試論3D打印技術在陶瓷造型中的應用

摘 要：近年來隨著科學技術的不斷革新和普及，越來越多的新技術已然出現在世界上，其中3D打印技術在近些年來是較為火熱的一門新興技術。本文介紹了陶瓷3D打印技術的概念、陶瓷3D打印技術的分類、陶瓷3D打印技術的成型技術以及陶瓷3D打印技術的未來發展趨勢。

關鍵詞：3D打印技術；陶瓷；發展趨勢

1 前言

陶瓷是陶器與瓷器的統稱，同時也是我國的一種工藝美術品，我國傳統的陶瓷工藝美術品，質高形美，具有高度的藝術價值，聞名于世界。

3D打印（3DP）即快速成型技術的一種，又稱增材制造，它是一種以數字模型文件為基礎，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造物體的技術。

本文就陶瓷3D打印技術進行了探討，對于其概念、分類、成型方式、應用和優勢做了一些介紹，并對陶瓷3D打印技術的未來發展做出展望，希望對陶瓷3D打印技術行業發展有所幫助。

2陶瓷3D打印技術的概念及分類

2.1陶瓷3D打印技術的概念

陶瓷3D打印技術是3D打印技術中的一種分類，其原理與3D打印技術相同，都是用數字材料打印機采用陶瓷粉末作為原料通過逐層打印的方式進行打印。陶瓷3D打印技術是一種可以滿足現代所需的新型陶瓷材料的打印技術，其相較于傳統的陶瓷燒制方式，不僅大大降低了陶瓷成品制作的所需時間，也一定程度上降低了陶瓷燒制的成本，使得陶瓷制品可以以更多樣的方式呈現給大眾，打破了大眾對于陶瓷制品的固有印象。

2.2陶瓷3D打印技術的分類

對于現在的陶瓷3D打印技術，一般對其按照工藝方式進行分類，主要是直接成型法以及逐層黏結法兩種。直接成型法指的是將陶瓷粉末與粘合劑充分混合，然后通過3D打印機的噴頭噴射出來，將其按照既定的模型文件進行黏合，使其不斷與之前噴射的陶瓷粘合劑混合液黏合，直到形成與模型文件相一致的形狀，再經過干燥等步驟，即可得到成品陶瓷制品。逐層黏結法指的是將陶瓷粉末平鋪，同時使用打印噴頭對其噴射粘合劑，使其形成混合液，然后再一次平鋪陶瓷粉末并噴射粘合劑，多次重復此步驟后形成與既定圖形相同的形狀，然后擦去表面多余的陶瓷粉末即可得到陶瓷成品。

3陶瓷3D打印技術的成型方式

對于陶瓷3D打印技術，不同的成型工藝制作的陶瓷成品有著不同方面的特點，這主要與其成型工藝過程中對于陶瓷本身的影響所致，以下將介紹幾種較為常見的陶瓷3D打印技術的成型方式：

3.1漿料堆積成型技術

漿料堆積成型技術是陶瓷3D打印技術中較為實用較為廣泛也是較為簡單的一種陶瓷3D打印成型技術，其主要是利用打印噴嘴的移動，在作業平臺上噴射堆積陶瓷漿液，使其逐步成型。具體可以分為兩種方式：第一種是在制作陶瓷漿液混合液的時候就對其進行加熱，使其在噴射前已經形成較為黏結的混合液，然后通過噴射成型的方式，使其在高溫條件下燒制成型；第二種則是在陶瓷漿液混合時不需對其進行加熱，直接利用高壓氣體的噴射使其在空氣中逐層固化，形成既定的陶瓷成品。第二種方法相較于第一種方法在制作過程中的能耗較低，成本也較低，但是由于未進行加熱，導致其成品精度也較低，不適合制作較為精美的陶瓷制品。

3.2光固化成型技術

顧名思義，光固化成型技術就是利用光照使打印出來的陶瓷制品快速固化成型。這種方法主要是使用光敏樹脂與陶瓷材料混合，然后利用紫外光線對其進行照射，使其按照既定形狀逐層成型，然后經過脫脂和燒結成為完整的陶瓷制品。光固化成型技術主要有兩種成型工藝類型，第一種是利用紫外線對作業臺上的原材料進行由點及線、由線及面的成型方法，而第二種則是利用紫外線，直接形成一層的輪廓，并逐層固化形成成型制品。該技術由于制作材料與技術的原因，具備了較高的打印精度，是目前陶瓷3D打印技術中較為常見使用的成型方法之一。

