陶瓷3D打印技術及材料研究進展

紀宏超，張雪靜，裴未遲,3，李耀剛，鄭 鐳,4，葉曉濛，陸永浩

(1 華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山063210；2 北京科技大學 國家材料服役安全科學中心，北京 100083；3 北京科技大學 機械工程學院，北京 100083；4 河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

3D打印技術即快速成型技術，又稱為增材制造。它是以數字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術結合了材料技術、數字建模、信息處理等多領域的前沿技術，打破了傳統加工的思維模式，被視為“第三次工業革命最具標志性的生產工具”，受到了國內外的廣泛關注[1]。目前3D打印技術在珠寶、工業設計、建筑、汽車、航空航天、醫療產業及其他領域都有應用，在國外，3D打印已經形成了包含材料、裝備和工藝的完整產業鏈，并在金屬、陶瓷、生物材料等方面進行了研發或者產業化生產。

陶瓷材料因具有抗壓強度高、硬度高、耐高溫以及是電和熱的不良導體等力學、物理、化學性能被廣泛應用于航空航天、工業制造、生物醫療等多個領域[2]。但陶瓷材料難加工，傳統加工工藝成本高、耗時長。將3D打印技術應用于陶瓷產品生產將會大幅減少陶瓷產品的生產周期和生產成本，對陶瓷產品的利用具有推動作用。

1 陶瓷3D打印技術

陶瓷3D打印技術由計算機軟件系統和運動系統兩部分組成，計算機軟件系統構成三維模型、進行分層處理、生成運動代碼將數據傳輸到運動系統上，運動系統根據數據完成打印。目前的陶瓷3D打印技術主要有噴墨打印技術(Ink-Jet Printing,IJP)、熔化沉積成型技術(Fused Deposition Modeling,FDM/Fused Deposition Ceramics,FDC)、光固化成型技術(Stereo Lithography Apparatus,SLA/Digital Light Projection,DLP)、分層實體制造技術(Laminated Object Manufacturing,LOM)、激光選區熔化技術/激光選區燒結技術(Selective Laser Melting,SLM/Selective Laser Sintering,SLS)、三維打印成型技術(Three Dimensional Printing,3DP)、漿料直寫成型技術(Direct Ink Writing,DIW)[3-4]。

1.1 噴墨打印技術(IJP)

噴墨打印技術(IJP)可以應用連續式噴墨機(continuous ink-jet printer)和間歇式噴墨打印機(drop-on-demand jet printer)。根據打印原理可分為壓電式(piezoelectric drop-on-demand)和熱泡式(thermal drop-on-demand)[5-6]。IJP的原材料是由非金屬材料、分散劑、黏結劑、表面活性材料和其他輔助材料混合而成的“陶瓷墨水[7]”。其成型方法為：由計算機通過CAD等軟件建立三維模型，再由噴頭將陶瓷材料按模型進行逐層的圖案繪制完成打印。

連續式噴墨機利用工作腔內的恒定壓力，使墨水克服自身表面張力從噴嘴噴出，激勵振蕩器將墨流切斷成均勻大小的墨滴，利用偏轉電場控制墨滴在工作臺上的落點。間歇式噴墨打印機利用電子脈沖控制噴頭的多個噴嘴開啟，在壓力作用下，墨滴被噴射到打印面上。

此種打印技術的核心問題在于其原材料的配置。陶瓷墨水需要有良好的穩定性，保證其在打印過程中的形狀和密度的一致性，同時陶瓷墨水中的非金屬顆粒直徑必須足夠的小，以此來保證其在噴射過程中不出現堵塞噴頭的問題。

1.2 熔化沉積成型技術(FDM)

FDM技術的原料為熱熔性絲狀材料。其工藝原理如圖1所示[8]，絲狀材料在卷軸和壓輥的共同作用下垂直地送入噴頭中，噴頭的一個或多個加熱裝置將材料加熱熔化并按設計擠出，逐層累加，打印成型。熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，因此熱熔性材料擠出噴頭后，隨即與前一層面熔結在一起[9]。由于打印過程材料逐層累加，下層材料無法支撐上層材料的質量，所以FDM打印需要支撐結構。

