【解析】3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

近幾年,，“3D打印”概念不斷被人們熟悉，并成為科技界最火熱的技術(shù)名詞,。理論上,，只需要一臺(tái)3D打印機(jī)和一些材料，就可以把你的一切想法轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品,。車,、房子,、骨骼、甚至食品都可以通過(guò)3D打印完成,。2013年初,，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在國(guó)情咨文中指出“3D打印有可能革命化我們制造幾乎所有產(chǎn)品的方式。這在其他地方也可實(shí)現(xiàn),�,！庇���(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為3D打印將與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命。

1 3D打印概述
1.1 3D打印的概念
3D打�,。═hree Dimensional Printing,，3DP）實(shí)質(zhì)為一種快速成型技術(shù)，是由成型設(shè)備以粉末材料累加的方式制成實(shí)物模型,。與傳統(tǒng)制造業(yè)的去除材料加工方式不同,，3D打印遵循的是加法原則，即實(shí)物為層層粉末疊加而成,，所以也稱“增材”技術(shù),。試想如果把任何一件3D物品看成是二維平面的疊加，理論上所有物體就都能被打印出來(lái),。

1.2 3D打印的歷史
3D打印最早由Charles Hull于1984年開(kāi)始研究,。1986年3月11日，第一篇與3D打印相關(guān)的專利“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography”正式發(fā)布,，其原理為立體光刻造型技術(shù)（stereolithography）,。隨后出現(xiàn)了熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）與選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering,，SLS）另兩種3D成型技術(shù),。可以認(rèn)為,，立體光刻造型,、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)是實(shí)現(xiàn)3D快速成型的最主要實(shí)現(xiàn)方式,，為3D打印技術(shù)的發(fā)展奠定了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),，以致很多現(xiàn)在的3D打印技術(shù)都還保留了其技術(shù)特點(diǎn)。

1993,，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）申請(qǐng)的專利“Three Dimensional Printing techniques”（3D打印技術(shù)）正式發(fā)布,。這是一種依賴已有噴墨技術(shù)的3D成型技術(shù)。此后,，3D打印設(shè)備不斷更新和發(fā)展,，成為很多科研院所的研究方向。 3D打印技術(shù)隨后不斷發(fā)展,，很多難以想象的產(chǎn)品被不斷打印完成,。2005年,，市場(chǎng)上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由Z corpration公司研制成功。2010年11月,，世界上第一輛由3D打印而成的汽車Urbee問(wèn)世,。2011年7月,，英國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī),。2011年8月，南安普頓大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī),。2013年11月,，美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司利用“Solid Concepts”（固體概念）設(shè)計(jì)制造出 3D 打印金屬gun。

1.3 3D打印工作原理
3D打印主要依靠噴墨打印頭存取的液態(tài)粘合劑,，不斷將金屬或陶瓷粉末材料粘結(jié)固化,。整個(gè)過(guò)程開(kāi)始于粉末供應(yīng)床的最上層，噴墨打印頭根據(jù)選定的目標(biāo)區(qū)域來(lái)釋放粘合劑,，這些區(qū)域的粉末粘合在一起形成很薄的層面,。等3D打印機(jī)構(gòu)建一層后，可以通過(guò)活塞的作用將構(gòu)建平臺(tái)降低,，然后通過(guò)輥道將新的一層粉末補(bǔ)充為“平面”,，印刷重復(fù)。打印完成后,，可將被打印 物體周圍松散的支持粉體刷掉或清除,。 但是隨著科技的不斷發(fā)展，有些3D打印設(shè)備已不在粉體供應(yīng)床中進(jìn)行打印,，而是直接把粉體,、粘合劑、其它添加劑混合形成“陶瓷墨水”,，然后通過(guò)打印機(jī)原理將這種陶瓷墨水直接打印到載體上成型,，成型體的形狀及幾何尺寸由計(jì)算機(jī)控制。

2 傳統(tǒng)陶瓷3D打印研究進(jìn)展

起初,，3D打印技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用主要是模型的制作,，利用3D打印的精致模具再翻模成型，制成精美的陶瓷產(chǎn)品,。但隨后,，3D打印逐漸能夠完成真實(shí)陶瓷產(chǎn)品的制作。2009年,，位于土耳其伊斯坦布爾的Unfold設(shè)計(jì)室發(fā)起了一個(gè)名為“Stratigraphic Manufactury”（地層學(xué)制造）的項(xiàng)目,，該項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)陶瓷的3D打印。 近兩年,，國(guó)外很多公司或科研團(tuán)體在從事傳統(tǒng)陶瓷的3D打印技術(shù)研究,，取得了眾多突破性進(jìn)展,。2012年10月，Unfold設(shè)計(jì)室在“deseen”雜志公布了他們的最新研究成果,。利用自行研發(fā)的3D打印設(shè)備成功打印了造型各異的日用陶瓷制品,。有些產(chǎn)品經(jīng)表面上釉并燒制后，效果驚人,，質(zhì)量?jī)?yōu)異,。 奧地利的3D打印公司Lithoz開(kāi)發(fā)了基于光刻的陶瓷制造技術(shù)（LCM）。

