陶瓷3D打印技术及材料的研究现状综述

时间：2024-08-31

徐若梦

沈阳广播电视大学辽宁沈阳110003

近几年来，陶瓷材料被应用电子领域、机械领域、国防领域、医学领域等。相比金属和高分子材料，陶瓷具有极高的力学性能，比如高耐温性、高硬度、高耐磨性等，同时在电、热、光、生物相容等学科都发挥其独特的优势。陶瓷材料加工性能比较差，传统的技术无法使陶瓷材料成型，因此陶瓷制品的生产周期会比较长，成本也会比较高，因此陶瓷材料无法满足人们日常的需求。3D打印技术是一种增加产能的手段，能够快速生成一些结构复杂的陶瓷型体，制备性能极高的复合陶瓷零件，减少制造的时间，促进陶瓷材料的应用范围。

一、陶瓷3 D打印技术素胚成型的研究

3D打印陶瓷材料形态导致包括液体材料、粉质材料、线性材料和块状材料集中不同类型。

(一)液体陶瓷的3D打印技术。液体陶瓷原料包括有机液体和陶瓷粉末，一般应用在SLA和DI W中。SLA的打印原理是紫外线利用软件切片三维模型的扫描路径，针对液态光敏树脂一次实施扫描和固化处理，形成实体原型。SLA发挥的优势为成型的精准度更高，一般用于结构比较复杂的陶瓷制品，不过应用的难点就是光敏树脂陶瓷原料的配置以及光固化成型技术的参数调节等。第一，要选择合理的光敏聚合体系，了解陶瓷颗粒在光敏树脂中的分散程度、浆料陶瓷的固相含量等。如果原料中的固相含量较低会导致陶瓷制品密度较差，后期排胶和致密化过程中也会出现形态变形、开裂等问题，如果固相含量较高，会导致浆料粘稠度较高，流动性较差，陶瓷素胚成型后表面会更加粗糙[1]。要制备粘度较低、固相含量高、流动性好的材料，就要选择合理的分散剂、陶瓷粒度，充分考虑陶瓷粉体表面改性等问题解决。第二，素胚成型的过程中，工艺参数是保证素胚质量的基础。陶瓷颗粒对紫外光具有散射作用，因此也要分析紫外光曝光强度、扫描速度等因素对固化厚度造成的影响。扫描的速度越高，那么激光在原料中的能量密度就会越低，陶瓷颗粒散射就会越低，如果扫描速度太快也会导致光敏树脂固化不彻底。单层固化厚度高于分层的厚度，才能促进两层粘连成型。因此，3D打印技术的参数设置合理对提高陶瓷质量有重要意义，光敏树脂分散的颗粒对紫外光具有散射效果，会改变固化的特性，会影响打印成品的成型精准度。

DI W成型原理为，利用计算机辅助针对图形做好相应设计，在基板可控的位置上沉积陶瓷原料，反复叠加最后构成三维结构。DI W不需要利用紫外光或者激光来实现固化，因此DI W的成型的主要难点在于浆料的制备工艺上，要提高制备质量就要满足以下两个条件：第一，沉积在基板后要维持形状和跨距，因此浆料就需要具有剪切致稀和可调控粘弹性的特点，挤出后能够保持凝固不会出现形状的改变。第二，浆料固体含量较高，能够有效降低干燥和烧结导致的体积收缩情况[2]。

3D打印的陶瓷材料研究包括浆料的粘度、分散性、陶瓷粒度以及固体含量等因素，由于不同陶瓷的成型原理各不相同，SLA 技术是利用紫外光照射促进光聚合反应而实现固化，加入陶瓷粉体后，浆料具有透光性，能够促进光聚合反应，成型后还具有一定的厚度，成型的过程中，SLA 技术必须考虑紫外光曝光强度、扫描速度等因素。DI W技术不需要紫外光的参与，因此浆料制备也不需要考虑引发剂、预聚体等因素，是通过控制粒子结合来获得胶体浆料，不仅具有高浓度粘弹性，也能顺利挤出。

(二)粉体陶瓷3D打印技术。粉体材料是陶瓷粉末与有机粘结剂结合的产物，常用于SLS、SL M、3DP等成型中。SLS打印陶瓷制品需要在陶瓷粉体中添加粘接剂，以促进激光扫描下利用粘结剂促进陶瓷的成型。因此，要选择合适的粘结剂，保持低熔点、地液态粘度等特点，从而才能发挥有效的粘结效果。纳米陶瓷颗粒在铺粉的过程中会产生静电和聚团的情况，因此需要采用良好的粘结剂将陶瓷颗粒包覆起来，不仅能够促进纳米陶瓷颗粒的聚集，才能提高其流动性[3]。成型中，控制好打印技术的参数也是重点内容，陶瓷素胚成型效果受到激光能量密度的影响，激光能量密度又受到激光功率、扫描间距、扫描速度等因素影响。

(三)陶瓷线材3D打印技术。陶瓷线材3D打印主要技术为FDC，是从FDM技术演变而来的，陶瓷粉体与高分子材料结合起来，挤出呈细丝，根据规定的路径层层叠加成型，然后通过脱脂、烧结等处理手段获得陶瓷制品。打印技术的材料要制成细丝状，抗弯强度较高，熔融后会具有较高的粘度和流动性，成型精准度较差。

(四)陶瓷块状3D打印技术。陶瓷块状3D 打印主要为LOM技术，是通过流延成型技术将原料成型为薄膜，然后将薄膜层层堆砌起来，根据设计图案进行扫描和切割，重复多次后形成三维模型。