陶瓷3D打印技術及材料的研究現狀綜述

徐若夢

沈陽廣播電視大學 遼寧 沈陽110003

近幾年來，陶瓷材料被應用電子領域、機械領域、國防領域、醫學領域等。相比金屬和高分子材料，陶瓷具有極高的力學性能，比如高耐溫性、高硬度、高耐磨性等，同時在電、熱、光、生物相容等學科都發揮其獨特的優勢。陶瓷材料加工性能比較差，傳統的技術無法使陶瓷材料成型，因此陶瓷制品的生產周期會比較長，成本也會比較高，因此陶瓷材料無法滿足人們日常的需求。3D打印技術是一種增加產能的手段，能夠快速生成一些結構復雜的陶瓷型體，制備性能極高的復合陶瓷零件，減少制造的時間，促進陶瓷材料的應用范圍。

一、陶瓷3 D打印技術素胚成型的研究

3D打印陶瓷材料形態導致包括液體材料、粉質材料、線性材料和塊狀材料集中不同類型。

(一)液體陶瓷的3D打印技術。液體陶瓷原料包括有機液體和陶瓷粉末，一般應用在SLA和DI W中。SLA的打印原理是紫外線利用軟件切片三維模型的掃描路徑，針對液態光敏樹脂一次實施掃描和固化處理，形成實體原型。SLA發揮的優勢為成型的精準度更高，一般用于結構比較復雜的陶瓷制品，不過應用的難點就是光敏樹脂陶瓷原料的配置以及光固化成型技術的參數調節等。第一，要選擇合理的光敏聚合體系，了解陶瓷顆粒在光敏樹脂中的分散程度、漿料陶瓷的固相含量等。如果原料中的固相含量較低會導致陶瓷制品密度較差，后期排膠和致密化過程中也會出現形態變形、開裂等問題，如果固相含量較高，會導致漿料粘稠度較高，流動性較差，陶瓷素胚成型后表面會更加粗糙[1]。要制備粘度較低、固相含量高、流動性好的材料，就要選擇合理的分散劑、陶瓷粒度，充分考慮陶瓷粉體表面改性等問題解決。第二，素胚成型的過程中，工藝參數是保證素胚質量的基礎。陶瓷顆粒對紫外光具有散射作用，因此也要分析紫外光曝光強度、掃描速度等因素對固化厚度造成的影響。掃描的速度越高，那么激光在原料中的能量密度就會越低，陶瓷顆粒散射就會越低，如果掃描速度太快也會導致光敏樹脂固化不徹底。單層固化厚度高于分層的厚度，才能促進兩層粘連成型。因此，3D打印技術的參數設置合理對提高陶瓷質量有重要意義，光敏樹脂分散的顆粒對紫外光具有散射效果，會改變固化的特性，會影響打印成品的成型精準度。

DI W成型原理為，利用計算機輔助針對圖形做好相應設計，在基板可控的位置上沉積陶瓷原料，反復疊加最后構成三維結構。DI W不需要利用紫外光或者激光來實現固化，因此DI W的成型的主要難點在于漿料的制備工藝上，要提高制備質量就要滿足以下兩個條件：第一，沉積在基板后要維持形狀和跨距，因此漿料就需要具有剪切致稀和可調控粘彈性的特點，擠出后能夠保持凝固不會出現形狀的改變。第二，漿料固體含量較高，能夠有效降低干燥和燒結導致的體積收縮情況[2]。

3D打印的陶瓷材料研究包括漿料的粘度、分散性、陶瓷粒度以及固體含量等因素，由于不同陶瓷的成型原理各不相同，SLA 技術是利用紫外光照射促進光聚合反應而實現固化，加入陶瓷粉體后，漿料具有透光性，能夠促進光聚合反應，成型后還具有一定的厚度，成型的過程中，SLA 技術必須考慮紫外光曝光強度、掃描速度等因素。DI W技術不需要紫外光的參與，因此漿料制備也不需要考慮引發劑、預聚體等因素，是通過控制粒子結合來獲得膠體漿料，不僅具有高濃度粘彈性，也能順利擠出。

(二)粉體陶瓷3D打印技術。粉體材料是陶瓷粉末與有機粘結劑結合的產物，常用于SLS、SL M、3DP等成型中。SLS打印陶瓷制品需要在陶瓷粉體中添加粘接劑，以促進激光掃描下利用粘結劑促進陶瓷的成型。因此，要選擇合適的粘結劑，保持低熔點、地液態粘度等特點，從而才能發揮有效的粘結效果。納米陶瓷顆粒在鋪粉的過程中會產生靜電和聚團的情況，因此需要采用良好的粘結劑將陶瓷顆粒包覆起來，不僅能夠促進納米陶瓷顆粒的聚集，才能提高其流動性[3]。成型中，控制好打印技術的參數也是重點內容，陶瓷素胚成型效果受到激光能量密度的影響，激光能量密度又受到激光功率、掃描間距、掃描速度等因素影響。

(三)陶瓷線材3D打印技術。陶瓷線材3D打印主要技術為FDC，是從FDM技術演變而來的，陶瓷粉體與高分子材料結合起來，擠出呈細絲，根據規定的路徑層層疊加成型，然后通過脫脂、燒結等處理手段獲得陶瓷制品。打印技術的材料要制成細絲狀，抗彎強度較高，熔融后會具有較高的粘度和流動性，成型精準度較差。

(四)陶瓷塊狀3D打印技術。陶瓷塊狀3D 打印主要為LOM技術，是通過流延成型技術將原料成型為薄膜，然后將薄膜層層堆砌起來，根據設計圖案進行掃描和切割，重復多次后形成三維模型。

二、小結

3D打印陶瓷技術各有各的優勢，也各有其局限性。各種3D 打印技術原理各不相同，常見的問題為原料制備、成型工藝控制、致密化燒結等。陶瓷素胚成型上來說，相同形態的原料制備和要求擱置相同。相同形態的陶瓷的研究可以提供一定參考，不過也要注意根據不同成型原理對材料提出的要求。