借助LCM技術(shù)開(kāi)發(fā)的最新型3D打印機(jī)CeraFab 7500能夠打印高精確度,、高密度,、高強(qiáng)度的陶瓷，材質(zhì)包括氧化鋁,、氧化鋯等,，成為陶瓷材料3D打印的領(lǐng)導(dǎo)者。 波蘭的Tytan 3D開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)成員Janusz Wojcik和Pawel Rokita成功研發(fā)了可以自由選擇打印材料的Delta3D打印機(jī),。打印機(jī)采用鋁質(zhì)框架,，所有的機(jī)械元件都是專業(yè)級(jí)零件，電機(jī)和電子控制系統(tǒng)安裝于打印機(jī)上方,。打印空間約直徑20 cm,，高35 cm。墨盒可以存儲(chǔ)不同的陶瓷材料,，甚至可以使用能硬化的砂質(zhì)材料,。 荷蘭埃因霍溫藝術(shù)家Olivier van Herpt成功研發(fā)了一臺(tái)擁有成人身高、并可打印較大體積陶瓷的3D打印機(jī),。打印成品規(guī)格可達(dá)到高80 cm,，半徑21 cm，細(xì)節(jié)頗為精致,。Olivier van Herpt還嘗試用不同類型的粘土進(jìn)行試驗(yàn),，并研發(fā)出適合作為打印線材的陶瓷原材料。

總部設(shè)在以色列的Studio Under工作室成功推出了有史以來(lái)最大的陶瓷3D打印機(jī)[16],。該3D打印機(jī)可以打印陶瓷及幾乎所有類型的糊狀材料,。除此之外，他們還推出了彩色陶瓷的3D打印,。

英國(guó)布里斯托的西英格蘭大學(xué)（UWE）開(kāi)發(fā)出了一種改進(jìn)的3D打印陶瓷技術(shù),。該技術(shù)可用于定制陶瓷餐具，比如漂亮的茶杯和復(fù)雜的裝飾物,，如圖10所示,。這項(xiàng)技術(shù)被稱為自己上釉3D打印陶瓷（self-glazing 3D printed ceramic）。UWE精細(xì)打印研究中心（CFPR）主任Stephen Hoskins教授把他們開(kāi)發(fā)的可3D打印陶瓷材料稱為“ViriClay”，在白色陶瓷餐具行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景,。 自20世紀(jì)90年代初以來(lái),，清華大學(xué)、西安交通大學(xué),、華中科技大學(xué),、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校在3D打印材料技術(shù)方面進(jìn)行了積極探索,，主要涉及航空,、機(jī)械、醫(yī)療,、生物,、模具,、汽車,、軍工等領(lǐng)域，如：清華大學(xué)長(zhǎng)期致力于生物領(lǐng)域的3D打印技術(shù),，研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)細(xì)胞3D打印機(jī),，確定了幾乎適合所有細(xì)胞組裝的通用基質(zhì)材料等。西北工業(yè)大學(xué)為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919完成了機(jī)翼關(guān)鍵件等研發(fā)配套工作,；北京航空航天大學(xué)突破了鈦合金,、超高強(qiáng)度鋼大型關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)  。

2013年,， 以硅粉為原料,，糊精為粘結(jié)劑，采用3D打印快速成型技術(shù)制備出多孔硅坯體,，通過(guò)反應(yīng)燒結(jié)得到高孔隙率的螺釘,、螺母等氮化硅陶瓷部件  。整體來(lái)看,，國(guó)內(nèi)在傳統(tǒng) 陶瓷領(lǐng)域3D打印的成果還不太多,，少量的研究也是在利用3D打印技術(shù)制作陶瓷模型后再翻模。如：龍泉青瓷藝人梅紅玲借助3D打印技術(shù)制作了青瓷牛的樹(shù)脂模具,，然后制模燒制成了第一件鎮(zhèn)紙大小的瓷牛,，細(xì)節(jié)栩栩如生，成為青瓷文化中的特殊藝術(shù)品 ,。

3 傳統(tǒng)陶瓷3D打印特征

傳統(tǒng)陶瓷的制作是一項(xiàng)繁雜的過(guò)程,，一件陶瓷制品從最初的原料加工到最后燒成需要幾十道工序，環(huán)環(huán)相扣,，缺一不可,。而陶瓷的3D打印技術(shù)可以大大節(jié)省時(shí)間，使工藝簡(jiǎn)單化，且節(jié)省了大量的勞動(dòng)力成本和原料,、能源消耗,。其中最明顯的就是原料加工環(huán)節(jié)，差別最大,。 傳統(tǒng)陶瓷原料按照工藝特性一般可分為可塑性原料,、瘠性原料、溶劑性原料和功能性原料四大類,。其中可塑性原料在生產(chǎn)中主要起塑化和結(jié)合的作用,，是陶瓷成型的關(guān)鍵，它賦予坯料可塑性和注漿成型性能,，保證干坯強(qiáng)度及燒成后的機(jī)械強(qiáng)度,、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等,，包括高嶺土,、膨潤(rùn)土、瓷土,、木節(jié)土,、蘇州土等，是黏土質(zhì)陶瓷的成瓷基礎(chǔ),。但是由于粘土礦物成因復(fù)雜,，組成不均，表現(xiàn)為可塑性,、觸變性,、結(jié)合型、收縮性,、耐火度等性質(zhì)差異較大,。因此各個(gè)陶瓷產(chǎn)區(qū)其陶瓷坯料配方及工藝存在差別，但唯一不變則是粘土本身就是一種永久性粘合劑,，即在傳統(tǒng)陶瓷坯料配方中,，很少再添加其它粘合劑來(lái)改善其坯料性能。 但是如果傳統(tǒng)陶瓷3D打印成型,，泥料的性能和其加工過(guò)程將大大改變,。傳統(tǒng)可塑泥料需要經(jīng)過(guò)破碎、球磨,、壓濾,、練泥、陳腐等工藝制備而成,。

