3D打印陶瓷材料的成型及研究進(jìn)展

魔猴君  行業(yè)資訊   1979天前

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，又稱為增材制造，它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)結(jié)合了材料技術(shù)、數(shù)字建模、信息處理等多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，打破了傳統(tǒng)加工的思維模式，被視為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)在珠寶、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)及其他領(lǐng)域都有應(yīng)用。

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫和耐腐蝕等性能，廣泛應(yīng)用于生物、機(jī)械工程等領(lǐng)域，但由于其硬而脆的特性造成陶瓷的成型加工困難、加工工藝成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)將會(huì)大幅減少陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的利用具有推動(dòng)作用。

1.3D打印陶瓷技術(shù)

目前陶瓷3D打印技術(shù)主要有激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）、三維打印技術(shù)（3DP）和噴墨打印技術(shù)（IJP）等。

1.1激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）主要通過(guò)壓輥、激光器、工作臺(tái)3個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)。其具體原理是通過(guò)壓輥將粉末鋪在工作臺(tái)上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺(tái)下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復(fù)操作同一步驟，最后打印成品。[2]

激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。由于成型過(guò)程中需要激光的引入，粉末需要預(yù)熱和冷卻，成型周期較長(zhǎng)，后續(xù)處理工藝復(fù)雜。同時(shí)由于所采用的原料粉需要能在激光作用下粘結(jié)并且高溫完全燒成，因而能夠制備的產(chǎn)品種類有限。

1.2熔融沉積成型技術(shù)（FDM）

熔融沉積成型技術(shù)的原料是熱熔性陶瓷材料，多數(shù)被制作成便于存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)慕z狀。熔融沉積打印設(shè)備主要是由配合送料輥、導(dǎo)套和噴頭三個(gè)部分組成的。開(kāi)始時(shí)，熱熔絲狀材料通過(guò)送料輥，在從動(dòng)輥與主動(dòng)輥的共同運(yùn)作下進(jìn)入導(dǎo)向套，導(dǎo)套的摩擦系數(shù)較低，使絲狀物料準(zhǔn)確、連續(xù)地進(jìn)入噴嘴。物料在噴頭內(nèi)受熱熔化，根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字模型進(jìn)行打印。[3]

熔融沉積成型技術(shù)不需要激光技術(shù)的幫助，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是打印過(guò)程需要支撐結(jié)構(gòu)，在堆積打印的過(guò)程中，隨高度增加，上部分質(zhì)量增加，下部材料強(qiáng)度不足以支撐和固定上部材料。尤其是在打印形狀復(fù)雜的制品時(shí)，上層打印物往往比下層打印物面積更大，為了使陶瓷制品在打印中不崩塌，需要外設(shè)支持結(jié)構(gòu)。

熔融沉積成型技術(shù)原理簡(jiǎn)單，過(guò)程相對(duì)易于控制，但打印過(guò)程需要較高溫度將打印材料熔化，這就要求材料在熱熔化后不易分解且保持適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。為了滿足制品結(jié)構(gòu)性能要求，打印材料要具有一定的抗壓強(qiáng)度和一定的剛度。為保證材料的尺寸精度，材料在凝固成型過(guò)程中的收縮率不能過(guò)大。因此陶瓷熔融沉積成型技術(shù)受到了很大的制約。

1.3分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）

分層實(shí)體制造是利用激光切割陶瓷薄膜片材，采用背面涂有熱熔膠的薄膜片材為原料，層與層間依靠加熱和加壓粘結(jié)，各層形狀累積疊加起來(lái)成為實(shí)體件。熱熔膠里含有樹(shù)脂，有機(jī)粘結(jié)劑等，通過(guò)熱熔膠機(jī)送到被粘合物表面，熱熔膠冷卻后即完成了粘合。[4]分層實(shí)體制造技術(shù)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(shù)由點(diǎn)到線、由線及面的加工過(guò)程，這是分層實(shí)體制造技術(shù)與其他3D打印技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)。

