淺述光固化3D打印應用于陶瓷制造的研究進展

姚青山

（佛山眾陶聯供應鏈服務有限公司，佛山 528000）

1 發展現狀

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨、隔熱性好、密度低這五大主要優勢，關于傳統的陶瓷膠態金屬成型工藝方法一般因為需要大量加工模具，而難以獲得各種形狀非常復雜的金屬工件，所以大量加工制造模具生產成本相對較高，且產品生命周期也相對較長，而此次陶瓷3D數碼印刷工藝技術有效克服了這一疑難問題，其中的陶瓷光固化樹脂成型工藝技術也因為生產精度較高而獲得了不少人的重視，使用3D數碼印刷技術及光固化金屬成型技術生產的蠟消失模，在替代人工蠟模使用此技術時則可縮短模型生產過程的周期，提高陶瓷型模金屬構件的生產效益，本文主要介紹了3D打印機生產陶瓷及消失模的研究進展。

2 3D陶瓷打印技術主要種類

2.1 熔融沉積成型技術

熔融物質沉積固體打印模型技術也被廣泛稱為一種熔融固體沉積打印模型。開始時，熱融微型絲狀介質材料流體通過轉動送料輥，在從前被動輥與主動輥的共同動力運送下自動進入一個導向送料套，導套的導向摩擦阻力系數相對較低，使熱融絲狀介質物料準確自動進入送料噴嘴。根據專用計算機自動輸出的各種數字模型即可進行物料打印。熔融熱和堆積材料激光打印印刷技術，不用再需要任何傳統激光印刷技術的直接支持，而且具有技術成本低的優勢。熔融材料沉積熱打印機的工作機理相對簡單，生產流程也比較簡單且易于控制，但熱打印機生產過程中往往要求通過較高的高溫下將熱印刷后的材料充分熔融，這就必須需要打印材料在高溫的熱工水力中，熔融后材料不易產生熱分解，且可以保證適當的高溫流動性，為完全適應打印制品在結構上和機械性能上的需要，印刷機的材質一定要確保具備相應的耐熱抗壓性以及相應的高剛性。

2.2 分層實體制造技術

分層材料實體切割制造生產技術是一種以薄層固體為主要原材料，通過固體材料的逐層切割疊加加工來直接實現實體成型的一種生產方式，因此該制造技術也被廣泛稱為基于薄層固體材料的非選擇性實體切割。該打印技術和傳統常規3D無線打印機的技術特點有所不同，傳統常規3D無線打印機不管我們采用了何種的打印材質，在產生打印體的過程中都主要由線至點和線至點之間的層次互相重疊，然后再由于從層至點重疊而產生體。分層印刷的實體材質制造打印技術是指使用雷射激光技術通過照射透過實體材質和激光膠粘劑將第一層材質刻蝕，可以通過提升材料升降臺高度對新的第一層薄膜采用激光技術切割，新的一層激光薄膜實體材料和前一層薄膜材料在熱能和引發型激光膠粘劑耦合作用下緊密貼合形成粘結，這樣就完全省去了從一點點打到底一層的實體打印制作過程。分層打印實體材料制造打印技術由于有激光刀片切割打印技術作為輔助，因此大大減少了激光打印的操作步驟，降低了企業生產復雜的小零件過程所需的生產時間。

2.3 光固化成型技術

光固化是指金屬單體、低溫二聚體或其它聚合體金屬基質在光誘導效應作用下的一種固化成型過程，其中的成型工藝技術也被廣泛稱為立體化或光刻成型技術。目前，光固化三維技術已廣泛應用推廣到許多化工行業中，例如利用光固化三維膠粘劑、光刻膠、激光三維變形成像、三維成型造型等，其中利用光固化三維成型激光技術在3D級光打印設備方面的技術應用也日益廣泛增多。這項創新技術所用的化學原料主要成分是光敏彈性樹脂，在3D的可打印光敏陶瓷材料中可以看到使用光敏陶瓷樹脂粉末和其它光敏陶瓷樹脂進行混合后所形成的“漿料”。光固化新型成型工藝技術仍然存在許多技術挑戰，目前主要用于改進光固化新型成型工藝技術的各種光敏感性樹脂產品存在一定的光毒性，而且產品需要定期進行高溫避光長期保存，因此在日常用于光固化成型技術3D激光打印時應注意保持良好的采光通風和處于避光保存工作區的環境。

3 光固化技術的陶瓷3D打印工藝流程

傳統的燒結方式中只有陶瓷通過熱成型打印燒結工藝的生產而能成型，而現代陶瓷3D加熱印刷燒結技術也就等于完全取代了目前傳統的加熱干壓、注射熱成型等陶瓷成型燒結工藝技術。打印后未完工的粉狀生坯依然可能要進行多次高溫軟硬化處理，以去除存在于生坯過程中的各種有機物，粉末粉碎粒子內部將會出現有機粘結現象，壓坯的粘接強度提高，將所有粉末粉碎粒子的有機聚合體都轉變成被稱為顆粒的有機聚合粘接體，從而可以獲得打印所需的各種物理、機械和高性能的打印制品。

（1）光成型打印工藝成型：將第二層陶瓷壓坯漿材被安裝在一臺紫外光熱凝固樹脂機器下，通過使用光固化機的成型打印工藝自動將第一層陶瓷漿材再次凝固，生成第一層陶瓷壓坯，之后再通過利用光打印固化機身上自帶的陶瓷刮刃劍自動將第二層陶瓷漿材覆蓋在第一層陶瓷壓坯模具上，并經逐層凝固后再成型為第二層陶瓷壓坯，在重復以上二個過程之后即使將陶瓷漿材經逐步凝固并疊加后再累積光打印成型，最后就可獲得第二層陶瓷漿材生坯。

（2）洗滌：洗凈，除去尚未凝固的陶瓷漿料。

（3）脫脂：結合劑含量較高的注射產品，包括例如激光玻璃和微晶陶瓷的液體注射脫脂成型才更有可能同時需要專門的注射技師們來進行注射脫脂和熱處理工藝。在進行打印加工時形成的塑料制件，由于比正在從生坯中生產所含塑料有機物的一些化學元素高且其濃度也就會更高，因此在一般化的狀況下進行脫脂的運行過程中所以時間也就有可能會更長，并且升溫的過程速率也較慢，或者在保護性的升溫氣氛下要進行二次脫脂，而如此做法將會直接導致它的基本類型更加緩慢地穩定，從而防止在進行脫脂運行過程中所形成的塑料制件而迅速發生斷裂。

(4)高溫空氣燒結：不同的材料對高氧化物燒結的溫度以及燒結的氣氛不盡相同，但基本和陶瓷相對應的采用傳統高溫燒結方法形成的工藝也和陶瓷相似，一般氧化鋁、氧化鋯等高氧化物的陶瓷通常使用高溫空氣在保護性氣氛下進行燒結，而非高溫氧化的陶瓷通常在保護性的氣氛下進行燒結。

4 3D光固化打印技術的發展趨勢

3D光固化打印陶瓷產品的制造技術所需要體現的光固增材料方法及路徑與其傳統的方式完全不同，在復雜的構架產品通過一體化的生產制造，在降低成本和縮短研發周期等方面都有著獨到的特點和優勢。而具體運用到光固化陶瓷3D打印產品制造技術，從降低制造成本的方面和生產的效率兩個方面的考慮很難完全取代其傳統，而最好的制造技術研發就是對于傳統的制造工藝方法的一種有效補充。而從目前實際研究和應用的情況分析來看，光固化打印技術與光固化陶瓷打印技術的相互應用及結合已經是相對成熟的，且在未來有著廣泛的發展前景。