但如果將可塑泥料用于3D打印成型,，則在細(xì)度,、流動(dòng)性、可塑性等方面都會(huì)存在問(wèn)題,，因?yàn)?D打印原料更接近于膠凝材料,，或是高固相體積分?jǐn)?shù)的懸浮漿料。為達(dá)到泥漿良好的流變性能,，靠粘土本身的粘附作用力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，必須使用粘結(jié)劑及其他塑化劑，通過(guò)添加劑的改性作用使粉料具備優(yōu)異性能,，在顆粒間產(chǎn)生膠結(jié)作用,，從而降低黏度，增加流動(dòng)性,，保證3D印正常進(jìn)行,。常用的粘結(jié)劑如：淀粉、糊精,、CMC,、阿拉伯樹(shù)膠、樹(shù)脂,、凝膠類等高分子物質(zhì),。而且這些添加劑在燒成過(guò)程中,，其主要化學(xué)成分被分解揮發(fā),，對(duì)坯料沒(méi)有明顯影響。 其實(shí)粘結(jié)劑在傳統(tǒng)陶瓷釉料中也經(jīng)常使用,，目的主要是改善漿料的流動(dòng)性,。傳統(tǒng)陶瓷3D打印制造過(guò)程中，通過(guò)改變傳統(tǒng)陶瓷泥料的制備模式,，其原料的選擇性更廣,，低可塑性原料、瘠性原料也可以通過(guò)粘合劑的凝膠塑化替代高可塑性原料,，使資源問(wèn)題得到緩解,。  

4 傳統(tǒng)陶瓷3D打印的挑戰(zhàn)

陶瓷3D打印雖然具有其他技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，能制造出創(chuàng)造性的陶瓷產(chǎn)品,，讓每件產(chǎn)品都如藝術(shù)品般值得欣賞與回味,。但是同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)傳統(tǒng)陶瓷的制造而言,，最大的問(wèn)題可能來(lái)源于粘土類型,、3D打印陶瓷的顏色、釉面效果,、CAD數(shù)據(jù)建模,、陶瓷燒成時(shí)的穩(wěn)定性等。首先是粘土的類型和質(zhì)量。從目前研究進(jìn)展來(lái)看,，并不是所有粘土都適用于3D打印成型,，國(guó)外雖有成功經(jīng)驗(yàn)，但都還處于保密狀態(tài),。粘土本身是一種片狀結(jié)構(gòu)的顆粒,，加水和粘結(jié)劑即可能產(chǎn)生觸變性，這對(duì)于堆積后的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生非常大的影響,，大件產(chǎn)品易產(chǎn)生坍塌,。而對(duì)于陶瓷的顏色，目前陶瓷墨水的顏色種類還比較有限,，要想獲得更為豐富逼真的色彩,，可能在陶瓷墨水領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究。其次,，3D打印設(shè)備還無(wú)法達(dá)到普及狀態(tài),，也很難找到能運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)的專業(yè)人才。

如果要進(jìn)行3D打印,，必須有數(shù)字化的3D模型才行,。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的缺失也是很大的瓶頸,。第三,，即使有效地堆積出尺寸精確、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷物件,，燒結(jié)時(shí)復(fù)雜燒結(jié)體中殘余應(yīng)力如何消除這一技術(shù)難題也需要解決,。3D陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性、產(chǎn)品的尺寸,、吸水率等都需要進(jìn)一步思考,。 陶瓷是千年窯火淬出的傳統(tǒng)工業(yè)，3D打印則是一項(xiàng)改變?nèi)祟愃季S的全新技術(shù),，當(dāng)兩者碰撞在一起,，究竟會(huì)產(chǎn)生什么樣的火花我們還不得而知。但是我們有理由相信,，3D打印技術(shù)一定會(huì)在不久的將來(lái)帶來(lái)一場(chǎng)制造業(yè)的深刻變革,。同時(shí)，我們也必須清醒地看到,，陶瓷3D打印對(duì)陶瓷粉體本身材質(zhì),、釉面裝飾等提出了更高的要求。雖然3D打印在造型上取得了突破,，但要想完全顛覆傳統(tǒng)陶瓷文化與工藝特色,，可能走的路還很長(zhǎng),。

編輯：南極熊
作者：王 超