分層實(shí)體制造技術(shù)采用的陶瓷薄片可以利用流延法制備得到，國(guó)外對(duì)于流延法制備陶瓷薄片的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，原料獲取十分方便。分層實(shí)體制造技術(shù)的成型速度快，前期準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，但是材料利用率較低。其成型原理簡(jiǎn)單，工作空間大，適合加工尺寸較大的零部件，但分層實(shí)體制造技術(shù)加工出的零件力學(xué)性能較差、精度較低，不適合加工精密零件。

1.4三維打印技術(shù)（3DP）

三維打印技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制精密噴頭先將粘結(jié)劑溶液按照零件界面形狀噴射在鋪平的陶瓷粉末上，再將粉末粘結(jié)在一起形成零件輪廓，如此層層堆積，最后進(jìn)行后期處理得到所需零部件。

三維打印技術(shù)成型原理簡(jiǎn)單，能適應(yīng)打印多種陶瓷材料，如氧化鋯陶瓷、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等。由于該工藝采用噴射黏結(jié)劑的方式粘結(jié)，因此黏結(jié)劑的選擇以及配比比例非常重要。符合要求的黏結(jié)劑必須有適當(dāng)?shù)酿ざ群捅砻鎻埩?，為了滿足這個(gè)要求，有時(shí)需要在黏結(jié)劑中添加一定量助劑，如分散劑、活性劑。

1.5噴墨打印技術(shù)（IJP）

噴墨打印技術(shù)是從三維打印成型技術(shù)發(fā)展而來(lái)，該技術(shù)將陶瓷粉體與各種有機(jī)物和溶劑配制成陶瓷墨水，通過(guò)計(jì)算機(jī)指令將陶瓷墨水逐層噴打到平臺(tái)上，形成所需形狀和尺寸的陶瓷坯體。[5]陶瓷墨水的配制是噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵，要求陶瓷粉體在墨水中具有良好的均勻分散度，合適的表面張力、黏度及電導(dǎo)率，較快的干燥速率和較高的固相含量。

噴墨打印技術(shù)不需要激光技術(shù)進(jìn)行工作，節(jié)省了制作成本，然而，目前陶瓷墨水的配置以及噴墨打印頭的堵塞等問(wèn)題制約著該技術(shù)的發(fā)展。因此，在以后的研究中要注意以下問(wèn)題：

合理選用陶瓷油墨中無(wú)機(jī)非金屬粒徑的大小和粘結(jié)劑的粘度；

根據(jù)油墨中各添加劑的含量，選取合適的噴頭毛細(xì)管直徑。

2.3D打印陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)制造、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。3D打印陶瓷原料的研發(fā)也成為制約3D打印陶瓷發(fā)展的一大要素，研發(fā)新型3D打印陶瓷材料尤為重要。下面介紹幾種尚處于研制中的3D打印陶瓷材料。

2.1氧化鋁陶瓷

氧化鋁是一種應(yīng)用廣泛的陶瓷材料，氧化鋁陶瓷的原料來(lái)源廣泛，成本低廉，現(xiàn)已成為陶瓷行業(yè)用量最大的原料之一。傳統(tǒng)制備氧化鋁陶瓷的工藝繁瑣復(fù)雜、耗時(shí)耗力，3D打印陶瓷技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單，耗時(shí)較短，可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)氧化鋁陶瓷，可以大大縮短制備時(shí)間，提高制品精度，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

