陶瓷3D打印模型設計技術回顧與展望

彭子鈞 ，羅旭東 ,，謝志鵬

(1.遼寧科技大學 高溫材料與鎂資源工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.清華大學 材料學院新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

先進陶瓷的設計和開發最早從汽車領域開始，并逐漸向高性能領域發展。現階段先進陶瓷在航空航天、國土防御、能源及生物醫學領域都得到了發展與應用。陶瓷制品需經過原料粉體處理、坯體制備成型、固體制品燒結和最終加工處理四個主要環節。其中，陶瓷制品的成型是一個耗時且較為昂貴的過程。節約制備材料、縮短加工周期、降低制造成本及實現制品量產化是先進陶瓷所面臨的問題。為解決先進陶瓷面臨的問題，無模陶瓷成型制造技術應運而生。

近年來，3D打印(也稱為增材制造(Additive Manufacturing，AM)或快速成型技術(Rapid Prototyping，RP) )作為一種無模成型技術受到國內外學者的廣泛關注。以逐層堆積或分層打印方式將3D模型通過可固化粘合的原料制備成型[1]。理論上，通過3D打印技術可將任意物品實現產品化。故3D打印技術被認為是第三次工業革命的重要標志之一[2]。

3D打印發展可追溯至上世紀80年代。1986年3月11日，以立體光刻技術為基礎理論的3D打印技術的專利“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography”正式發布。隨著3D 打印技術不斷創新發展，衍生出熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)和選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)成型技術[3]，為3D打印技術的發展和創新奠定了理論基礎。此后，3D打印技術不斷更新、發展和應用，在國防軍事、汽車制造、航天航空和機械加工等領域[4]以及生物工程方面均發揮著極大的作用[5]。

相比于傳統的制造技術，3D打印技術具有高效率、制造快、無模化和可復雜化等優勢[6-7]。3D打印技術成型工藝多種多樣，其不同點在于將每一層材料制備成整體部件的方式技術不同[8]。常見的陶瓷3D打印技術成型工藝有：熔融沉積成型、激光選區燒結成型、光固化的立體光刻成型、三維打印成型、噴墨打印成型技術、熱壓分層實體成型等工藝[9-10]。但是無論哪種3D打印成型技術都需要依賴可以成功打印的3D模型。設計符合成型技術的3D模型是能否成功打印的重要一環。所以在打印之前必須了解每一種陶瓷3D打印成型技術的原理、特點及注意事項，設計出符合所使用的成型工藝的3D模型。

本文主要闡述現階段幾種常見的陶瓷3D打印技術的成型工藝的原理和特點，并針對不同的成型工藝下陶瓷3D模型的建立進行了綜述。

1 常見陶瓷3D打印成型技術及3D模型建立介紹

3D模型建立軟件常用maya和3dsmax。設計的3D模型都需要轉換成3D打印機通用的stl文件格式[11-13]。然而，并非所有的3D模型都能成功地被打印出來。由于陶瓷3D打印成型技術區別于傳統的3D打印技術，所以對陶瓷3D模型的建立需要有新的要求并且不斷優化[14]。以下結合不同成型工藝介紹建立3D模型的設計要求。

1.1 陶瓷熔融沉積成型技術及其模型設計

陶瓷熔融沉積成型技術(簡稱FDC)于1995年首次提到[15]，該技術是以熔融堆積成型技術為基礎。在20世紀90年代美國Argonne國家實驗室和Rutgers大學首次將陶瓷材料與計算機融合并在機械裝置內進行沉積打印。與傳統的熔融沉積成形相比，陶瓷熔融沉積成型技術的特點是將陶瓷粉體摻入有機結合劑中，并加入無定性基料結合劑，將復合材料放入擠出機中在稍高于其熔點的溫度下熔化，通過計算機控制制備陶瓷生坯。通過脫脂處理后，在適宜的高溫條件下燒制成部件。適用于FDC工藝的材料須具備一定的熱性能和機械性能。現階段可以進行小規模訂購生產，如過濾器、小型精密實驗儀器、催化劑載體等。未來可向生物材料、光子帶隙結構和電磁帶隙結構領域發展[16]。

