陶瓷快速成型技術研究現(xiàn)狀與展望

劉慶壯， 許路佳， 范立成

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

陶瓷材料由于具有耐高溫、抗腐蝕以及抗氧化等優(yōu)異特點，在航空、航天、電子和醫(yī)學領域得到了廣泛應用[1]。傳統(tǒng)的陶瓷成型方法主要分為注漿成型、可塑成型和壓制成型，但均利用模具成型，制作周期長，精度與結構無法滿足現(xiàn)代高性能陶瓷的市場需求[2]。近年來， 由于陶瓷3D打印具有操作簡單、成型速度快、成型方法多種多樣的優(yōu)點，逐漸被熟知并研究。3D打印快速成型技術，又稱為“增材制造技術”，與傳統(tǒng)的“減材制造技術”有明顯差別，“增材制造技術”融合了計算機輔助設計，以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用材料逐層打印，制造復雜零部件[3]。

1 陶瓷3D打印技術分類與發(fā)展現(xiàn)狀

隨著陶瓷3D打印技術的快速發(fā)展，目前已出現(xiàn)了不同的成型原理及特點，主要有噴墨打印技術(ink-jet printing, IJP)、熔融沉積成型技術(fused deposition moldeling, FDM)、分層實體成型技術(laminated object manufacturing, LOM)、光固化成型技術(stereolithography，SLA)和激光選區(qū)燒結技術(selective laser sintering, SLS)，每種成型工藝都有自身的應用前景。

1.1 噴墨打印技術(IJP)

噴墨打印技術是利用陶瓷墨水打印成型，將陶瓷粉末與非金屬材料、分散劑、粘結劑等混合制成“墨水”，然后利用3D打印機在成型表面上打印，得到最終產品。噴墨打印技術的打印頭分為熱發(fā)泡和壓電式[4]。熱發(fā)泡原理是在噴嘴處有個加熱裝置，加熱時，陶瓷墨水急速汽化并且形成氣泡擴散，擴散后的氣泡會隨著外部氣壓的作用下逐漸膨脹，最終從噴嘴全部噴出，在預先設計的軌跡下逐層疊加；停止加熱后，墨水冷卻，氣泡收縮，墨水回縮，并停止打印[5]。壓電式原理是在陶瓷兩邊不同的電壓下會產生變形，伴隨著計算機數(shù)據(jù)不同，墨水被均勻噴出,原理圖見圖1。

圖1 噴墨打印技術原理

1.2 熔融沉積成型技術(FDM)

熔融沉積成型是利用供料輥、導向套和加熱噴頭組

成[6]，供料輥在機械運動的配合下將預先纏好的絲狀陶瓷材料送入到導向套，然后順著導向套進入噴頭，噴頭加熱，熔化到一定程度(略高于熔點)，同時噴頭按照預定的軌跡運動，熔化的絲狀陶瓷也按照軌跡在成型板上層層冷卻疊加，最終得到需求的產品，原理圖見圖2。

圖2 FDM工藝示意圖

FDM成型技術最初是由S.S.Crump[7]在1988年專利申請，STRATASYS[8]在1990年將其商業(yè)化，1995年，羅格斯大學第一次使用這種方法成型陶瓷胚體。絲狀陶瓷作為原材料，其柔性、彈性模量、黏度和強度對成型陶瓷有很大影響，并且還需要考慮噴嘴的移動速度、吐絲速度等，另外還需考慮去除雜質以及收縮率等問題。

1.3 分層實體成型技術(LOM)

分層實體成型技術的特點之一是在已經成型好的陶瓷薄片上，經過輥輪加熱與上層粘結，并通過激光切割剩余薄片成型，所以這種方法更確切來說是面到體的成型工藝[9]，并且無需支撐件，成型速率高，后處理簡單，非常適用于復雜零件的制造，原理圖見圖3。

圖3 LOM工藝示意圖

楊少斌等[10]制備了可控孔結構多孔陶瓷，通過改變網格布局結構，得到的可控結構多孔陶瓷孔隙率可達65.49%，壓縮強度可達36.10MPa，并且隨著網格密度增加，通孔直徑減小，孔隙率減小，體積密度增大，壓縮強度增大。