在陶瓷3D打印技術(shù)中，為了保證陶瓷坯體具有良好的力學(xué)性能，氧化鋁材料一般與有機(jī)物混合制成漿材、粉材或與其他合金粉末制成粉材。

2.2磷酸三鈣陶瓷

磷酸三鈣陶瓷又稱磷酸三鈣，其化學(xué)組成在人體骨骼中廣泛存在，在醫(yī)療領(lǐng)域作為一種良好的骨修復(fù)三維支架而被廣泛應(yīng)用，還可用于預(yù)防和治療鈣缺乏的病癥。磷酸三鈣的化學(xué)組分與骨骼十分相近，具有無(wú)變異性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，可以發(fā)揮良好的骨傳導(dǎo)作用。植入后，磷酸三鈣本身良好的生物降解性能夠幫助機(jī)體更快地進(jìn)行新陳代謝。所以，這種材料的發(fā)展前景十分可觀，受到人們的密切關(guān)注。[2]

國(guó)外已進(jìn)行了磷酸鈣陶瓷3D打印技術(shù)的相關(guān)研究。G.A.Fielding等將磷酸鈣與乙醇混合制備出陶瓷漿料，并成功進(jìn)行打印。同時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于磷酸鈣陶瓷的生物活性也有著很深的研究，例如林開(kāi)利等在磷酸鈣陶瓷中加入具有生物活性的元素來(lái)提高磷酸鈣陶瓷的生物活性，這對(duì)于3D打印生物陶瓷技術(shù)生物功能的提高有著重要作用。

2.3有機(jī)前驅(qū)體陶瓷

有機(jī)前驅(qū)體合成陶瓷的技術(shù)是在1960年發(fā)明的。經(jīng)由前驅(qū)體制備陶瓷可從分子規(guī)模設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)尺寸成形、并具有低分解溫度、高溫性能穩(wěn)定一系列優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)制備多種新型陶瓷。其主要原理是將有機(jī)前驅(qū)物質(zhì)（聚碳硅烷，聚硝基硅烷，聚硅氧烷等）進(jìn)行熱降解來(lái)制備陶瓷。具體過(guò)程為有機(jī)小分子通過(guò)縮合反應(yīng)生成有機(jī)大分子，大分子在熱或光等條件的催化下生成有機(jī)-無(wú)機(jī)中間體，也就是前驅(qū)體，然后對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行進(jìn)一步的熱裂解和燒結(jié)生成陶瓷。

T.A.Schaedler等將UV固化技術(shù)同3D打印技術(shù)相結(jié)合來(lái)打印前驅(qū)體陶瓷，不但使陶瓷的復(fù)雜形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，還通過(guò)高溫?zé)Y(jié)使陶瓷收縮，從而制備出高密度陶瓷。

2.4氮化硅陶瓷

氮化硅陶瓷具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫等特性，是一種優(yōu)異的高溫工程材料。它的強(qiáng)度可以維持到1200℃的高溫而不下降，受熱后不會(huì)熔成融體，一直到1900℃才會(huì)分解，并且具有極高的耐腐蝕性，同時(shí)也是一種高性能電絕緣材料。Li等采用三維印刷與無(wú)壓燒結(jié)相結(jié)合的技術(shù)，制備了孔隙率高于70%的多孔硅陶瓷材料。

2.5碳硅化鈦陶瓷

碳硅化鈦陶瓷具有層狀的六方晶體結(jié)構(gòu)，在生物、醫(yī)療等方面都有著廣泛的應(yīng)用。碳硅化鈦材料兼具金屬材料的高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、良好的延展性、塑性和陶瓷材料的高強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)。Sun等利用3D打印與冷等靜壓技術(shù)制備出致密度較高的碳硅化鈦陶瓷。

結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于3D打印陶瓷技術(shù)的研究還處于起步階段，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的水平，還有很大的發(fā)展空間，3D打印技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用尚未成熟，從市場(chǎng)上考慮，目前3D打印陶瓷技術(shù)很難與市場(chǎng)接軌，難以形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。今后，我國(guó)3D打印陶瓷材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要方向是加強(qiáng)3D打印陶瓷材料的基礎(chǔ)研究，解決3D打印陶瓷材料的力學(xué)性能以及燒結(jié)成品收縮率等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)系列化的3D打印陶瓷材料，并形成產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)能力。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)