陶瓷熔融沉積成型技術(FDC)的3D模型需設計注意模型不能過于小巧，內部不能過于致密。一般可設計為高孔隙率、管狀支撐的多孔3D模型[17]。因為在FDM成型中，當前打印層在其下面的打印層上堆積而成，同時前一層打印層對當前打印層提供定位和支撐的作用。在建立模型時盡量減少懸空部位，若缺少有效支撐會導致打印失敗。由于該技術需要先加熱后冷卻成型，若3D模型設計過于小巧或設計成小巧的實心物體時，很容易出現前一層打印層未完全冷卻，但當前打印層已經打印上去的情況，由于當前打印層為高溫層會使前一層打印層出現二次融化的現象，導致3D打印的制備發生變形導致打印失敗。因此FDM技術對3D模型設計的要求是模型需要有骨骼支架，同時模型不宜過于小巧、內部不宜過于致密以便能正常打印。

1.2 陶瓷立體光刻成型技術及模型設計介紹

立體光刻(SLA)是基于用UV激光或另一類似電源固化光反應樹脂的3D印刷技術，并且以其高精度和優異的表面精加工而聞名[18-20]。陶瓷立體光刻(CSL)是一種擴展的立體光刻方法。在直接CSL中，固化填充有大量陶瓷填料的光固化液體，并且將所得生坯體熱處理以產生用于所需陶瓷結構的生坯體[21-25]。CSL自20世紀90年代面世以來已經變得越來越重要。如今，CSL用于牙科和骨愈合應用的醫學、微機電系統(MEMS)、傳感器、壓電元件和光子晶體的微技術，并大規模應用于渦輪葉片或機械耐用結構中[25-30]。

在CSL領域的最新研究發現，光固化的生坯由諸如氦鎘氣體激光器，氬離子激光器或固態激光器的UV激光器形成。然而，Griffith和Halloran[31]證明當應用掩模在光固化液體上轉印所需圖案時，可以用LED或鹵素燈代替激光器[32-33,29]。與UV照射下的光固化活性相比，光固化液體的光固化活性(或量子產率)降低。

光固化和熱處理之后要求成品陶瓷結構具有機械穩定性，表面光滑并且與原始3D模型相匹配。故在3D模型的建立上要根據所制備的陶瓷產品的性能在參數上進行一些縮放。多個固化的軌跡模型建立必須彼此重疊，以便在多個固化軌跡之間產生均勻的連接。橫向重疊稱為線寬補償，而垂直重疊確定固化結構的層厚度。然而，在3D模型的建立上要考慮固化軌道輪廓對部件設計施加的影響。在3D模型建立時也要考慮固化層和固化結構的光滑表面之間的互連，以便于二者達到最佳互聯效果[34]。

1.3 選擇性激光燒結(SLS)及模型設計介紹

選擇性激光燒結由Beaman[35]于20世紀80年代在德克薩斯大學發表專利。這是一種基于3D建模數據使用粉體床與激光束選擇性地熔合在一起的成型過程。將3D模型切成厚度通常在100 mm范圍內的層，但也取決于所使用的材料及其與激光束的相互作用進行逐層地構建，制造非常復雜形狀的部件。第一個通過SLS生產的制造部件為塑料部件，理論上可以使用任何可獲得的粉末形式的材料。熱塑性材料和低熔點金屬由于其低熔點均可用于SLS技術。但將SLS技術應用到高熔點的材料時還有一定難度，例如高熔點金屬和陶瓷。通常，這些材料的致密化是固態擴散主導工藝，需要高溫和時間來實現致密化。另一個問題是在使用SLS期間由于加熱速率高和冷卻速率快而引起的熱應力。由于陶瓷材料的耐熱沖擊性有限，故在SLS中的熱應力會導致燒結部件中的裂紋形成。Wilkes[36]發現粉末床預熱可以減少熱應力，從而減少使用SLS生產的陶瓷部件中的裂紋形成。盡管激光與材料之間相互作用時間短，但在直接SLS致密化過程中仍存在諸多限制條件。