3.3激光燒結技術

激光燒結技術與光固化成型技術是有一點相同的。該技術是首先將陶瓷粉末堆積在作業平臺上，然后通過計算機控制的激光發射器對其進行激光燒結，從點到線再到面地完成對于其輪廓的固化，然后通過不斷地添加陶瓷原料，達到逐層燒結固化的效果，是一種使用較為廣泛的陶瓷成型技術。此技術主要分為兩種工藝方式：間接成型法和直接成型法。間接成型法是使用較低功率的激光發射器對陶瓷粉末和粘結劑混合，通過固化粘結劑使其成型，并在其后通過高溫處理去除多余的粘結劑。而直接成型法則是不需要粘結劑的使用，對陶瓷材料直接使用高功率激光發射器使其熔融成型。直接成型法相較于簡接成型法需要的設備更加高級且其能耗更加大，但同樣的也會帶來更加高精度的陶瓷成品。

3.4噴射打印成型技術

噴射打印成型技術是一種較為常見的3D打印技術，其用于陶瓷制品時，是將噴射物替換為陶瓷粉末以及粘結劑，通過計算機的控制在作業臺上逐層噴射打印陶瓷混合液，使其逐層固化成型形成陶瓷制品。該工藝最關鍵的是陶瓷混合液的制備，通常對于陶瓷混合液的制備，除了添加陶瓷粉末以及粘結劑外，還需對其所需性能添加合適的添加劑，例如增加陶瓷韌性、增加陶瓷抗氧化性能、增加陶瓷抗紫外線照射性能。

3.5分層實體成型技術

分層實體成型技術顧名思義是通過將陶瓷成品分成層狀進行打印制作，通過打印機對原材料進行分層打印以及加熱，再通過工作臺的移動運作，將打印出的片狀陶瓷結構進行層層黏結，最終形成完整的陶瓷構件，再經過脫脂燒結即可得到完整的陶瓷制品。此成型工藝特點是成型效率高，并且由于其分層制作的特點，可以對于陶瓷結構復雜的制品有更好的制作優勢。

4 3D打印技術在現代陶瓷制作中的應用

4.1現代陶瓷制作的材料方面

長石、石英、黏土和其他礦石原料都是制作傳統陶瓷的材料，制作時主要原材料一般選用黏土，黏土能夠讓陶瓷具有一定形狀，同時讓泥坯的注漿穩定性和泥坯可塑性變得更強。陶瓷3D打印技術使用的原材料相較于傳統陶瓷燒制技術的材料其工藝更簡單、選擇面更廣。不僅可以使用傳統陶瓷燒制的原材料，還可以添加不同性質的膠粘劑，使原料可塑性更好，使打印出來的陶瓷制品其堅固程度更強。并且可以在其中添加更多的添加劑例如酚醛樹脂、脲醛樹脂等以對3D打印的陶瓷制品進行改性處理，使燒制出來的陶瓷具備抗氧化性、抗紫外線能力、抗壓抗拉能力，并且可以在燒制過程中添加具備色彩的添加劑，使3D打印的陶瓷成品具備不同顏色，相較于傳統陶瓷的施釉過程無疑更加簡單快速。

4.2現代陶瓷制作的結構方面

由于傳統陶瓷的造型結構制作階段一般采用的方式是捏造、注漿等，故其制作出的陶瓷造型結構一般比較簡單，很難制造出較為復雜的造型，而陶瓷3D打印技術可以使陶瓷制作的造型結構更加自由更加隨心所欲，只要可以通過計算機畫出其電子圖紙，即可通過3D打印機對其進行打印，無論是造型復雜的鏤空結構還是精細度更高的結構，3D打印都可以輕松完成。陶瓷3D打印技術制作出的成品不僅相較于傳統陶瓷具備更多的造型結構，也具備更多的可塑性以及可變性，可以通過修改圖紙中的某些參數達到對陶瓷制品的精細修改，并且在幾小時內將修改后的成品制造出來，這是傳統陶瓷燒制方式難以完成的，陶瓷3D打印技術大大降低了陶瓷燒制的準入門檻，使大眾有機會接觸到這一古老而又新奇的材料。

4.3現代陶瓷制作的裝飾方面

陶瓷3D打印技術由于其特殊的成型方式，其可以制作造型更為特殊、結構更加精美的陶瓷制品，不僅可以制作傳統陶瓷技術難以燒制的鏤空形狀陶瓷，也可以制作線條紋理更加復雜精美的陶瓷制品。同時由于現代人審美的多樣化與潮流化，陶瓷3D打印技術可以幫助現代陶瓷的制作更加符合現代人的審美，使其具備潮流性以及時代性。并且在未來的發展過程中，可以使其根據未來審美的變化來完成造型的靈活轉變，使其更具包容性和延展力。

5 3D打印技術在現代陶瓷制作中的優勢

5.1陶瓷3D打印技術成型速度快

傳統陶瓷的燒制過程由原材料提純、捏造成型、燒制等復雜步驟組成，其一般耗時在幾周到數月不等，制作周期過于漫長。而陶瓷3D打印技術制作陶瓷的步驟則非常少，只有圖紙設計、3D打印兩步，其一個制品的制作耗時僅僅數個小時，大大減少了陶瓷燒制的時間。對于陶瓷行業來說，其具備的意義非常深遠，除了可以快速的測試不同材料以及工藝生產的陶瓷制品物理力學以及化學性能差距，也可以節省陶瓷造型設計的時間，可以通過快速的燒制來對多種造型進行直接比對，發現不同造型的優缺點，便于快速的查漏補缺。

