陶瓷3D打印技術發展現狀與研發趨勢*

石海信 王廷革 王愛榮 梁彩媚 王曉麗 張瑞瑞

(1 欽州學院 廣西 欽州 535011)(2 廣西欽州千秋陶業有限公司 廣西 欽州 535000)

陶瓷3D打印，又稱作陶瓷增材制造，是指將需要的陶瓷制品的三維模型文件通過3D打印機將陶瓷材料逐層疊加精確堆積，迅速制造成所需陶瓷制品的技術[1]。陶瓷3D打印技術是將數字建模、機電控制、信息、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術融入到傳統的陶瓷制作工藝中，拓展了傳統陶瓷設計潮流，同時也彰顯了新時代個性化創造的活力和潛力，使古老的陶瓷制造業換發出新的活力。材料是陶瓷3D打印的物質基礎，也是當前制約陶瓷3D打印發展的瓶頸。本文對陶瓷3D打印的噴擠堆積成形技術、分層粘合疊加成形技術、選擇性激光燒結成形技術以及相應的打印材料進行分析，在此基礎上提出陶瓷3D打印技術的研發趨勢，為3D打印技術在陶瓷行業推廣應用提供參考。

1 陶瓷3D打印成形技術

1.1 成形原理

3D打印實際上是一系列快速原型成形技術的統稱，其基本原理就是疊層制造，由快速原型機在X-Y平面內通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標間斷地作層面厚度的位移，最終形成3D打印件[2]。圖1給出了3D打印技術基本工作原理圖。

圖1 3D打印技術基本工作原理示意圖

從圖1可以看出，與傳統制陶工藝(旋轉拉坯、注漿成形、手拍成形等)相比，3D打印技術是將陶瓷坯體的三維實體加工變為由點到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過程，極大地降低了制造復雜度，突破了傳統制坯技術在形狀復雜性方面的技術瓶頸，能夠快速制造出傳統制坯工藝難以加工、甚至無法加工的復雜形狀及結構特征，極大地拓展了陶瓷工藝美術大師的想象空間，使得制陶大師及工匠對三維陶瓷器皿天馬行空般的想象力和創造力變得可能付諸實踐。

1.2 成形技術

1.2.1 噴擠堆積成形技術

該技術利用擠出式噴頭，在持續壓力作用下，將噴嘴工作腔內的牙膏狀泥料持續不斷地從噴嘴中擠出，在空氣中固化后逐層堆積，最終得到陶瓷坯體[3]。該種打印模式可以采用多個噴頭，同時噴射不同的泥料，能打印出具有多種色彩的陶瓷坯體。該技術最初來源于建筑行業的3D打印。1997年美國學者JosephPegna提出的一種適用于水泥材料逐層累加并選擇性凝固的自由形態構件的建造方法[4]。2001年，美國南加州大學教授BehrokhKhoshnevis提出了稱為“輪廓工藝(Contour Crafting)”的建筑3D打印技術，通過大型3D擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴實現混凝土的分層堆積打印[5]。以色列火龍理工學院的Studio Under工作室開發了一種彩色陶瓷3D打印技術，將特制的彩色粉末混入陶瓷粘土中，然后用擠出式的3D打印噴頭打印出來，從而得到彩色陶瓷制品[6]。

1.2.2 分層粘合疊加成形技術

該技術是通過噴擠粘結劑來選擇性粘結陶瓷泥料以實現陶瓷器皿的堆積成形[7]。該技術的具體工藝過程為：上一層粘結完畢后，成形缸下降一個距離(等于層厚0.013～0.1 mm)，供粉缸上升一高度，推出若干粉末并被鋪粉輥推到成形缸，鋪平并被壓實，噴頭在計算機的控制下，按下一建造截面的成形數據有選擇地噴射粘結劑建造層面，鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集，如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘結。未被噴射粘結劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結束后比較容易去除。該技術操作簡便、產品具有高孔隙率、原料應用范圍廣、支架表面光滑，其缺點是產品力學強度不高，產品需進行后處理等。2007年，英國Monolite公司的意大利工程師Enrico Dini提出了一種粘結劑在設備外逐層選擇性粘結砂石粉末累積成形即D型(D-shape)，并于2009年成功打印了一座高為1.6 m的雕塑[8]。