SLS是由激光與材料在短時間的相互作用，從而獲得制品。現階段通過提高粉末密度和液相輔助燒結法來提高制品的致密度。所以在建立3D模型的時應該盡量避免出現網格結構以便保證其機械性能[37]。若是采用固態擴散法進行SLS時，由于其致密化程度不高，3D的外殼不易設計過薄以保證其強度便于打印成功。未來SLS領域的制品分辨率從約100微米增加到幾十微米，通常采用亞微米陶瓷粉末和近紅外激光器來完成[38]。所以未來3D模型設計需符合上述要求，便于部件可以吸收近紅外光譜實現成功打印。

1.4 三維打印及模型設計介紹

三維打印技術分為三維打印成型(簡稱為3DP)技術和噴墨打印成型(簡稱為 IJP)技術。三維打印成型(簡稱為3DP)以微滴噴射形式的制備部件，主要由美國麻省理工學院和Soligen公司開發。通過計算機輸出模型，將粉體通過結合劑層層堆積制備成型。現階段適用于陶瓷、金屬、復合材料及高分子材料的成型。成型的陶瓷坯體以粉末狀結合，結構較為松散，致密度較低難以直接燒結，需要進行后續處理使其致密化燒結。

噴墨打印成型(簡稱為 IJP) 技術以三維打印成型技術為基礎發展而來，該技術預先將陶瓷粉體與有機物溶劑配制成陶瓷漿料，通過計算機控制打印噴頭將陶瓷漿料逐層噴打到工作面上，制備成陶瓷坯體。目前，陶瓷漿料的配制是噴墨打印技術的關鍵，要求陶瓷粉體在漿料中具有良好的均勻分散度，合適的張力、黏度，以及快速干燥的能力。

3DP技術與IJP技術成型過程非常相似。3DP技術是由粉體層層堆積成最終產物，而IJP技術是以陶瓷漿料逐層打印層層堆積為主。由于部件都是一層一層建造出來，故部件很容易產生空洞和懸臂結構。因此在建立3D模型時必須要有支撐結構以便打印成功。IJP技術由于陶瓷漿料本身為液體，所以在打印時可能會出現局部坍塌的現象。故設計成為螺旋狀結構的3D模型不易在IJP技術中打印出來。提高空間分辨率和準確性是這兩種技術未來的發展目標，未來在3D模型的設計上也要符合這一目標。

1.5 層壓實體成型技術及模型設計介紹

層壓實體成型(簡稱為LOM)技術于1986年由Helisys 公司開發并應用于紙張、塑料和金屬領域。而后轉移到陶瓷加工領域時，主要用于陶瓷建筑和陶瓷齒輪等方面。該工藝利用激光或刀具切割陶瓷薄片，在成型過程中，首先將片狀材料用激光切割系統切割成自定義的截面作為第一層截面，之后工作臺下降一級再送進新的片材，然后對新層進行激光切割，重復過程依次對片材進行切割。最后用熱壓機將切割層緊壓并粘合起來，直至完成。現階段層壓實體成型技術主要以Al2O3和SiO2陶瓷為主。

與其它四種陶瓷3D打印成型技術不同，層壓實體成型技術以層層壓制為主，不需要設計支撐結構[39]。由于是激光切割，激光能量會導致臨界傾角增大，在每一層模型設計上應盡量平整，避免兩個層的切口重疊區域增大，保持陶瓷制品的機械性能。層壓實體成型技術還可以制造具有角表面或者中空結構的復雜部件，在模型設計上要避免出現傾斜激光和階梯效應。層壓實體成型技術未來將會向氮化物陶瓷和聚合物陶瓷方向發展，對3D模型的建立還會有更高的設計要求。

