基于光固化增材制造技術的陶瓷成形方法

裘蕓寧，胡可輝，呂志剛

（1.摩擦學國家重點實驗室，北京 100084；2.清華大學 機械工程系，北京 100084）

增材制造（Additive manufacturing，AM）技術在最近的30 年間經歷了快速發展[1]，但相對于高分子和金屬材料增材制造工藝的日趨成熟，陶瓷材料增材制造發展較為滯后[2—3]。實現陶瓷增材制造有多種方法，其中立體光刻技術是最早發展起來的增材制造工藝之一，該技術由M.L.Griffith 首次用于陶瓷材料成形[4]。目前針對電子陶瓷[5]、生物陶瓷[6—7]、高溫結構陶瓷[8—10]等領域有了初步研究。隨著數字化投影技術的發展，光固化增材制造的光源也可以采用數字化光處理技術（Digital light processing，DLP），并已成功應用于陶瓷材料的增材制造[11—14]，在成形速度和精度上有了進一步提高。圖1 為倒置式DLP 光固化增材制造設備的原理，該成形方式有以下優點：①通過圖像投影一次完成整個面的固化，成形速度快；②x-y方向分辨率可達50 μm×50 μm，z軸層厚最小可實現10 μm，成形精度高；③相比于激光光源成本更低，也降低了由于機械結構帶來的光源誤差；④倒置式至下而上的成形方式節省光固化材料，利用率接近100%[15—17]。

圖1 DLP 光固化陶瓷增材制造設備原理Fig.1 Principle of sterolighography ceramic additive manufacturing equipment

光固化陶瓷增材制造技術的工藝過程包括光敏樹脂與陶瓷粉體制備漿料、光固化打印獲得生坯、脫脂及燒結，成形原理如圖2 所示。漿料制備好后在設備中進行逐層曝光，在特定波長光照射作用下，漿料中的光敏樹脂單體反應形成高分子有機聚合體，將陶瓷顆粒包裹形成陶瓷生坯。生坯加熱進行脫脂，在室溫至600 ℃之間將有機物完全脫除，留下陶瓷顆粒由范德華力維持原有形狀，這個過程會有一定收縮。……