Rutgers大學和Argonne國家實驗室率先將FDM成型方法用于陶瓷材料的加工制備，這樣的技術被稱為熔融沉積成型技術(Fused Deposition of Ceramics, FDC)[10]。FDC的原材料為陶瓷粉體和熱塑性聚合物，將陶瓷粉體和熱塑性聚合物在略高于其熔點的環境下熔化為流體狀，再通過計算機的控制使噴頭呈絲狀將流體從軸線上擠出，逐層沉積在平臺上，得到陶瓷生坯。

FDC技術具有對工作環境要求低、操作與前期工作簡單、成本較低等優點。但是其對噴頭的加熱溫度和材料性質要求較高。FDM噴頭需要對材料進行加熱以達到將絲狀材料轉化為流體材料的目的，溫度過高與過低直接影響到材料的性質，最終影響打印質量。熱熔型絲狀材料在常溫狀態下保證其為絲狀材料，且其應具有一定的彎曲強度、抗壓強度、拉伸強度及硬度，在材料熔化后應具有一定的流動性、黏稠度及適當的收縮率以此來保證加工優良的成品[11]。

1.3 光固化成型技術(SLA/DLP)

光固化成型技術包括立體光固化成型技術(SLA)和數字光處理技術(DLP)。美國Michigan大學的Griffith首先提出將光固化成型技術和陶瓷材料制備工藝相結合。光固化成型技術使用的材料為光敏樹脂和陶瓷粉末混合而成的漿料[12-14]。

如圖2所示[15]，SLA的工藝原理：由計算機軟件建立三維模型的切片并設定打印高度及其他參數，通過涂層板將漿料均勻地涂抹到工作平臺上，利用紫外線激光束按軟件設計逐點地照射漿料使其固化，由點到線，由線及面，完成一層切片的打印，工作臺下降一定高度，涂層板將漿料均勻地涂抹在打印完成的薄層上，繼續下一層的打印，逐層堆積直到完成陶瓷坯件。SLA采用紫外線激光束的直徑一般在幾十微米左右，制備的陶瓷坯件精度與均勻度高，通過進行后處理可提高其力學性能，得到高性能的陶瓷件[16]。

圖2 SLA光固化工藝示意圖[15]Fig.2 Schematic diagram of SLA light curing process[15]

DLP的工藝原理與SLA的工藝原理基本相同，不同之處是DLP運用了美國德州儀器公司的數字微鏡元件(Digital Micromirro Device,DMD)，DMD[17-20]裝置可使整層的圖像直接投影到整個區域，無需紫外線光束進行逐點的照射。與SLA相比,DLP打印速度大幅的提高，DLP的打印精度主要取決于DMD裝置的精度。

由SLA/DLP的工藝原理可知，光固化成型技術采用的陶瓷漿料須具有一定的流動性，以保證每一層漿料涂抹足夠均勻。DLP技術必須采用高固含量的陶瓷漿料以保證后處理的致密性[16]。制備高固含量的陶瓷漿料須提高漿料中陶瓷粉末的比例，陶瓷粉末含量過高將導致漿料黏稠，無法保證漿料具有足夠的流動性，由此可能導致漿料涂層不均勻，降低打印質量。Chabok等[21]采用了新的投影方式，一種自下而上的投影方法，將DMD裝置放置在運動機構的下部，通過鏡子將整層圖像投影到透明的桶底，在底部固化一層后，工作臺上移，固化表面與桶底表面形成微小縫隙，漿料的流動性使其填滿縫隙后形成均勻的薄層，開始下一層的累積，漿料具體固化位置由料桶的移動決定，桶底的PDMS[22]涂層防止在漿料固化過程中粘黏桶底。

