陶瓷材料快速成型技術及優點分析

劉玉濤++花擁斌++程章云++朱祚祥++徐佳杰++寧翔

【摘 要】目前陶瓷材料快速成型技術主要有：熔融沉積成型技術、三維打印成型技術、噴墨打印成型技術、分層實體成型技術、立體光刻成型技術、選區激光燒結成型；其主要優點為：能快速地打印出自己想要的陶瓷產品的形狀、節省了成本、打破了傳統陶藝的規則形體。闡述了現階段陶瓷快速成型技術面臨的問題及未來的研究方向。

【關鍵詞】陶瓷；快速成型；優點；面臨問題

1.引言

快速成型技術，俗稱3D打印，是集CAD/CAM技術、激光加工技術、數控技術和新材料等技術領域的最新成果于一體的零件原型制造技術[1]。至1984年Charles Hull發明了將數字資源打印成三維立體模型的技術以來，快速成型技術得到飛速發展。計算機技術的快速發展和三維CAD軟件應用的不斷推廣，越來越多的產品基于三維CAD設計開發，使得快速成型技術的得到了廣泛應用。筆者結合自身的求學經歷和閱讀文獻，分別從幾種主要的陶瓷快速成型技術、陶瓷快速成型的特點和陶瓷快速成型的展望，總結了現階段陶瓷快速成型技術的發展狀況。

2.幾種主要的陶瓷快速成型技術

2.1熔融沉積成型技術

熔融沉積成型（Fused Deposition of Ceramics，FDC）技術是美國Rutgers大學和Argonne國家實驗室研發的[3]，該技術采用與FDM（Fused Deposition Modeling）類似工藝，使用陶瓷高分子復合原料通過擠制工藝形成的細絲來成型三維立體的陶瓷坯體。在此工藝中，將陶瓷粉與高分子粘結劑混合制備細絲是關鍵，需要合適的粘度、柔韌性、彎曲模量、強度和結合性能等。目前已開發出制備細絲專用的熱塑性結合劑，主要由聚合物、彈性體、石蠟及增粘劑構成。

2.2三維打印成型技術

三維打印成型（Threedimensionalprinting，3DP）技術是根據計算機輸出的二維像素的信息，利用噴嘴向待成型的陶瓷粉床上噴射結合劑，噴射打印完一層后，粉料床通過底部的活塞向下移動一點的距離，并在粉料床頂部添加新的粉料，然后再噴射打印結合劑，重復此過程，完成后除去未噴射結合的粉料，即可得到要成型的立體工件。三維打印可用于成型陶瓷、金屬、金屬陶瓷復合材料及高分子材料。目前已商業化的三維打印技術主要是用于打印制備金屬鑄造用陶瓷模具，材質可以是氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、鋯英砂和碳化硅，而常用的結合劑為硅溶膠[4]。

2.3噴墨打印成型技術

陶瓷噴墨打印成型技術（Ceramicink jet printing）是從三維打印成型發展而來，同時結合了用于文字輸出的噴墨打印機的原理。目前噴墨打印成型技術可以采用連續式噴墨打印機（Continuous Ink-jetPrinter）和間歇式噴墨打印機（Dropon Demand JetPrinter）。連續式噴墨打印技術具有較高的成型效率，而間歇式打印技術具有較高墨水利用率，而且可以方便的實現對陶瓷部件成分的逐點控制。對于噴墨打印成型技術來講，陶瓷墨水的配制是關鍵。要求陶瓷粉體在墨水中具有良好均勻的分散，并且陶瓷墨水需要合適的粘度、表面張力及電導率，較快的干燥速率和盡可能高的固相含量。

2.4分層實體成型技術

分層實體成型技術（Laminated Object Manufacturing，LOM）是美國的Helisys公司Lone Peak Engineering公司開發并實現商業化的，該工藝是利用激光在x-y方向的移動切割每一層薄片材料，每完成一層的切割，控制工作平臺在z方向的移動以疊加新一層的薄片材料。激光的移動由計算機控制，層與層之間的結合可以通過粘結劑加熱或熱壓來實現。由于該方法只需要切割出輪廓線，因此成型速度較快，并且非常適合制造層狀復合材料。LOM工藝已成功應用于結構陶瓷部件的制備。

