾何形體，比如鏤空的球體，或者是特殊的幾何形體；在設(shè)計中，某些部分往往不適合機械加工，需要進行后續(xù)的處理(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)，成本昂貴。近年來，隨著3D打印技術(shù)的迅速崛起，首先通過計算機設(shè)計出結(jié)構(gòu)復(fù)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，并在航空航天、汽車制造、數(shù)碼產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)技術(shù)相比較，陶瓷3D打印技術(shù)能節(jié)省90%的時間，交貨周期甚至可縮短至5天。3D打印技術(shù)還可讓設(shè)計人員突破傳統(tǒng)陶瓷的形狀束縛，展開更為廣闊的想象空間。可應(yīng)用于陶瓷3D打印技術(shù)中的陶瓷材料多種多樣，包括從硬度稍弱的氧化鋁陶瓷到堅硬抗磨的氧化鋯陶瓷。這些陶瓷可耐受1500-1700 ℃的高溫，介電強度可達150 伏特/毫米。氧化鋁陶瓷材料不僅耐磨，也耐腐蝕，并且是理想的機械制造原料。

1 3D打印陶瓷材料

目前我國用于3D打印的陶瓷材料還十分有限，尚處于研制狀態(tài)的3D打印陶瓷材料主要有以下幾種：

氧化鋁陶瓷(Al2O3)，氧化鋁陶瓷具有高強度、高硬度、結(jié)構(gòu)緊密、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕度強、耐磨性佳、介電強度出色等優(yōu)點，是目前產(chǎn)量最大、用途最廣的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷主要用作高磨擦環(huán)境(比如噴砂處理)中的噴頭、高溫環(huán)境(比如焊接設(shè)備)中的氣槍保護蓋，腐蝕環(huán)境(比如汽車制造的敲擊感應(yīng)器安裝)中的基座。如果采用傳統(tǒng)陶瓷工藝，生產(chǎn)過程繁瑣，耗時耗力，成本昂貴，采用3D打印技術(shù)，將氧化鋁陶瓷作為打印材料制作零部件，將會具有節(jié)約成本、縮短周期、規(guī)模量產(chǎn)、造型豐富等優(yōu)點。

磷酸三鈣陶瓷(見圖1)是一種多孔生物陶瓷，具有生物相容、親水性好、原料的化學(xué)成分接近骨的無機成分、無毒無致癌不良反應(yīng)、生命力學(xué)強度佳、體內(nèi)降解吸收性能好、組織傳導(dǎo)作用強等特點。將其作為3D 打印材料制作人工骨骼，作為骨修復(fù)三維支架，在醫(yī)療領(lǐng)域里具有較好的應(yīng)用前景。

圖1 多孔生物陶瓷Fig.1 Porous bioceramics

有機前驅(qū)體基陶瓷材料不但能夠承受特別高的使用溫度(＞2000 ℃)，而且具有低密度、優(yōu)異的抗氧化抗燒蝕性能、良好的力學(xué)性能等優(yōu)點，成為制備陶瓷的新材料。

碳硅化鈦陶瓷(Ti3SiC2)具有層狀的六方晶體結(jié)構(gòu)，在生物、醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用。該材料兼具金屬材料的高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、良好的延展性、塑性和陶瓷材料的高強度、穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性等優(yōu)點。目前，國內(nèi)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(xué)氣相沉積法(CVD)、固相反應(yīng)(SR)、放電等離子燒結(jié)(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(yīng)的成形模具，成本高、耗時長、靈活性差，不利于制作性狀復(fù)雜、中空的零件。利用3D打印技術(shù)制備Ti3SiC2陶瓷則可以有效地克服上述缺點。

綜上所述，3D打印陶瓷技術(shù)可以克服傳統(tǒng)陶瓷技術(shù)的缺點，具有成本低、周期短、規(guī)模量產(chǎn)、造型豐富等優(yōu)點。

2 陶瓷在現(xiàn)代產(chǎn)品中的運用

在產(chǎn)品設(shè)計中，材質(zhì)是一個非常重要且關(guān)鍵的因素，直接影響產(chǎn)品本身的使用觸感；什么類型的產(chǎn)品，適合什么類型的材質(zhì)，在什么樣的情景模式下與使用者發(fā)生怎樣的關(guān)系，都是一個產(chǎn)品設(shè)計者需要考慮的因素。一般而言，一件好的陶瓷產(chǎn)品以其功能效用、工藝技術(shù)和形式美為其基礎(chǔ)評判標(biāo)準(zhǔn)。

在產(chǎn)品設(shè)計中，材質(zhì)主要分為金屬、塑料、木竹、陶瓷、纖維、皮革、玻璃等；相比而言，陶瓷產(chǎn)品往往以藝術(shù)品的形象停留在人們的印象中，因為陶瓷產(chǎn)品價格高昂、所需成本較高、工藝流程繁瑣、生產(chǎn)周期長，且陶瓷材質(zhì)的韌性、抗摔性等都受制約，所以陶瓷材質(zhì)的科技產(chǎn)品并不多見。