光固化成型技術是利用紫外線使混合陶瓷粉末的光敏樹脂固化的原理，打印處的坯體具有表面質量高、力學性能好、尺寸精度高等優點，在制備復雜陶瓷零件或高精度零件上具有優勢。光固化成型技術的缺點也非常明顯，坯體在后處理過程中易損壞，光敏樹脂和陶瓷粉的配比不好掌握，混合而成的漿料是存在毒性的刺激材料且必須避光保存，工作環境要求苛刻，要求保證空氣流通、光線昏暗[23]。

1.4 分層實體制造技術(LOM)

分層實體制造技術(LOM)是一種薄片材料疊加工藝，所以又稱為薄型材料選擇性切割。該技術采用的打印材料是陶瓷薄片材料，其工作原理為將陶瓷薄片通過材料輥筒和壓輥放置在升降工作平臺上，激光切割器按設計切割陶瓷薄片形成加工件的一層截面，升降工作臺下降一定高度，材料輥筒和壓輥將未打印的陶瓷薄片放置在成型工件上，利用黏結劑或熱壓將薄膜與已成型工件黏結，采用激光切割器按設計切割未加工薄片，逐層切割累加成型。LOM利用陶瓷薄片的切割累加成型，是直接由面到體的成型方式，省略了其他技術由點到線、由線及面的加工過程[24]，這是LOM與其他3D打印技術相比的優勢。

LOM技術采用的陶瓷薄片可以利用流延法制備得到，國外對于流延法制備陶瓷薄片的技術已經比較成熟，原料獲取十分方便。LOM技術的成型速度快，前期準備工作簡單，但是材料利用率較低。其成型原理簡單，工作空間大，適合加工尺寸較大的零部件，但LOM技術加工出的零件力學性能較差、精度較低，不適合加工精密零件[25]。

1.5 激光選區熔化技術/激光選區燒結技術(SLM/SLS)

激光選區燒結技術(SLS)與激光選區熔化技術(SLM)都是利用激光束的能量對打印材料進行打印。

SLS技術成型過程如圖3所示[26]，壓輥將粉狀材料平鋪在工作平臺上，形成粉狀薄層，激光束按設計選擇性燒結粉狀材料，完成此層燒結后工作平臺下降一定高度，壓輥再次平鋪粉狀材料，繼續燒結，逐層累加直到完成打印[27]。SLS技術所采用的粉狀材料是有機物材料和陶瓷粉末的混合物。有機物材料作為一種黏結劑，它的熔點低于陶瓷粉末的熔點，在激光束照射下，低熔點的有機物材料熔化使高熔點的陶瓷粉末黏結在一起形成陶瓷坯體[28]。SLS技術的打印材料也可以是高熔點陶瓷粉末和低熔點有機物液體混合而成的漿料。與粉末材料打印成型過程相似，通過漿料鋪設、激光燒結逐層成型。SLM技術的成型過程和原理與SLS技術的相似，不同點是SLM技術采用的是陶瓷粉末材料，它通過激光束直接照射陶瓷粉末將其燒結成型。

圖3 SLS成型過程示意圖[26]Fig.3 Schematic diagram of SLS forming process[26]

SLM技術成型關鍵在于預熱和燒結溫度，但是目前還難以掌握對于不同陶瓷的最佳預熱和燒結溫度。SLM在打印材料、成型工藝及后處理方面發展還不成熟，加工出的陶瓷件性能不高，因此不作為實際應用的技術方法。

SLS技術的關鍵是打印材料，SLS技術發展也還不成熟，打印材料是限制其發展的重要因素之一[29]。目前主要應用的材料為碳化物、氧化物、氮化物[30]，材料中作為黏結劑的有機物材料的含量和種類直接影響到陶瓷坯體的密度及力學性能等方面。激光束的輸出能量與打印材料相匹配對成型精度、加工件結構和力學性能起決定性的作用。SLS技術的主要優點是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。SLS技術利用激光束對陶瓷材料進行燒結，其對工作環境和打印設備有較高的要求。燒結而成的陶瓷坯體在打印過程中所需的預熱系統和保溫系統也是SLS技術亟須解決的問題。

1.6 三維打印成型技術(3DP)

