圖文并茂！一網(wǎng)打盡陶瓷3D打印技術(shù)

展會：2019第十二屆上海國際粉末冶金,、硬質(zhì)合金與先進(jìn)陶瓷展覽會
關(guān)鍵點(diǎn)：含3D打印展區(qū),，先進(jìn)與傳統(tǒng)的技術(shù)融合
時(shí)間：2019年3月25日-27日
地點(diǎn)：上海世博展覽館

據(jù)知名市場研究公司MARKETS ANDMARKETS(M&M)發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告顯示，3D打印陶瓷市場的全球規(guī)模有望從2016年的2780萬美元增長至2021年的1.315億美元,，期間的復(fù)合年增長率(CAGR)將高達(dá)29.6%,。

該報(bào)告還顯示，截至目前,，3D打印陶瓷市場份額最大的地區(qū)仍是北美,，并有望繼續(xù)領(lǐng)跑；歐洲其次,，而亞太地區(qū)則有望后來居上,，在未來5年里坐擁全球最高的增長率。主要包含3D打印用陶瓷粉末材料市場,、3D打印陶瓷產(chǎn)品市場和相關(guān)設(shè)備,、技術(shù)市場等的陶瓷3D打印市場，發(fā)展?jié)摿�巨大�?br />

陶瓷3D打印技術(shù)詳解
陶瓷件的3D打印包括配置陶瓷漿料,、繪制三維模型并切片,、3D打印成型、燒結(jié)等流程,，其無需原胚和模具,，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體,，簡化產(chǎn)品的制造程序,，縮短產(chǎn)生的研制周期，提高效率并降低成本,。

3D打印陶瓷過程

目前陶瓷3D打印成型技術(shù)主要可以分為噴墨打印技術(shù)(IJP),、熔融沉淀技術(shù)(FDM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM),、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 和立體光固化技術(shù)(SLA)等,。 使用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件。根據(jù)成型方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),，發(fā)展程度也有差距,。

1熔融沉積造型（FDM）
熔化沉積造型法由美國學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功，其以熱塑性絲狀為原料,，絲通過可在X-Y方向上移動的液化器熔化后噴嘴噴出,，根據(jù)所涉及部件的每一層形狀，逐條線,、逐個(gè)層的堆積出部件,。FDM使用的原材料有聚丙烯、ABS鑄造石蠟等,。

FDM具有成本低,、結(jié)構(gòu)簡單、原材料的利用效率高且沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染等優(yōu)勢,，但也具有制備出的原型表面有較明顯的條紋,、與截面垂直的方向強(qiáng)度小、成型速度相對較慢,、噴頭容易發(fā)生堵塞,，不便維護(hù)的劣勢。

2直寫自由成型（DIW）
直寫自由成型技術(shù),，將陶瓷制備成具有固化特性的陶瓷懸浮液,，計(jì)算機(jī)控制的Z軸上的漿料輸送裝置在X-Y平面內(nèi)移動，同時(shí)從針頭擠出陶瓷懸浮液,，其在pH值,、光照、熱輻射等固化因素作用下實(shí)現(xiàn)固化,，逐層堆積形成陶瓷零件毛坯,。

DIW具有無需紫外光和激光的輻射，常溫下成型,；可制備高致密化的燒結(jié)體的優(yōu)勢,，但也具有水基陶瓷懸浮液穩(wěn)定性較差，保存周期短,；有機(jī)物基陶瓷漿料穩(wěn)定性高,，保存周期長，但需增加低溫排膠過程,，制造成本高的劣勢,。

3噴墨打印技術(shù)（IJP）
噴墨打印法是由Brunel大學(xué)的Evans和Edirisingle研制出來的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件,。目前使用的陶瓷材料有ZrO2,、TiO2,、Al2O3等。

IJP具有成型原理簡單,，打印頭成本低，易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢,；但噴墨打印頭堵塞,，另外打印高度受限且不能打印內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)模型，還要求粉末粒徑分布均勻,，流動性好且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,。

4三維印刷工藝（3DP）
三維打印是由MIT開發(fā)出來的，首先將粉末鋪在工作臺上,，通過噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域,，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個(gè)層,，而后,，工作臺下降，填粉后重復(fù)上述過程直至做出整個(gè)部件,。目前,，以氧化鋯、鋯英砂,、氧化鋁,、碳化硅和氧化硅等陶瓷粉體為原材料。