2 展 望

設計精準的3D模型與陶瓷材料組合為3D打印陶瓷提供了可能性，既可以縮短制造時間又可以降低成本。此外，3D打印陶瓷不僅可以控制陶瓷部件的形狀，而且可以控制整個部件的組成、微觀結構和性質。但在它替代常規技術以前，仍存在一些技術難點。目前，雖然已開發出多種適合陶瓷3D打印的工藝，并且也在材料成型方面取得了一定程度的發展。但現階段的陶瓷成型工藝還存在些許不足需要加以完善，基于成型工藝建立的3D模型也需要不斷改進完善。

提高陶瓷3D打印部件的精度、效率和速度也是現階段陶瓷3D打印技術有待解決的問題，而解決這些問題就需要改進現有成型工藝、建立合理的3D模型。并且3D模型的設計也要緊跟3D打印陶瓷的最新發展方向。以便于實現精準、高效和快速打印。眾所周知，現階段陶瓷3D打印技術距離大規模產業化、工程化應用還有一定距離。未來還需要進一步提升3D打印技術在陶瓷領域的應用，以便實現陶瓷產品的直接制造。

參考文獻：

[1]BERMAN B.3-D printing: The new industrial revolution [J].Business Horizons, 2012, 55(2): 155-162.

[2]黃健, 姜山.3D打印技術將掀起“第三次工業革命”[J].新材料產業, 2013, (1): 62-67.HUANG J, JIANG S.Advanced Materials Industry, 2013, (1):62-67.

[3]李淵博.3D 打印技術與寫實雕塑藝術關系的思考[D].北京:中央美術學院 2014.

[4]MATTEO P, MASSIMILIANO V, CLAUDIO B.Effect of porosity of cordierite preforms on microstructure and mechanical strength of co-continuous ceramic composites [J].Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27: 131-141.

[5]ECKEL Z C, ZHOU Chaoyin, MARTIN J H, et al.Additive manufacturing of polymer-derived ceramics [J].Science, 2015,351(6268): 58-62.

[6]JEE H J, SACHS E.A visual simulation technique for 3D printing [J].Advances in Engineering Software, 2000, 31(2):97-106.

[7]ZHAO X L, EVANS J R G, EDIRISINGHE M J, et al.Direct ink-jet printing of vertical walls [J].Journal of the American Ceramic Society, 2002, 85(8): 2113-2115.

[8](美)胡迪利普森, 梅爾芭庫曼, 賽迪研巧院專家組譯[M].3D打印: 從想象到現實.北京: 中信出版社, 2013.

[9]謝志鵬, 薄鐵柱.先進陶瓷快速無模成型技術的研究與進展[J].中國陶瓷工業, 2011, 18(2): 16-21.XIE Z P, BO T Z.China Ceramic Industry, 2011, 18(2): 16-21.

[10]中國機械工程學會.3D打印打印未來[M].北京: 中國科學技術出版社, 2013.

[11]王雪瑩.3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業, 2012, (26): 3-5.WANG XY.China 's High - Tech Enterprises, 2012, (26): 3-5 .

[12]PANDEY P, REDDY N V, DHANDE S.Real time adaptive slicing for fused deposition modeling [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003, 43(1): 61-71.

[13]PANDEY P, REDDY N V, DHANDE S G.Slicing procedures in layered manufacturing: A review [J].Rapid Prototyping Journal, 2003, 9(5): 274-288.

[14]吝戰軍.結構拓撲優化設計密度懲罰法與水平集法[D].山東建筑大學, 2010.

[15]DANFORT S.Fused deposition of ceramics: A new technique for the rapid fabrication of ceramic components [J].Materials Technology, 1995 (10): 131-149.

[16]LEU M C, TANG L, DEUSER B, et al.Freeze-form extrusion fabrication of composite structures [C]// Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA,2011.

[17]SCHLORDT T, SCHWANKE S, KEPPNER F, et al.Robocasting of alumina hollow filament lattice structures [J].Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33(15-16):3243-3248.

[18]ZOCCA A, COLOMBO P, GOMES C M, et al.Additive manufacturing of ceramics: Issues, potentialities, and opportunities [J].Journal of the American Ceramic Society,2015, 98(7): 1983-2001.