三維打印技術(3DP)主要分為相變反應型和物理型兩種，相變反應型包括光固化3DP技術和熔融材料3DP技術，物理型主要為黏結材料3DP技術[16]。

光固化3DP技術的工藝過程：多個噴頭按計算機軟件生成代碼將光敏樹脂和陶瓷粉末的混合體材料噴射在工作平臺上，利用紫外線激光照射混合物材料，光敏樹脂在紫外線的照射下立刻引發聚合反應，完成固化，在光敏材料的固化過程中，將陶瓷粉黏結在一起，在工作臺上形成一層薄膜，將工作臺下降一定高度進行下一層的打印，逐層堆積完成加工件。光固化3DP技術的加工周期短，且精度較高，但是高分子聚合成型力學性能差，固化過程體積收縮[31]。

熔融材料3DP技術利用的熱塑性陶瓷絲狀材料，與FDC技術的原材料相似，通過加熱噴頭將熱塑性陶瓷絲狀材料加熱熔融噴射，該技術對加熱噴頭的加熱溫度和噴射精度有較高的要求，導致加工成本高以及對精確度難以控制等缺點。光固化3DP技術和熔融材料3DP技術在陶瓷3D打印方面的應用都有明顯且不易改進的缺點，所以在實際加工中甚少使用。

針對陶瓷3D打印技術主要使用的是黏結材料3DP打印技術，該技術加工工藝原理如圖4所示[31]。壓輥將陶瓷粉末平鋪在工作平臺上，噴頭將黏結劑溶液按照加工件截面形狀噴射到陶瓷粉末上，噴有黏結劑處的陶瓷粉粘接在一起，下降工作臺開始新一層的打印，逐層累加形成加工件，將加工件取出，剩余陶瓷粉末可重復使用。

黏結成型3DP技術具有成型時間短、成本較低、打印材料范圍廣、材料利用率高等優點。由于材料鋪設不均勻或噴頭噴射效果及范圍的影響，加工出的成品精度不高且力學性能較差，須進行后處理工藝以提高其性能。

1.7 漿料直寫成型技術(DIW)

漿料直寫成型技術(DIW)最早由Cesarano等[32]提出，并建立如圖5所示的設備模型，出料裝置安裝在Z軸方向上，由計算機軟件控制Z軸運動。平臺安裝在X-Y平面上。其工藝過程為出料裝置按計算機軟件生成的路線移動且同時出料在平臺上，完成一層打印后，Z軸上升一定高度，繼續下一層的打印過程，逐層累加直到打印完成。

圖4 黏結成型3DP工藝示意圖[31]Fig.4 Schematic diagram of the 3DP process[31]

圖5 漿料直寫成型設備示意圖[32]Fig.5 Schematic illustration of the DIW deposition apparatus[32]

DIW技術針對陶瓷打印采用的材料主要為水基膠體漿料和有機物基陶瓷漿料。Lewis等[33-35]提出了水基膠體漿料的三維功能陶瓷的制備。Sun等[36]采用甲基丙烯酸甲酯、季戊四醇三丙烯酸酯、苯乙酮為溶劑制備BaTiO3光敏漿料，利用DIW技術，通過出料裝置擠出直徑為300μm的線條并將其堆疊成木堆結構。水基膠體材料的黏彈性可在多個數量級范圍內進行調控，并可成型有圖案和跨距的線條。在使用過程中，水基膠體漿料需被針頭順利地擠出，并且沉積在工作平臺上可順利成形，保證下層漿料可以支撐上層漿料。為減少干燥導致的體積收縮現象，水基膠體漿料需有較高的固相含量。有機物基陶瓷材料和水基陶瓷材料相比穩定性更好、保存周期長、不易干，缺點是制備周期長。DIW技術的優點是對加工環境要求低，在常溫下即可進行，無需加熱，無需激光、紫外線的輻射[37]。