3DP具有能夠大規(guī)模成型出陶瓷部件,，成本較低的優(yōu)勢,，但也具有黏結(jié)劑黏合強(qiáng)度受限導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限，難以獲得機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷器件的劣勢,。

5激光選區(qū)燒結(jié)/熔融（SLS/SLM)
SLM 的思想最初由德國Fraunhofer研究所于1995年提出,，SLS和SLM原理與三維印刷技術(shù)較類似，將粘接劑換為激光束,。在高功率密度激光器激光束開始掃描前,，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末,，加工出當(dāng)前層的輪廓,，然后調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工，如此層層加工,，直到整個(gè)零件加工完畢,。

SLS/SLM工藝使用的一般是塑料、蠟,、陶瓷,、金屬或其復(fù)合物的粉末,，其具有無需支撐即可制備復(fù)雜陶瓷零件的優(yōu)點(diǎn)，但也存在因受到粘接劑鋪設(shè)密度的限制導(dǎo)致陶瓷制品致密度不高的問題,。

6光固化快速成型技術(shù)（SLA)
SLA技術(shù)是通過激光的掃描曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化,。通過紫外激光束，按照設(shè)計(jì)好的原件層截面,，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹脂混合液體,，逐點(diǎn)固化，由點(diǎn)及線,，由線到面,。通過xy方向固化成面后，通過升降臺在z軸方向的移動,，層層疊加完成三維打印陶瓷零件,。

SLA具有成型精度極高陶瓷件燒結(jié)后致密度高的優(yōu)勢；但存在后處理麻煩,，以及二次固化問題,，另外，SLA難以加工折射率較高的陶瓷材料,。

7疊層實(shí)體制造（LOM）
在層片疊加制造工藝中,，將單面涂有熱溶膠的箔材通過熱輥加熱，由紙,、陶瓷箔,、金屬箔等構(gòu)成的材料就會粘接在一起。然后上方的激光器按照CAD模型分層數(shù)據(jù),，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓,，再鋪上新的一層箔材，重復(fù)上述過程,，直至整個(gè)零部件打印完成,。

LOM具有成形速度快，適合用于制造層狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件,，后期處理過程比較簡單的優(yōu)勢,，但也存在不可避免的產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用率有待提高,，同時(shí)打印過程采用的激光切割增加了打印成本,。

綜述與展望
陶瓷3D打印技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，在復(fù)雜結(jié)構(gòu),、一體化制造,、降低成本和縮短研制周期等方面極具潛力，打破了陶瓷傳統(tǒng)加工工藝的限制,，受到了眾多學(xué)者和企業(yè)家的關(guān)注,。

目前國外陶瓷基3D打印材料制造商主要包括美國的3DSystems,、Tethon 3D和Viridis3D以及澳大利亞Lithioz公司。國內(nèi)知名企業(yè)有北京太爾時(shí)代,、湖南華曙高科,、武漢三維、北京十維,、浙江迅實(shí),、深圳長朗、中航邁特等,。

2012-2017全球及中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模

（單位：億美元）

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)從事3D打印的企業(yè)接近200家,，70%集中在桌面打印領(lǐng)域,，而從事工業(yè)打印機(jī)生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)有四五十家，從事金屬打印的企業(yè)有三十家,，從事生物打印的企業(yè)大概接近十家,，從事材料打印的企業(yè)大概有二三十家。雖然在企業(yè)數(shù)量上,，我國已經(jīng)可以媲美國外企業(yè),，但是在綜合實(shí)力方面，仍有很大的差距,。

目前,，國內(nèi)外3D打印發(fā)展的差距：
1)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，市場需求不足;
2)美國3D打印產(chǎn)品的快速制造水平比國內(nèi)高;
3)燒結(jié)的材料尤其是金屬材料,，質(zhì)量和性能比我們好;
4)激光燒結(jié)陶瓷粉末,、金屬粉末的工藝方面還有一定差距;
5)國內(nèi)企業(yè)的收入結(jié)構(gòu)單一，主要靠賣3D打印設(shè)備,，而美國的公司是多元經(jīng)營,，設(shè)備、服務(wù)和材料基本各占銷售收入的1/3,。

展望未來,，3D打印是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ),，以個(gè)性化,、短流程為特征，實(shí)現(xiàn)直接制造,、桌邊制造和批量定制的新的制造方式,，相信在不久的將來，3D打印技術(shù)一定會在陶瓷領(lǐng)域大有作為,。

來源：粉體網(wǎng)