1.2.3 選擇性激光燒結成形技術

該技術是將陶瓷粉末和某種粘結劑粉末所組成的混合物，通過3D打印成形后，利用激光使熔點較低的粘結劑粉末熔化，從而使陶瓷粉末粘結在一起[9]。具體成形工藝為：3D打印機送料筒上升，移動鋪粉滾筒，在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后由激光器發出激光束，在計算機控制下按照截面輪廓對部分選定區域的粉末進行燒結，將有粘結劑的粉末熔化形成一體化的打印層；第一層燒結完成后，工作臺將下降一截面層的高度，同時鋪粉滾筒在已有的打印層上鋪下一層粉末，進行下一層燒結，如此循環，形成3D打印產品。該技術非常適合于以高分子聚合物為基礎，復合陶瓷、玻璃、纖維、金屬等粉末的復合材料打印制品的成形。

2 陶瓷3D打印材料

2.1 噴擠堆積成形泥料

2.1.1 稠度

噴擠堆積成形所采用的泥料通常要配制成泥漿，此泥漿要有恰到好處的稠度，因為打印時泥料要通過輸送管道輸出，通過3D打印頭擠出成形。稠度過大，則泥漿流動性差，容易造成打印輸送管道的堵塞；稠度過小，泥漿流動性過大，在打印過程中無法打印堆疊。最好是通過試驗尋找合適的泥料配方，使泥料具有剪切稀化性能，泥料在剪切下從噴嘴中平滑擠出，擠出后外力消除泥料恢復其原有的力學性能以保持其形狀，并承受后擠出泥料的質量。為了保證打印泥料滿足稠度要求，可考慮在泥料中添加減水劑，以使泥漿具有合適的稠度。Wang等[10]利用3D打印技術進行了陶瓷部件的漿料打印成形實驗，測定了鈦酸鋇陶瓷在不同剪切速率和不同溫度下的粘度值，發現在不同溫度下鈦酸鋇漿料的粘度值沒有顯著差別。研究表明，鈦酸鋇陶瓷具有很好的耐高溫性和化學穩定性，有利于陶瓷材料在3D打印中的應用。

2.1.2 凝結時間

泥料需要有較短的凝結時間，因為3D打印過程迅速，在打印過程中新疊加的上層泥料會對下層泥料產生重力作用，當上層泥料堆積過多而下層泥料還沒有完全凝結硬化，就沒有足夠的支撐強度，則已成形的坯體就會發生變形。可考慮在泥料中添加速凝劑，以調節或縮短泥漿的凝結時間。

2.1.3 力學性能

傳統陶瓷制品多數是以拉坯工藝制作的、以圓形器物為主的整體為曲線圓滑過渡，有利于消除坯品應力，減少因泥料收縮率大而造成燒制過程中棱角處開裂現象[11]。而3D打印作品可具有更靈活的創新，能隨意可打印出多棱角產品，此類產品應力較大，極容易造成制成品因應力作用而開裂。所以，在改良傳統陶瓷泥料時，要設法減少泥料收縮率，以避免應力對陶瓷制品整體結構產生影響。

2.2 粘合類成形泥料

粘合類泥料由陶瓷粉末，如氧化鋁(Al2O3)、硅酸鋁(Al2SiO5)、氧化鋯(ZrO2)、羥基磷灰石(HAP)以及粘合劑等構成[12]，不同泥料與粘合劑組合時，要嚴格控制陶瓷粉末和粘合劑粉末比例，因為不同的配比會影響到陶瓷零部件的性能，如粘合劑含量較少時，難以燒結成形，粘合劑含量過高時，會導致后處理過程中陶瓷產品出現較大收縮，嚴重時會使陶瓷制品表面開裂。同時還應控制陶瓷顆粒的尺寸大小，陶瓷顆粒越小，表面越接近球形，燒結效果越好[13]。