2 陶瓷3D打印材料

2.1 陶瓷3D打印材料分類

陶瓷3D打印主要運用的材料按照形態可分為漿材、粉材、絲材、片材[38]。漿材一般由有機物液體和陶瓷粉末混合攪拌制得，主要應用于DIW技術、SLA技術，粉材是陶瓷粉末有機物顆粒的混合粉末或陶瓷粉末，主要應用于SLM技術、SLS技術、3DP技術，絲材主要是應用于FDM技術的熱熔性絲狀材料，片材指陶瓷材料薄膜，主要用于LOM技術。

2.2 陶瓷3D打印的常用材料

2.2.1 磷酸三鈣陶瓷(Tricalcium Phosphate,TCP)

磷酸三鈣陶瓷(TCP)又稱磷酸三鈣，存在多種晶型轉變，主要分為β-TCP和α-TCP[39]。磷酸三鈣的化學組成與人骨的礦物相似，與骨組織結合好，無排異反應，是一種良好的骨修復材料[40]。磷酸三鈣天然的生物學性能使其多用于醫學領域。目前的研究多選用β-TCP，因為α-TCP的溶解度過大，植入人體后降解快，無法發揮人工骨的作用[41-43]。袁景等[44]利用3D打印技術制備出高性能多孔β-TCP骨組織工程支架。吳成鐵、常江等通過3D打印的方法制備有序大孔結構的錳-磷酸三鈣(Mn-TCP)生物陶瓷支架[45]。TCP材料應用于陶瓷3D打印技術在國外的發展已經比較成熟，表1[46]列舉了TCP材料應用的實例。

表1 3D打印應用于骨組織工程[46]Table 1 3D printing for bone tissue engineering[46]

2.2.2 氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷是氧化物陶瓷中應用最廣、用途最寬、產量最大的陶瓷材料[54]。氧化鋁陶瓷具有高抗彎強度、高硬度、優良的抗磨損性等特性，被廣泛地應用于制造刀具、磨輪、球閥、軸承等，其中以Al2O3陶瓷刀具應用最為廣泛。傳統工藝制備氧化鋁陶瓷件工序復雜、生產時間長，3D打印技術大幅提高了氧化鋁陶瓷的生產效率,并降低了生產成本。

在陶瓷3D打印技術中，為了保證陶瓷坯體具有良好的力學性能，氧化鋁材料一般與有機物混合制成漿材、粉材或與其他合金粉末制成粉材。Zhou等[55]將有機物的混合溶液加入氧化鋁粉末和分散劑(聚乙烯吡咯烷酮K15)球磨18h，之后進行攪拌和真空處理，得到打印漿料。利用SLA技術、液體除濕和兩步脫脂工藝制備出相對密度為99.3%的氧化鋁刀具樣塊。唐城城等[56]利用SLS技術制備以Al2O3/PA12復合粉體為材料的陶瓷件坯體。Melcher等[57]利用3DP技術制備氧化鋁陶瓷件坯體，通過馬鈴薯糊精和分散劑溶解在60℃水中，再加入Al2O3粉末攪拌30min，對攪拌后的漿料進行至少24h的冷凍干燥，混合料干燥后通過150μm的網格進行過濾，得到打印粉末。氧化鋁坯體的孔隙由壓泵測量得出，待無壓后滲透銅合金制備多孔氧化鋁陶瓷試件，結果表明試件的斷裂性能得到明顯的改善。Wilkes等[58]利用SLM技術制備出ZrO2-Al2O3陶瓷試樣，ZrO2-Al2O3陶瓷試樣不經過燒結和后處理密度可達到100%、抗彎強度為500MPa且無裂紋。

