中國(guó)粉體網(wǎng)訊 陶瓷3D打印作為增材制造行業(yè)的新興技術(shù)，在熔模鑄造、骨科、齒科、化工、藝術(shù)等領(lǐng)域，開(kāi)始發(fā)揮越來(lái)越大的作用，目前成熟的陶瓷增材制造技術(shù)包括以下幾種：光固化成型（SL）、三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)體制造（LOM）和擠出成型（EFF）等，其中，光固化成型是目前增材制造技術(shù)中分辨率最好、成型精度最高的成型方式。
陶瓷光固化打印產(chǎn)品圖（圖片來(lái)源：十維科技）
1 光固化3D打印優(yōu)勢(shì)
陶瓷光固化3D打印技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，盡管與聚合物和金屬材料相比，陶瓷光固化產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究者進(jìn)行陶瓷光固化3D打印設(shè)備及材料的研究。不僅因?yàn)樘沾刹牧系男阅軆?yōu)異，應(yīng)用前景廣泛，也因?yàn)楣夤袒沾?D打印技術(shù)相比于其他陶瓷增材制造方法，打印精度高，并且在制備復(fù)雜形狀以及高精度大型零部件方面有很大的優(yōu)勢(shì)。
2 陶瓷光固化工藝過(guò)程
陶瓷光固化技術(shù)是將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通過(guò)高速攪拌使陶瓷粉末在溶液中分散均勻，制備高固相含量、低粘度的陶瓷漿料，然后使陶瓷漿料在光固化成型機(jī)上直接逐層固化，累加得到陶瓷零件素坯，再通過(guò)后續(xù)的加熱脫脂工藝，將坯體零件中作為粘接劑的有機(jī)成分通過(guò)高溫排除，得到零件素坯后，進(jìn)行燒結(jié)工藝，得到致密化的陶瓷零件，如下圖所示。
光固化3D打印陶瓷制備流程圖
陶瓷光固化體系漿料一般由陶瓷粉體、光固化單體、光引發(fā)劑、分散劑、稀釋劑等組成，由于微納米陶瓷粉體的加入，使得陶瓷漿料的打印比普通樹(shù)脂更加地困難。陶瓷粉體的加入不僅使陶瓷漿料的粘度增加造成打印過(guò)程困難，也容易引起缺陷，同時(shí)陶瓷顆粒會(huì)對(duì)光產(chǎn)生散射作用，引起打印精度降低。因此陶瓷漿料的制備特性和光固化成型特性成為目前研究的熱點(diǎn)。
3 陶瓷光固化3D打印成型的研究現(xiàn)狀
（1）陶瓷漿料制備方面研究現(xiàn)狀
想要獲得理想質(zhì)量的打印零件需要提高陶瓷漿料中的固含量，同時(shí)需要有良好的固化特性。漿料的穩(wěn)定性指標(biāo)要求漿料能長(zhǎng)期儲(chǔ)存而不沉淀、基體材料不變質(zhì)不揮發(fā)。
漿料制備過(guò)程包括光敏樹(shù)脂、陶瓷粉體、分散劑含量等多種標(biāo)準(zhǔn)。有許多關(guān)于漿料制備過(guò)程的研究，Goswami等研究了氧化鋁陶瓷漿料的光固化，通過(guò)沉降速率實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了陶瓷漿料中分散劑的添加量，根據(jù)流變性測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明了陶瓷漿料固含量的影響，通過(guò)加熱處理降低了高固含量漿料的粘度，實(shí)現(xiàn)了高精度零件成型；周偉召等研究了陶瓷漿料的體積分?jǐn)?shù)對(duì)光固化成型工藝的影響，陶瓷漿料的體積分?jǐn)?shù)必須大于40vol.%才能夠滿足成型、脫脂和燒結(jié)工藝的要求，陶瓷漿料的粘度越小打印固化厚度就越大。此外，陶瓷顆粒的表面改性也可以有效提高陶瓷顆粒在光敏樹(shù)脂中的分散效果。
（2）光固化成型工藝方面研究現(xiàn)狀
光固化成型階段在整個(gè)陶瓷成型工藝中是核心步驟，決定了陶瓷零件的形狀大小與誤差精度。在陶瓷光固化成型工藝過(guò)程中，比爾-朗伯定律能夠準(zhǔn)確地描述出打印參數(shù)與成型尺寸的關(guān)系，比爾-朗伯定律適用于SLA和DLP成型技術(shù)。Griffith等在1996年首次提出利用光固化成型制備陶瓷零件的工藝，分別研究了氧化硅、氧化鋁和氮化硅三種陶瓷的光固化中的打印參數(shù)，制備了固含量為50vol.%的陶瓷漿料，使用比爾-朗伯定理分析了曝光時(shí)間與固化厚度的關(guān)系，并對(duì)比了不同陶瓷胚件經(jīng)過(guò)脫脂與燒結(jié)后的陶瓷零件的致密度。
為了提高成型尺寸精度，研究人員進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如Xing等使用SLA光固化成型技術(shù)的打印了氧化鋯試樣，測(cè)試了它們的表面質(zhì)量、尺寸精度與機(jī)械強(qiáng)度。
4 光固化技術(shù)研究難點(diǎn)
由于光固化技術(shù)在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高精度陶瓷零部件方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，也取得了突破性的成果，但是在材料制備、工藝優(yōu)化等方面仍存在很多棘手的問(wèn)題迫切需要解決。制備高精度高性能的陶瓷零部關(guān)鍵在于高固含量和低粘度的陶瓷漿料配制，這也是目前存在的難題之一。對(duì)于高折射率陶瓷粉末，降低散射效應(yīng)提高打印精度是亟需解決的另一難題。
5 光固化陶瓷應(yīng)用案例
光固化陶瓷打印技術(shù)及產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。
5.1 光固化技術(shù)制備陶瓷型芯
渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的零件之一，鑄造渦輪葉片的關(guān)鍵是先制造出能形成葉片復(fù)雜內(nèi)腔的陶瓷型芯。陶瓷型芯是一種犧牲材料，一旦合金熔化到芯上,它將用作負(fù)極材料。到目前為止,型芯的制造一直是耗時(shí)且昂貴的過(guò)程。傳統(tǒng)陶瓷型芯制備方法復(fù)雜，在制造過(guò)程中處理錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)很大，并且會(huì)產(chǎn)生大量次品。
