陶瓷3D打印技術(shù)及應(yīng)用材料

陶瓷以其較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度狮屏、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的聲光電磁熱等特性装哆，被廣泛應(yīng)用于化工伐厌、機(jī)械、電子域醇、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域隔阔。傳統(tǒng)陶瓷制造工藝通常將陶瓷粉末和粘結(jié)劑等混合，通過注射成型肖升、模壓贵式、流延、凝膠注模等方法制成所需形狀拦袍。制得的生坯再經(jīng)過高溫脫脂和燒結(jié)等工藝進(jìn)一步致密化衬榕。但傳統(tǒng)制造工藝需要模具、整體生產(chǎn)周期較長(zhǎng)誓拉，且無法成型具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件杈夜。此外，由于陶瓷具有極高硬度和脆性篓羊，使其加工異常困難盹组。而3D打印技術(shù)具有智能、無模六赢、精密哄避、高復(fù)雜度的制造能力，為陶瓷零件制造提供了全新思路劳景。

▲陶瓷3D打印技分類術(shù) @Journal of the European Ceramic Society誉简，有補(bǔ)充

根據(jù)不同的陶瓷3D打印成型原理，可分為基于擠出成型原理的線材熔融沉積造型技術(shù)（FDM）、粉末擠出打印技術(shù)（PEP）和漿料直寫技術(shù)（DIW）闷串；基于光敏聚合成型原理的立體光固化技術(shù)（SLA）瓮钥、數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）和雙光子聚合技術(shù)（TPP）；基于粉末粘接成型原理的噴墨打印技術(shù)（IJP）和三維印刷技術(shù)（3DP）烹吵；基于粉末燒結(jié)成型原理的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）和選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）碉熄。

▲陶瓷3D打印技術(shù)細(xì)節(jié)對(duì)比 @Journal of the European Ceramic Society，有補(bǔ)充

而陶瓷3D打印材料則可分為粉末年叮、顆粒具被、漿料和線材。主要有氧化鋁只损、氧化鋯、碳化硅七咧、氮化硅跃惫、氮化硼、TCP顿储、羥基磷灰石等溺联。陶瓷3D打印在航空航天、核能遮店、半導(dǎo)體制造捻境、醫(yī)療植入、光學(xué)傳感及高溫耐磨件等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用戳酒。

▲采用PEP工藝制備的不同陶瓷材料應(yīng)用樣品 @升華三維

PEP與DLP的技術(shù)特點(diǎn)及差異

本文選擇DLP與PEP兩種不同陶瓷打印工藝進(jìn)行梳理炸鹅，旨在充分挖掘不同技術(shù)潛力，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)伟杂，探尋應(yīng)用增長(zhǎng)點(diǎn)肮渣。嚴(yán)格來說，3D打印僅僅是陶瓷零件制造工藝中的一個(gè)成形過程名挪。最終零件性能還要有賴于材料制備和脫脂燒結(jié)等工藝距肯。為了獲得更高零件性能，可能還需要跟后處理工藝（如滲透和等靜壓）等結(jié)合起來绵笆。而基于光敏聚合成型的3D打印技術(shù)在成型精度棺衬、零件表面質(zhì)量和機(jī)械性能等方面均表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，因此通常被認(rèn)為是各種陶瓷3D打印工藝中具有廣闊前景的一類工藝时鸵。

目前在市面上出現(xiàn)的商業(yè)化陶瓷3D打印設(shè)備中胶逢，主要以DLP打印機(jī)的的應(yīng)用較為普及。其在設(shè)備成本及制備精密陶瓷件方面相比SLM等需要高能量激光器的設(shè)備都具有顯著優(yōu)勢(shì)寥枝。而PEP則是由升華三維推出的一種3D打印結(jié)合傳統(tǒng)燒結(jié)工藝的間接增材技術(shù)宪塔，其發(fā)揮了3D打印靈活成型與傳統(tǒng)粉末冶金成熟后處理工藝優(yōu)勢(shì)，通過3D打印機(jī)制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀，再通過脫脂燒結(jié)工藝進(jìn)行后處理某筐，最終獲得致密且性能一致性好的陶瓷結(jié)構(gòu)件比搭。DLP與PEP都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在著明顯的差異點(diǎn)南誊，主要體現(xiàn)在：

