陶瓷3D打印技術(shù)及材料的研究現(xiàn)狀綜述

徐若夢

沈陽廣播電視大學(xué) 遼寧 沈陽110003

近幾年來，陶瓷材料被應(yīng)用電子領(lǐng)域、機械領(lǐng)域、國防領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。相比金屬和高分子材料，陶瓷具有極高的力學(xué)性能，比如高耐溫性、高硬度、高耐磨性等，同時在電、熱、光、生物相容等學(xué)科都發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。陶瓷材料加工性能比較差，傳統(tǒng)的技術(shù)無法使陶瓷材料成型，因此陶瓷制品的生產(chǎn)周期會比較長，成本也會比較高，因此陶瓷材料無法滿足人們?nèi)粘５男枨蟆?D打印技術(shù)是一種增加產(chǎn)能的手段，能夠快速生成一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷型體，制備性能極高的復(fù)合陶瓷零件，減少制造的時間，促進陶瓷材料的應(yīng)用范圍。

一、陶瓷3 D打印技術(shù)素胚成型的研究

3D打印陶瓷材料形態(tài)導(dǎo)致包括液體材料、粉質(zhì)材料、線性材料和塊狀材料集中不同類型。

(一)液體陶瓷的3D打印技術(shù)。液體陶瓷原料包括有機液體和陶瓷粉末，一般應(yīng)用在SLA和DI W中。SLA的打印原理是紫外線利用軟件切片三維模型的掃描路徑，針對液態(tài)光敏樹脂一次實施掃描和固化處理，形成實體原型。SLA發(fā)揮的優(yōu)勢為成型的精準(zhǔn)度更高，一般用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的陶瓷制品，不過應(yīng)用的難點就是光敏樹脂陶瓷原料的配置以及光固化成型技術(shù)的參數(shù)調(diào)節(jié)等。第一，要選擇合理的光敏聚合體系，了解陶瓷顆粒在光敏樹脂中的分散程度、漿料陶瓷的固相含量等。如果原料中的固相含量較低會導(dǎo)致陶瓷制品密度較差，后期排膠和致密化過程中也會出現(xiàn)形態(tài)變形、開裂等問題，如果固相含量較高，會導(dǎo)致漿料粘稠度較高，流動性較差，陶瓷素胚成型后表面會更加粗糙[1]。要制備粘度較低、固相含量高、流動性好的材料，就要選擇合理的分散劑、陶瓷粒度，充分考慮陶瓷粉體表面改性等問題解決。第二，素胚成型的過程中，工藝參數(shù)是保證素胚質(zhì)量的基礎(chǔ)。陶瓷顆粒對紫外光具有散射作用，因此也要分析紫外光曝光強度、掃描速度等因素對固化厚度造成的影響。掃描的速度越高，那么激光在原料中的能量密度就會越低，陶瓷顆粒散射就會越低，如果掃描速度太快也會導(dǎo)致光敏樹脂固化不徹底。單層固化厚度高于分層的厚度，才能促進兩層粘連成型。因此，3D打印技術(shù)的參數(shù)設(shè)置合理對提高陶瓷質(zhì)量有重要意義，光敏樹脂分散的顆粒對紫外光具有散射效果，會改變固化的特性，會影響打印成品的成型精準(zhǔn)度。

DI W成型原理為，利用計算機輔助針對圖形做好相應(yīng)設(shè)計，在基板可控的位置上沉積陶瓷原料，反復(fù)疊加最后構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)。DI W不需要利用紫外光或者激光來實現(xiàn)固化，因此DI W的成型的主要難點在于漿料的制備工藝上，要提高制備質(zhì)量就要滿足以下兩個條件：第一，沉積在基板后要維持形狀和跨距，因此漿料就需要具有剪切致稀和可調(diào)控粘彈性的特點，擠出后能夠保持凝固不會出現(xiàn)形狀的改變。第二，漿料固體含量較高，能夠有效降低干燥和燒結(jié)導(dǎo)致的體積收縮情況[2]。

3D打印的陶瓷材料研究包括漿料的粘度、分散性、陶瓷粒度以及固體含量等因素，由于不同陶瓷的成型原理各不相同，SLA 技術(shù)是利用紫外光照射促進光聚合反應(yīng)而實現(xiàn)固化，加入陶瓷粉體后，漿料具有透光性，能夠促進光聚合反應(yīng)，成型后還具有一定的厚度，成型的過程中，SLA 技術(shù)必須考慮紫外光曝光強度、掃描速度等因素。DI W技術(shù)不需要紫外光的參與，因此漿料制備也不需要考慮引發(fā)劑、預(yù)聚體等因素，是通過控制粒子結(jié)合來獲得膠體漿料，不僅具有高濃度粘彈性，也能順利擠出。

(二)粉體陶瓷3D打印技術(shù)。粉體材料是陶瓷粉末與有機粘結(jié)劑結(jié)合的產(chǎn)物，常用于SLS、SL M、3DP等成型中。SLS打印陶瓷制品需要在陶瓷粉體中添加粘接劑，以促進激光掃描下利用粘結(jié)劑促進陶瓷的成型。因此，要選擇合適的粘結(jié)劑，保持低熔點、地液態(tài)粘度等特點，從而才能發(fā)揮有效的粘結(jié)效果。納米陶瓷顆粒在鋪粉的過程中會產(chǎn)生靜電和聚團的情況，因此需要采用良好的粘結(jié)劑將陶瓷顆粒包覆起來，不僅能夠促進納米陶瓷顆粒的聚集，才能提高其流動性[3]。成型中，控制好打印技術(shù)的參數(shù)也是重點內(nèi)容，陶瓷素胚成型效果受到激光能量密度的影響，激光能量密度又受到激光功率、掃描間距、掃描速度等因素影響。

(三)陶瓷線材3D打印技術(shù)。陶瓷線材3D打印主要技術(shù)為FDC，是從FDM技術(shù)演變而來的，陶瓷粉體與高分子材料結(jié)合起來，擠出呈細(xì)絲，根據(jù)規(guī)定的路徑層層疊加成型，然后通過脫脂、燒結(jié)等處理手段獲得陶瓷制品。打印技術(shù)的材料要制成細(xì)絲狀，抗彎強度較高，熔融后會具有較高的粘度和流動性，成型精準(zhǔn)度較差。

(四)陶瓷塊狀3D打印技術(shù)。陶瓷塊狀3D 打印主要為LOM技術(shù)，是通過流延成型技術(shù)將原料成型為薄膜，然后將薄膜層層堆砌起來，根據(jù)設(shè)計圖案進行掃描和切割，重復(fù)多次后形成三維模型。

二、小結(jié)

3D打印陶瓷技術(shù)各有各的優(yōu)勢，也各有其局限性。各種3D 打印技術(shù)原理各不相同，常見的問題為原料制備、成型工藝控制、致密化燒結(jié)等。陶瓷素胚成型上來說，相同形態(tài)的原料制備和要求擱置相同。相同形態(tài)的陶瓷的研究可以提供一定參考，不過也要注意根據(jù)不同成型原理對材料提出的要求。