[19]ZANCHETTA Z E, CATTALDOA M, FRANCHIN G, et al.Stereolithography of SiOC ceramic microcomponents [J].Advanced Materials, 2016, 28(2): 370-376.

[20]ZHOU M, LIU W, WU H, et al.Preparation of a defectfree alumina cutting tool via additive manufacturing based on stereolithography – Optimization of the drying and debinding processes[J].Ceramices International, 2016, 42(10): 11598–11602.

[21]BLAN W, LI D, LIAN Q, et al.Fabrication of a bio-inspried beta-tricalcium phosphate/collagem scaffold based on ceramic stereolithography and gel casting for osreochondral tissue engineering [J].Rapid Prototyping Journal, 2012, 18(1): 68-80.

[22]GAO F, YANG S, HAO P, et al.suspension stability and fractal patterns: a comparison using hydroxyapatite [J].Journal of the American Ceramic Society, 2010, 94(3): 704–712.

[23]GENTRY S P, HALLORA J W.Depth and width of cured lines in photopolymerizable ceramic suspensions [J].Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33(10): 1981-1988.

[24]CHOPRA K, MUMMERY P M, GOUGH B J E D.Gelcast glass-ceramic tissue scaffolds of controlled architecture produced via stereolithography of moulds [J].Biofabrication,2012, 4(4): 045002.

[26]FANG N, SUN C, ZHANG X.Diffusion-limited photopolymerization in scanning micro-stereolithography [J].Applied Physics A, 2004, 79(8): 1839-1842.

[27]WOZNIAK M, HAZAN Y D, GRAULE T.Rheology of UV curable colloidal silica dispersions for rapid prototyping applications [J].Journal of the European Ceramic Society,2011, 31(13): 2221-2229.

[28]BAE C J, HALLORAN J W.Influence of residual monomer on cracking in ceramics fabricated by stereolithography [J].International Journal of Applied Ceramic Technology, 2011,8(6): 1289-1295.

[29]HASSANIN H, OSTADI H, JIANG K.Surface roughness and geometrical characterization of ultra-thick micro moulds for ceramic micro fabrication using soft lithography[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 67(9): 2293-2300.

[30]TIAN X, ZHANG W, LI D, et al.Reaction-bonded SiC derived from resin precursors by stereolithography [J].Ceramics International, 2012, 38(1): 589-597.

[31]GRIFFITH M L, HALLORAN J W.Freeform Fabrication of Ceramics Via Stereolithography [J].Journal of the American Ceramic Society, 1996, 79(10): 2601-2608.

[32]Wang J C.A novel fabrication method of high strength alumina ceramic parts based on solvent-based slurry stereolithography and sintering [J].International Journal of Precision Engireering and Manufacturing, 2013, 14(3): 485-491.

[33]GUO N, LEU M C.Additive manufacturing: Technology,applications and research needs [J].Frontiers of Mechanical Engineering, 2013, 8(3): 215-243.

[34]DUFAUD O, CORBEL S.Rheological properties of PZT suspensions for stereolithography [J].Journal of the European Ceramic Society, 2002, 22(13): 2081-2092.

[35]BEAMAN J J, DECKARD C R.Selective laser sintering with assisted powder handling: US, 5053090 [P].1991.

[36]WILKES J I.Selektives Laserschmelzen zur generativen Herstellung von Bauteilen aus hochfester Oxidkeramik [D].RWTH Aachen, 2009.

[37]REGENFUSS P, STREEK A, ULLMANN F, et al.Principles of laser micro sintering [J].Rapid Protoyping Journal, 2007,13(4): 204-212.

[38]EXNER H, HORN M, STREEK A.Laser micro sintering:A new method to generate metal and ceramic parts of high resolution with sub-micrometer powder [J].Virtual & Physical Prototyping, 2008, 3(1): 3-11.

[39]TAY B J, EVANS J R G, EDIRISINGHE M J .Solid freeform fabrication of ceramics [J].International Materials Reviews,2003, 48(6): 341-370.