DLP與PEP的技術(shù)的差異點(diǎn)

成型原理：PEP技術(shù)基于粉末擠出身诺，而DLP技術(shù)基于光固化，兩者在成型原理上存在本質(zhì)區(qū)別抄囚；

材料選擇：PEP技術(shù)可適用于金屬和陶瓷粉末材料霉赡，DLP技術(shù)則適用于以光敏樹脂材料作為基料，可選擇的材料有限幔托；

成本和維護(hù)：PEP技術(shù)設(shè)備成本較低穴亏，維護(hù)方便，而DLP技術(shù)可能需要更復(fù)雜的光源和光學(xué)系統(tǒng)细周，維護(hù)相對(duì)復(fù)雜毯创；

打印速度和精度：PEP采用點(diǎn)-線-面方式成型，而DLP技術(shù)采用數(shù)字光逐層固化方式成型谒酌，在打印速度和精度上具有優(yōu)勢(shì)苫七，特別適合精細(xì)細(xì)節(jié)的打印遮结；

應(yīng)用范圍：PEP技術(shù)適合復(fù)雜形狀的大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)件制造尼送，DLP技術(shù)則更適合精細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷部件的快速制造。

PEP在陶瓷3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及前景

不同路線的陶瓷3D打印技術(shù)在應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)也會(huì)存在不同曾负。如使用IJP和3DP適合制造致密或多孔陶瓷零件鸭荡，DIW和FDM工藝則適用于打印鏤空點(diǎn)陣陶瓷結(jié)構(gòu)。DLP技術(shù)在細(xì)微結(jié)構(gòu)诊捆、尺寸精度和表面質(zhì)量方面表現(xiàn)優(yōu)異鸽拱，適合對(duì)這些特征要求較高的應(yīng)用，如在齒科纸措、電子器件谓苟、首飾、玩具等都具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)协怒。而PEP技術(shù)在成本效益涝焙、材料適應(yīng)性、和與傳統(tǒng)工藝契合方面更具優(yōu)勢(shì)孕暇，特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅仑撞、氮化硅）的大尺寸結(jié)構(gòu)件的增材。不過需要補(bǔ)充說明的是妖滔，應(yīng)用場(chǎng)景除了成型技術(shù)的影響外隧哮，材料才是關(guān)鍵桶良，不論哪種技術(shù)路線，最終都可以定義成是在為不同陶瓷材料的應(yīng)用場(chǎng)景提供工藝支持沮翔。

▲PEP制備輕量化設(shè)計(jì)的碳化硅反射鏡燒結(jié)件 @升華三維

▲采用PEP工藝制備的大尺寸碳化硅反射鏡成品 @上海硅酸鹽所

PEP技術(shù)在大尺寸的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷陨帆、內(nèi)部多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用開發(fā)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。此外采蚀，PEP技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在于能夠靈活地使用各種陶瓷粉末原料疲牵，有望在航空裝備、空間技術(shù)榆鼠、核工業(yè)岭复、國(guó)防、光伏半導(dǎo)體规倚、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的更多陶瓷材料上得以深度開發(fā)和應(yīng)用拓展河美。盡管打印件表面光潔度有限，但精度低和表面質(zhì)量低等缺點(diǎn)在生物陶瓷支架應(yīng)用方面肢有，也許可能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)這些部件有利的結(jié)構(gòu)特性单步。

▲PEP工藝制備的氮化硅多孔殼體結(jié)構(gòu) @升華三維

PEP技術(shù)目前已在空間反射鏡、高溫爐具涣恤、熱交換器、晶圓載具插撩、天線罩络骤、過濾催化器、人工骨等陶瓷應(yīng)用方面有著較成熟的案例摹院。同時(shí)PEP技術(shù)因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性朵令，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染，符合當(dāng)前制造業(yè)的環(huán)保趨勢(shì)众巷，市場(chǎng)潛力巨大彼硫。

（升華三維）

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