3D打印鑄造陶瓷型芯流程圖（圖片來(lái)源：十維科技）
而光固化3D打印技術(shù)是一次成型制造工藝，型芯型殼一體化的打印，無(wú)需提前制造模具，極大縮短了制造周期。目前，我國(guó)十維科技和3DCERAM均已研制出符合航空業(yè)和熔模鑄造行業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的3D打印陶瓷芯。
5.2 陶瓷光固化技術(shù)制備透波材料
雷達(dá)天線罩選透波材料的依據(jù)是高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)異的耐候性和介電性能等，陶瓷(氧化鋁、氧化硅、氮化硅和氮化硼等)自身具有良好的介電性能，在力學(xué)性能以及耐高溫等方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。透波陶瓷材料已成為高超聲速飛行器天線罩、天線窗等部件的關(guān)鍵候選材料。
中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心采用高固含量Al2O3陶瓷膏體為原料，使用陶瓷光刻3D打印裝備打印設(shè)備獲得雷達(dá)天線罩模擬件，如下圖所示。何汝杰等將高陶瓷產(chǎn)率的聚硅氮烷和丙烯酸樹(shù)脂混合，并采用光固化工藝進(jìn)行成型經(jīng)燒結(jié)后制備獲得了長(zhǎng)方體、蜂窩結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)的氮化硅陶瓷。王功等采用氮化硅和二氧化硅混合的陶瓷漿料作為原料，采用光固化工藝制備了氮化硅/氧化硅復(fù)相陶瓷。
氧化鋁雷達(dá)天線罩模擬件（圖片來(lái)源：硅酸鹽學(xué)報(bào)）
5.3 陶瓷光固化技術(shù)制備吸波材料
雷達(dá)吸波材料是指能夠吸收并損耗雷達(dá)波，減少目標(biāo)雷達(dá)散射截面，降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率，賦予目標(biāo)雷達(dá)隱身功能的一種功能材料。研究表明，多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多層層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制備結(jié)構(gòu)/功能一體化吸波材料的有效方法。
Mei等采用微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合方法，采用光固化技術(shù)與化學(xué)氣相滲透技術(shù)相結(jié)合的方法制備不同孔斜蜂窩角度的Al2O3/SiC晶須(SiCw)蜂窩復(fù)合陶瓷。陶瓷光固化技術(shù)為制備具有更廣、更高微波吸收率的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提供了新的有效途徑。
5.4 陶瓷光固化技術(shù)用于太空制造
太空制造作為一項(xiàng)航天領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新技術(shù)，已成為各航天強(qiáng)國(guó)的新研究熱點(diǎn)�？臻g任務(wù)中的特殊應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)制造精度、制造裝置的功耗和尺寸及智能化等提出的要求也面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心王功等2019年開(kāi)發(fā)了基于光固化技術(shù)的在軌精細(xì)成型裝置，隨長(zhǎng)征五號(hào)B火箭搭載的新一代載人飛船試驗(yàn)船一起進(jìn)入太空，并完成打印任務(wù)，下圖是在太空環(huán)境下打印獲得的樣品。
太空環(huán)境下打印的陶瓷樣品圖
5.5 陶瓷光固化技術(shù)用于其他方面
陶瓷光固化技術(shù)除了以上應(yīng)用外，還應(yīng)用于很多其他功能材料方面，例如，Duan等通過(guò)DLP技術(shù)制備了具有導(dǎo)熱性和力學(xué)強(qiáng)度的氮化鋁陶瓷。另外，由于3D打印技術(shù)成型的靈活性、結(jié)構(gòu)可控性和材料浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的研究將3D打印技術(shù)應(yīng)用于電池領(lǐng)域。Pang等研究了3D打印技術(shù)在電池和能源方面的應(yīng)用，如電池、超級(jí)電容器和太陽(yáng)能電池。
6 光固化設(shè)備
目前國(guó)內(nèi)已有一些企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)陶瓷光固化打印設(shè)備，其中科技型、生產(chǎn)型、工業(yè)型設(shè)備等均已經(jīng)投入使用。這些設(shè)備適應(yīng)于各種產(chǎn)品，如，大尺寸、高精度陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，陶瓷材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型，精密陶瓷產(chǎn)品小批量生產(chǎn)等。
高精度工業(yè)級(jí)光刻3D打印裝備（圖片來(lái)源：乾度高科）
參考來(lái)源：
【1】王偉偉，等.光固化3D打印低溫共燒陶瓷制備技術(shù)研究.
【2】楊娜娜，等.基于光固化3D打印的陶瓷快速無(wú)模成型技術(shù)的研究進(jìn)展.隴東學(xué)院學(xué)報(bào).2021.
【3】顧玥，等.陶瓷光固化成型技術(shù)的應(yīng)用與展望.硅酸鹽學(xué)報(bào).2021.
【4】史卜輝.基于約束面投影的陶瓷光固化成型工藝研究.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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