2.3 復合材料

陶瓷3D打印所用的復合材料主要由陶瓷與光敏樹脂復配而成。美國Tethon 3D公司推出的Porcelite材料，就是一種結合了陶瓷材料的光敏樹脂[14]，它既可以像其他光敏樹脂一樣，在立體光造型(SLA)打印機中通過UV光固化工藝成形，而在3D打印出來之后，又可以像陶坯那樣放進窯爐里通過高溫煅燒變成100%的瓷器。最重要的是，這樣處理之后的成品不僅具有瓷器所特有的表面光澤度，而且還保持著光固化3D打印所賦予的高分辨率細節。

3 研發趨勢

陶瓷3D打印技術是傳統陶瓷制作工藝與現代智能制造技術的完美結合，這項技術提供了智能陶瓷制造的新方法、新工藝及新技術，給傳統陶瓷產業注入新的活力。誠然，由于該技術在陶瓷行業應用時間較短，還存在著諸如變形開裂等問題。為了更好地利用與發展陶瓷3D打印技術，未來可從以下3個方面加強研究。

3.1 打印材料與成形工藝理論研究

國外3D打印技術是基于理論基礎的打印工藝控制，而國內更多的是依賴于經驗和反復的試驗驗證，導致我國增材制造工藝關鍵技術整體上落后于國外先進水平。對于陶瓷3D打印技術來說，要根據陶瓷材料特點，深入開展成形工藝與泥料組成之間關系的理論研究，尋找陶瓷3D打印泥料組成-打印工藝參數-產品性能指標的“關系數據鏈”[15]，開發泥料質量測試程序和方法，建立陶瓷3D打印產品性能(質量)評價標準，推進陶瓷3D打印技術的系列化、標準化、綠色化。

3.2 智能化打印裝備研究

目前陶瓷3D增材制造裝備在軟件功能和復雜器皿一體化打印方面還有許多問題需要優化。例如，陶瓷制品中的壺類(如提樑壺上方的抓手、茶壺邊上的把手及壺嘴等)采用3D打印技術進行打印時，如何添加工藝支撐等結構以實現抓手、壺嘴等懸臂類組件的制備，以實現對陶瓷3D坯體在質量、結構強度、翹曲變形方面的控制，并使打印完成后的粉料或支撐物自動地智能化去除。再如，利用復合材料進行陶瓷產品打印時，如何將復合材料組織設計與外觀形狀設計能在微觀到宏觀尺度上同步制造，以實現對陶瓷產品“材料-設計-制造”的-體化生產[16～17]。諸如此類問題的攻克將會使陶瓷智能化3D打印設備得以走向普及。

3.3 外觀設計知識產權保護研究

陶瓷3D打印技術的意義，不僅在于改變了傳統陶瓷制作所必須經歷的原料煉制、坯體成形、坯體裝飾、燒制成形等工藝，而且也在一定程度上影響了陶瓷產品外觀設計的知識產權規則。該技術的出現，使陶瓷行業的成功不再取決于生產規模，而取決于創意。然而，單靠創意也是很危險的，由于3D打印直接從圖形到實物的特點，無論是創作者還是模仿者，均可以在不需要了解產品技術細節的情況下，僅憑借對產品形狀結構的描述，就能制造出相應的產品[18]，創作者競爭優勢的獲得和保持將變得前所未有的困難，從而嚴重地打擊創作者創新的積極性。因此，陶瓷3D打印成形工藝設計或產品的外觀設計需要研究相應的知識產權保護方案，以使陶瓷3D打印作品能有經典之作傳承下來，從知識產權保護角度助推陶瓷3D打印技術健康有序發展。