2.5立體光刻成型技術

立體光刻成型又稱為立體印刷成型或光敏固化成型，這種方法最早由3D Systems公司開發成功。最初該技術主要應用于高分子材料的成型，后來將其用于陶瓷成型，其基本過程是將陶瓷粉與可光固化的樹脂混合制成陶瓷料漿，鋪展在工作平臺上，通過計算機控制紫外線選擇性照射溶液表面，陶瓷料漿中的溶液通過光聚合形成高分子聚合體并與陶瓷相結合；通過控制工作平臺在z方向的移動，可以使新的一層料漿流向已固化部分表面，如此反復工作，最終就可以形成陶瓷坯體。

2.6選區激光燒結成型

激光選區燒結成型（SLS）最初是由美國德克薩斯大學的Deckard于1986年提出的，后來美國DTM公司和德國EOS公司先后開發成功基于SLS技術的成型系統；其商品化的SLS 125型采用的是20W的二氧化碳激光器，可制造的最大工件直徑為30.5cm。在激光選區燒結成型中，粘結劑可以直接混合或包覆在陶瓷粉末表面，激光選區燒結成型的陶瓷只是一個坯體，因為在SLS過程中，激光對粉末顆粒的能量輻射時間極短，一般在0.1ms～0.1s，在極短的時間內幾乎不能實現粉末間的熔化連接，只能與陶瓷粉末混合或表面包覆的粘結劑形成粘性熔體來實現陶瓷顆粒之間的結合；因此，一般經SLS加工的陶瓷坯體致密化程度較低，需要后續的燒結處理。

3.陶瓷快速成型的優點

3.1快速地形成自己想要的陶瓷產品的形狀

傳統制作陶瓷的方法是必須擁有精湛的技術，而快速成型技術大大縮減了繁雜制作過程，減去了對于拉坯的高手藝要求，使得普通人也可以做出自己想要的陶瓷。

3.2采用陶土作為原材料節省了成本

陶瓷材料快速成型采用的原材料為陶土，相對金屬費用大大降低，且對于設備技術要求沒有成型金屬的高。

3.3陶瓷快速成型技術打破了傳統陶藝的規則形體

傳統陶藝因為受到拉坯技術的限制，所以只能制作出規則的形體.如果想做不規則的形體只能開模或純手工制作，不僅增加了物質成本而且增加了時間成本。快速成型技術采用計算機建模的形式與電腦連接進行直接打印，不用手工拉坯，可以制作出自己想要的形體，也可以制作出各式各樣不規則的形體，使得陶瓷行業更加豐富多彩，市場更加多樣化。

4.陶瓷快速成型面臨問題和展望

目前為止，國外RP技術相對比較成熟，相應的技術已經大規模市場化，美國已經基本形成產業鏈。而國內較國外發展相差近10年，還處向產業化階段邁進的時期[5][6]。我國的RP技術還存在制造精度差、強度低和價格高等不足之處。目前RP技術選用的陶瓷材料比較有限，但是這不能掩飾其快速制造復雜形狀的陶瓷構件的優點，因此，其應用前景相當廣闊。將來，研究人員應當集中力量研究快速成型用新材料。這是因為快速成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，必須借助于再處理或二次加工[7]。同時還要注意在提高新材料性能的同時，要盡可能地降低成本。

參考文獻：

[1]朱建軍，徐新成，趙中華.快速成型工藝探究[J].實驗室研究與探索，2013（8）：261-264.

[2]冼志勇，劉樹，曾令可.陶瓷行業應對節能減排的措施[J].佛山陶瓷，2009，19（6）：13-16.

[3]崔學民，歐陽世翕，余志勇，等.先進陶瓷快速無模成型方法研究的進展[J].陶瓷，2001（4）：5-10.

[4]魏軍從，黃建坤，王義龍，等.結合劑對氧化鋁-碳化硅-碳質鐵溝澆注料力學性能和顯微結構的影響[J].硅酸鹽通報，2013（6）：1057-1062.

[5]顏永年，張人佶.21世紀的重要先進制造技術——快速原型技術[J].世界制造技術與裝備市場，2001（2）：68-71.

[6]張昌明.基于RP的快速模具制造技術研究[D].太原理工大學，2006.

[7]單聯娟.基于石蠟速凝特性的陶瓷制件快速制造技術及材料性能的研究[D].陜西科技大學，2006.