2.2.3 陶瓷先驅體

陶瓷先驅體是用化學方法合成的一類聚合物。1976年，Yajima等[59]利用有機高分子先驅體聚碳硅烷裂解制備出SiC陶瓷纖維，開創了先驅體轉化制備陶瓷及其復合材料的先河。無機陶瓷可通過陶瓷先驅體即有機聚合物進行高溫裂解處理得到[60]。陶瓷先驅體在惰性氣體保護的熱處理過程中熱解成SiC,Si3N4,BN,AlN,SiOC,SiNC等陶瓷基復合材料，并釋放揮發性氣體[61]。揮發性氣體的釋放使體積收縮，引起陶瓷產品產生裂紋和孔隙，導致材料致密度降低，此問題可通過合成高陶瓷產率的陶瓷先驅體、加入填料(惰性填料、活性填料)的方法解決[62-63]。相較于傳統的陶瓷粉末加工方式，陶瓷先驅體轉化制備陶瓷的過程減少了燒結過程，降低了制備過程中對溫度的要求，無需加壓，無需添加燒結添加劑，提高了陶瓷材料的力學性能。Eckel等[64]利用常規光固化技術(SLA)得到聚合物陶瓷先驅體，熱裂解將陶瓷先驅體轉化為陶瓷件。

熱解得到陶瓷的成分、顯微組織和產量受陶瓷先驅體的結構與成分的影響。目前，陶瓷先驅體主要應用于合成陶瓷纖維和致密陶瓷的合成。應用較成熟的陶瓷先驅體為聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)、聚硅氮烷(Polysilazane,PSZ)、聚硅氧烷(Polysiloxane,PSO)、聚硅烷(polysilane)[65]。PCS陶瓷先驅體是抗氧化性能較好的碳化物，具有良好的力學性能、穩定的化學性能及抗震性能等優點，主要應用于制備陶瓷纖維和陶瓷涂層。史毅敏等[66]運用SiC陶瓷特殊的電性能和極好的吸波性通過聚碳硅烷經氧化交聯固化、熱解制備SiC陶瓷吸波材料，通過改變交聯溫度和熱解溫度確定制備吸波性較高的SiC陶瓷的工藝參數，發現170℃預氧化的PCS，在1200℃熱解溫度下生成的SiC陶瓷具有較好的吸波性能。

氮化硅陶瓷及氧化硅陶瓷主要由聚硅氧烷陶瓷先驅體在惰性氣體和NH3熱裂解制得。PSO的成本較低，且裂解得到的陶瓷先驅體性能優良，是理想的制備陶瓷先驅體的聚合物先驅體材料。PSO具有光致發光(肉眼可見)、高硬度、半導電性等特性，所以多用于制備特殊陶瓷薄膜及光電器件等[67]。

陶瓷先驅體普遍具有穩定化學性能及優良的力學性能和獨特的電學性能，目前許多研究利用幾種陶瓷先驅體進行交聯或向陶瓷先驅體混入其他化學物質等方法以期獲得更卓越的性能。簡科等[68]將聚碳硅烷和聚硅氮烷陶瓷先驅體交聯得到高強度的SiC/Si3N4復相陶瓷，通過實驗得出交聯條件為溫度120℃、壓力2MPa、時間6h時, 得到的交聯產物外觀較好, 陶瓷產率較高,達到77.8%。陳曼華等[69]利用含乙烯基和硅氫鍵的聚硅氮烷(ViHPSZ)在氯鉑酸催化下進行交聯制備陶瓷產物。實驗表明聚硅氮烷在交聯過程中質量損失少，陶瓷產物致密度高。

由于陶瓷先驅體轉化陶瓷的特殊性質，其主要應用于SLA技術。陶瓷先驅體具有多種優良的性能，通過陶瓷3D打印技術將極大地提高其利用率，在航空航天、電子、先進武器等方面具有廣闊的發展前景。

2.2.4 SiC陶瓷

SiC陶瓷又稱金剛砂，具有高的抗彎強度、優良的抗氧化性與耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦因數等高溫力學性能。SiC陶瓷在已知陶瓷材料中具有最佳的高溫力學性能(強度、抗蠕變性等)，其抗氧化性在所有非氧化物陶瓷中也是最好的。Polzin等[70]以Solupor-Binder聚合物作為液體結合劑，將粒徑小于50μm的SiC細粉用來制備陶瓷粉料，采用直接噴墨打印成型。在Ar氣氛保護下，2200℃保溫3h可制備氣孔率55%，抗彎強度9.74MPa，抗壓強度19.65MPa的碳化硅多孔陶瓷。