因為塑料材質(zhì)在手機市場的過氣，金屬的機身不能實現(xiàn)無線充電，玻璃機身的一體性不好等原因，陶瓷手機(見圖2)的流行好像是順理成章的。小米公司的陶瓷手機使用的是“Unibody全陶瓷”，簡單來說就是一體成型機身工藝，將陶瓷擠壓成板材，然后通過數(shù)控機床機械加工技術(shù)一體成型。但是這種技術(shù)機床精度要求高，初期設(shè)備投入大。每一塊Unibody全陶瓷都要經(jīng)過 1400 ℃高溫 7天燒結(jié)；兩層樓高的設(shè)備，240 噸沖壓成型；金剛砂刀頭0.01 mm反復(fù)雕琢，每加工一部手機，都要更換刀頭。這種“Unibody 全陶瓷”雖然在技術(shù)上較傳統(tǒng)陶瓷有了突破，但是周期還是較長，抗摔性也不是很好。

圖2 陶瓷后蓋的手機Fig.2 Mobile phone with ceramic rear battery cover

近年來，陶瓷材質(zhì)取得進一步發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐步變成了可消費的技術(shù)。比如3D打印陶瓷材質(zhì)的手機，省去了傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工藝的多個流程(練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、彩繪、釉色變化等)，只需將產(chǎn)品數(shù)字建模出來，使用前述的材質(zhì)進行3D打印，一件產(chǎn)品很快就可以出現(xiàn)在我們的面前，不需要傳統(tǒng)的燒制、晾曬等多個步驟，即可得到所需的產(chǎn)品，并且這個形狀可以是有機的，可以是精確的，可以是讓設(shè)計師反復(fù)修改的。

在醫(yī)療領(lǐng)域，可以根據(jù)人體的各種數(shù)據(jù)，利用3D技術(shù)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(fù)，可以大大提高外科手術(shù)的精確性與安全性。奧地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印設(shè)備可以打印出滿足這一醫(yī)療需求的骨骼植入體。基于增材制造思想，Lithoz公司研發(fā)了獨特而優(yōu)秀的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的方法。LCM技術(shù)(基于光刻技術(shù)的陶瓷3D打印)使得快速經(jīng)濟的高性能陶瓷功能件生產(chǎn)成為可能，產(chǎn)品性能不低于使用傳統(tǒng)模式大批量生產(chǎn)的部件。Lithoz的LCM技術(shù)3D陶瓷打印設(shè)備可以制備出多種孔尺度與復(fù)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷制品，例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，仍然具有很好的生物相容性，其各種性能上達到傳統(tǒng)工藝制造出的同樣部件。

在歐洲，Lithoz公司與蘇黎世醫(yī)科大學(xué)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(nèi)的支架在植入10天后被結(jié)締組織包裹住，沒有炎癥發(fā)生。通過高精度陶瓷3D打印設(shè)備可以實現(xiàn)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(xiàn)無工具成本、無成型成本，達到快速生產(chǎn)的目的。這不僅成功地解決了傳統(tǒng)3D打印生物陶瓷支架的孔尺度與孔結(jié)構(gòu)可控性不高的問題，而且可以通過設(shè)備軟件精確計算出需放大的燒結(jié)尺寸，保證樣品進行燒結(jié)收縮后，達到符合原始設(shè)計的尺寸。LCM技術(shù)對于陶瓷打印制品沒有形狀限制，可以實現(xiàn)新的形狀設(shè)計和產(chǎn)品功能蜂窩細胞結(jié)構(gòu)，也可生產(chǎn)薄壁結(jié)構(gòu)(低于150 μm)。

3 3D陶瓷的未來發(fā)展

目前，雖然3D 打印陶瓷市場發(fā)展前景廣闊，但是我國3D陶瓷打印產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，原創(chuàng)技術(shù)不夠、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)鏈不夠健全等因素制約了國內(nèi) 3D 打印陶瓷市場的進一步發(fā)展，技術(shù)與設(shè)備也比不上一些發(fā)達國家。不過，國內(nèi)企業(yè)與高校已經(jīng)意識到了這個問題，正在積極研制專用3D陶瓷打印機和打印專用原料；在向國內(nèi)外客戶提供服務(wù)的同時，自身也取得飛速的發(fā)展。因此，3D打印陶瓷產(chǎn)業(yè)正在成為熱門產(chǎn)業(yè)，3D技術(shù)與陶瓷的交會產(chǎn)生的火花也將愈加燦爛。在未來，掌握了3D打印技術(shù)的核心，就等于抓住了未來制造業(yè)的命脈，3D打印將帶我們邁向新的工業(yè)時代。