5.2 陶瓷3D打印技術造型多樣

陶瓷3D打印技術在陶瓷制作過程中，不同于以往的傳統陶瓷燒制工藝受到工藝限制的問題，其可以根據制作者需求選取任何可以繪制出圖紙的造型方案，并且可以輕松地按照圖紙進行陶瓷的打印制作，制作出的陶瓷形狀相較于傳統制作工藝有許多的延展性和多樣性，無論是造型復雜的鏤空結構還是精細度更高的機構，陶瓷3D打印技術都可以輕松制作，并且由于其打印特點是逐層打印，因此打印出的陶瓷制品也不會出現違背力學性能塌陷的可能，其牢固性也大大提高。陶瓷3D打印技術讓陶瓷制品的設計師有更多想法施展發揮的空間，對于陶瓷造型的現代化、潮流化有著重要的促進作用，可以大大提高陶瓷制品的精美程度，讓陶瓷擺脫人們對于其審美和使用的固有認知，開啟陶瓷裝飾品和使用品的新時代。

5.3 陶瓷3D打印技術工序簡單

陶瓷3D打印技術相較于傳統陶瓷制作工藝減少了許多工藝步驟，例如原材料選取提煉提純、燒制、上色等步驟，陶瓷3D打印技術可以通過其特殊的工藝特點，在燒制初始過程就可以對燒制出的成品進行形狀、色彩方面賦予，并且由3D打印機在打印過程直接完成，省去了非常多復雜的工序步驟，大大簡化陶瓷燒制過程，并且可以獲取性能完全超越傳統的陶瓷制品。

5.4陶瓷3D打印技術工藝要求低

傳統的陶瓷燒制工藝，從原材料選取提煉到形狀捏造再到燒制上釉的過程，是由一個或數個具有多年工作經驗的匠人師傅完成的，而每一個匠人師傅都需要經過數年累月的不斷學習實踐才能熟練地掌握陶瓷燒制過程中的某個步驟，其工作效率不僅較低，還需要非常久的時間才可以培養出合格的陶瓷制作匠人，而陶瓷3D打印技術大大降低了陶瓷制作技術的準入門檻，只要制作者可以使用計算機繪制出合適的陶瓷造型圖紙，即可通過3D打印設備對其進行打印，制作出符合圖紙的陶瓷制品，大大簡化了陶瓷制作的步驟，也是對于傳統陶瓷燒制行業的一個人力物力的解放，可以讓傳統陶瓷行業進行轉變，使其專注于陶瓷品質和造型的設計，提高陶瓷制品的質量和品類，達到國際水平。

6 3D打印技術的展望和總結

本文介紹了陶瓷3D打印技術的成型方式、分類等方面，尤其是其相較于傳統陶瓷制作過程的優勢方面，無疑是為陶瓷3D打印技術的發展奠定良好基礎。目前對于陶瓷3D打印技術，雖然有許多優點和案例，但是其一直并未大規模的使用和生產，究其原因無非是成本問題，陶瓷3D打印技術帶來了巨大的優勢，同樣的也帶來了較高的生產成本問題，對于流水線的工廠來說是得不償失的，因此未來對于陶瓷3D打印技術的成本降低將是其未來能否發展的一大重點；其次則是陶瓷3D打印技術可以滿足日用等方面的陶瓷打印，但是對于一些特殊方面和行業使用的特種陶瓷的打印效果就較差，原因是對于特種陶瓷的制作過程，3D打印設備難以通過簡單的步驟模擬出來，其需要經過的步驟仍然不能減少，如此制作的話陶瓷3D打印技術相較于特種陶瓷燒制技術并未取得明顯的優勢，在未來若是希望陶瓷3D打印技術能夠應用更多的方面，則需對其制作模式進行進一步開發，使其能夠適應更多品類陶瓷的打印工作；還有一點則是對于陶瓷3D打印技術的模型和結構分享，可以構建相應的網絡平臺，通過個人或企業的方式加入其中，對自己設計的一些陶瓷3D打印模型進行共享，使陶瓷3D打印技術能夠更好地在個人和企業之中進行運用，提高陶瓷3D打印技術的生產力和延展性。

3D打印技術的加入，使得陶瓷制作行業明顯煥發出了新的活力和潛力，兩者的結合不僅是中國傳統文化的發揚，也是對新興科學技術的肯定，希望這一項技術與陶瓷制作技術的結合可以在未來產生更加好的化學反應，使我國的陶瓷制造技術更加成熟，讓陶瓷制作技術能夠以更新更好的姿態進入智能制造新時代，同時，希望陶瓷的規模化使用可以代替一部分塑料制品以及金屬制品的作用，緩解當下緊張的環境和資源問題。

參考文獻

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