1.4 光固化成型技術(SLA)

光固化成型技術主要是打印光敏樹脂中參有陶瓷粉體高固相的漿體材料，光敏樹脂一般由齊聚物、光引發(fā)劑、稀釋劑組成。在計算機的控制下，紫色激光束照射漿料，逐層打印，最終成型產品，原理圖見圖4。

圖4 LOM工藝示意圖

光固化成型技術在打印氧化鋁漿料陶瓷方面有顯著優(yōu)點，例如精度、速度、表面粗糙度都達到了商業(yè)化要求。3DCeram公司采用光固化技術制備的氧化鋁性能已經達到甚至部分超過了常規(guī)的95瓷，并在2015年推出了首臺工業(yè)級大幅面陶瓷3D打印機——CERAMAKER。

1.5 激光選區(qū)燒結技術(SLS)

激光選區(qū)燒結技術開始于1986年，由DECKARD S[11]率先提出這一概念，SUBRAMANIAN K[12]首次將陶瓷材料與之結合起來。粉末供料系統(tǒng)在機械運動配合下向上送粉，輥輪將送來的粉料平鋪于工作表面，激光按照計算機控制的路線掃描粉末并將粉末中的低熔點材料熔化燒結，成型活塞下降一定的高度，重新鋪粉、掃描和熔化，反復操作同一步驟，最終成型，原理圖見圖5。

在此基礎上，1995年德國Fraunhofer激光研究所HAGEDORN[13]提出激光選區(qū)熔融技術，與之不同的是不需要添加任何粘結劑，直接熔融成型。

圖5 SLS工藝示意圖

Fraunhofer激光研究所的WILKES J等人[14]將Al2O3-ZrO2粉末(Al2O3占比為58.5%，ZrO2占比為41.5%)預熱至1 715℃時打印成型，最終的成型零件有效地避免了裂紋的產生，致密度為100%，彎曲強度為500MPa，但是表面粗糙度精度低，高度僅能達到3mm。

2 結語

本文詳細介紹了陶瓷3D打印的技術原理以及發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了不同3D打印技術的特點、發(fā)展現(xiàn)狀與研究成果，但是仍然存在技術難點。

噴墨打印技術的主要難點在于墨水配置及噴嘴裝置方面的改進，并且還需在打印速度、成型精度和成型質量等方面作出研究以減少內部應力集中，保證產品的致密度和力學性能，并逐漸在電子器件、多孔過濾件、陶瓷牙齒等尺寸小、形狀復雜等精度高的產品應用。

熔融沉積成型技術在成型材料的基礎上，打印零件主要問題是表面破孔及凹凸不平、基底翹曲與變形等。因此該成型技術的發(fā)展還需要在打印速度、溫度、層厚上作出改善，得到最優(yōu)參數(shù)。目前該技術可應用在汽車工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和食品加工等方面，隨著該技術的發(fā)展，未來可預見會在航空航天方面發(fā)揮優(yōu)勢，尤其是衛(wèi)星與空間站方面。

分層實體成型技術的發(fā)展已經較為成熟，在材料、精度、尺寸等方面有顯著優(yōu)勢。目前該技術以改善零件表面質量、機械及控制方面為目標，擬擴大在醫(yī)療、航空、電器和建筑等行業(yè)的應用。

光固化成型技術的主要難點在于成型精度以及工作環(huán)境。目前，基于此方法的成型產品已經在航空航天領域得到了應用。隨著該技術的發(fā)展，一般要求制件具有微米級或亞微米級的細微結構，未來在微電子和生物工程等領域將得到應用。

激光選區(qū)燒結和激光選區(qū)熔融技術本質上都為燒結技術。燒結技術的主要難點是去除雜質、提高力學性能等。熔融技術雖然克服了燒結技術的難點，但是在成型精度、表面粗糙度和致密度等方面又增加了難點。目前，該兩種技術的發(fā)展主要需要降低設備成本，優(yōu)化成型參數(shù)，未來有可能在航空航天和生物醫(yī)療得到應用。

總之，3D打印技術對比傳統(tǒng)加工方法在形狀、速度等方面有顯著優(yōu)點，但是仍需大量科研工作者在材料及技術上有新的突破。