2.2.5 Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷具有高強度、低密度、耐高溫等特性，是一種優異的高溫工程材料。它的強度可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會熔成融體，一直到1900℃才會分解，并且具有極高的耐腐蝕性，同時也是一種高性能電絕緣材料。Cappi等[71]制備出Si3N4油墨，使30.2%α-Si3N4和2.3%(體積分數)燒結助劑以及分散劑經2h的高速機械球磨(研磨介質為氧化鋁研磨球)混合得到可保證打印效果的Si3N4陶瓷漿料。多孔氮化硅陶瓷結合了多孔陶瓷和氮化硅陶瓷的優點[72]，也是一類常見的非氧化物陶瓷材料。Li等采用三維印刷與無壓燒結相結合的技術，制備了孔隙率高于70%的多孔硅陶瓷材料[73-74]。

2.2.6 碳硅化鈦陶瓷(Ti3SiC2)

3 陶瓷3D打印技術的發展趨勢

陶瓷3D打印有諸多優點，例如：復雜的生產程序變得簡單化，極大減少了人力和物力的投入，縮短了產品制造的時間，節約了材料，降低了成本，解決結構復雜零件難以加工的問題。目前，陶瓷3D打印的市場需求主要包括以下3個方面[76]：

(1)與傳統陶瓷工藝相結合，實現陶瓷制品的快速生產。一般陶瓷制品如日用陶瓷產業，須應對多樣化的市場需求，應加快產品的開發、生產速度，滿足客戶的定制要求。傳統陶瓷制造工藝包括注漿成型、壓制成型等。傳統陶瓷制造工藝周期長，后期再加工工藝繁瑣，且在制作特殊形狀制品時需要不同的模具，無法同時滿足定制客戶對于時間及式樣的雙重需求。陶瓷3D打印滿足市場發展需要，在陶瓷工業的升級轉型中脫穎而出。

(2)生物陶瓷制品的制造。生物陶瓷主要應用于醫學方面，生物陶瓷特有的可降解性使其主要應用于醫用支架等。生物陶瓷3D打印將帶動高端醫療領域的突破發展。

(3)高性能陶瓷功能零件。陶瓷具有優良的化學性能、物理性能和力學性能，例如高強度、高硬度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、防潮、良好的絕緣性、一定的抗急冷急熱等。高性能陶瓷零件在航空航天、高端武器、船舶、汽車、電子等領域具有良好的應用前景，如可在航天飛機上應用的耐高溫陶瓷片等，陶瓷3D打印技術的應用將使陶瓷零件在高精尖領域具有極大的發展前景。

陶瓷3D打印的產業化應用還未全面成型，其難點在于實現其高效率、高品質的生產，同時高致密度的大型復雜零件的制造也是其亟待解決的問題；因此對陶瓷3D打印設備及材料的研究引起了國內外學者的廣泛關注。近年來我國對增材制造的發展愈加重視，實現陶瓷3D打印開展大規模產業化應用將是我國乃至世界的發展目標。

4 結束語

本文從技術和材料兩個方面介紹了陶瓷3D打印，針對陶瓷3D打印制備陶瓷件的過程存在對工作環境要求高、打印陶瓷制品尺寸有一定局限性、打印陶瓷制品致密度低等問題，解決上述問題需對打印材料及打印設備進行改進。國外對于陶瓷3D打印的研究較國內成熟許多，尤其是在生物陶瓷制品即醫學方面的應用。我國3D打印研究起步較晚，經國家政策大力支持，目前我國許多高校成立了實驗室并出現了一批生產3D打印機的企業，但是針對陶瓷3D打印開展大規模產業化應用仍十分困難。

陶瓷3D打印的出現對陶瓷產業的影響作用是巨大的，并且對陶瓷應用于航空航天、高端武器、電子等高精尖產業的推動和帶來的效益無法估量。根據我國科技部組織制定的《“十三五”先進制造技術領域科技創新專項規劃》，可預見陶瓷3D打印光明的發展前景。