一文帶你了解陶瓷光固化3D打印技術(shù)

來源：科陶智造  

陶瓷材料作為三大基本材料之一，以優(yōu)良的理化特性在工業(yè)界被廣泛應(yīng)用,。但因傳統(tǒng)陶瓷制備工藝的限制,，工業(yè)中使用的陶瓷制品往往只具備簡單的三維形狀,。增材制造技術(shù)的發(fā)展讓復(fù)雜的陶瓷產(chǎn)品成為可能。目前來看,，已經(jīng)被成功應(yīng)用于陶瓷3D打印的領(lǐng)域有航天、骨科,、齒科,、化工、藝術(shù)等領(lǐng)域,。陶瓷3D打印作為增材制造行業(yè)的新興技術(shù),，開始體現(xiàn)出越來越大的作用。

目前成熟的陶瓷增材制造技術(shù)主要有：光固化成型（SLA）,、三維印刷（3DP）,、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實體制造（LOM）和擠出成型（EFF）等,，其中,，光固化成型（SLA）是目前陶瓷增材制造技術(shù)中主流的3D打印工藝，具有成型速度快,、自動化程度高,、尺寸精度高、表面質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),。

光固化3D打印優(yōu)勢
目前,，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，新型的3D打印材料不斷涌現(xiàn),，越來越多的材料被廣泛使用,，而光固化3D打印顯而易見的優(yōu)勢就是突破材料限制。陶瓷光固化起步較晚,，但發(fā)展迅速,，越來越多的研究者對其進(jìn)行研究，不僅因為因為陶瓷材料的性能優(yōu)異,，應(yīng)用前景廣泛,，也因為光固化陶瓷3D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,。

陶瓷光固化工藝
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,。

陶瓷漿料制備

漿料包含陶瓷粉,、單體、交聯(lián)劑,、分散劑,、溶劑和光引發(fā)劑等材料。在進(jìn)行制備時,，需要對陶瓷粉體進(jìn)行前處理,。前處理法是一種在配制漿料前，使用分散劑對陶瓷顆粒表面改性的辦法,。陶瓷件漿料具體配制過程如下：

脫脂燒結(jié)

將打印完成的陶瓷素坯模型放入脫脂爐中,，在脫脂爐中陶瓷素坯內(nèi)的光敏樹脂和其他添加劑會緩慢的完全排出陶瓷素坯，脫脂完成后,，陶瓷素坯完全由陶瓷粉體組成,。為了得到致密的陶瓷成品，還需要對脫脂后的陶瓷模型放入高溫?zé)�結(jié)爐燒結(jié),。燒結(jié)致密后,，就可以得到成品陶瓷模型。

需要注意的是,，燒結(jié)過程中會伴隨有機(jī)物分解和陶瓷顆粒晶粒與晶界的變化,，有機(jī)物分解殘余的碳會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此選擇合適的燒結(jié)工藝對最終陶瓷產(chǎn)品起著很重要的作用,。

陶瓷光固化技術(shù)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，因此國內(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。此外,，打印件通常需要進(jìn)行后處理,。

陶瓷光固化應(yīng)用案例
當(dāng)前，陶瓷光固化3D打印技術(shù)由于具有成型過程自動化程度高,、制造原型表面質(zhì)量好,、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較驚喜的尺寸成型等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用,。

航空航天
借助陶瓷型芯,，可以實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片復(fù)雜空心冷卻結(jié)構(gòu)的成形,，解決渦輪葉片的承溫能力限制問題�,？荡T德陽智能制造有限公司的李琴等人以粒徑≤10um的氧化硅粉體為基體材料,，使用3DCERAM打印機(jī)通過SLA光固化成形技術(shù)制備了硅基陶瓷型芯。該陶瓷型芯抗蠕變性能較好,，滿足應(yīng)用要求,，可以供重型燃機(jī)空心葉片熔模鑄造使用。

生物醫(yī)療
ZrO2陶瓷作為臨床冠橋修復(fù)材料之一,，因其優(yōu)秀的理化性能,、良好的美學(xué)修復(fù)效果及穩(wěn)定的生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于臨床修復(fù)治療,。同時結(jié)合固化3D打印技術(shù)更為牙科陶瓷修復(fù)體提供一個新的發(fā)展方向,。例如現(xiàn)已有研究人員利用光固化技術(shù)打印無細(xì)胞毒且良好生物相容性ZrO2-Al2O3牙，并成用于口腔修復(fù)中,。

電池領(lǐng)域
光固化3D打印技術(shù)制備固態(tài)鋰離子電池的方法,，通過在電極膏體和電解質(zhì)膏體引入光敏聚合物網(wǎng)絡(luò)基體，實現(xiàn)了電池整體的光固化3D打印成型,；該方法不僅可以提高電解質(zhì)膏體的粘度和流變性,，還可以提高復(fù)合固體電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)電性，最終獲得了具備優(yōu)良電化學(xué)特性,、成型可調(diào)和安全穩(wěn)定的儲能器件,。

雖然陶瓷3D打印相比與樹脂和金屬3D打印的發(fā)展還處于起步階段，但是光固化3D打印為傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷的制造開辟了全新的途徑,。相信通過材料和化學(xué)基礎(chǔ)研發(fā),，以及光固化工藝原理的進(jìn)一步創(chuàng)新，陶瓷光固化3D打印在機(jī)械,、光學(xué),、通訊、電子,、能源,、環(huán)保、生物,、醫(yī)療,、航空航天等各類高技術(shù)陶瓷制造領(lǐng)域均具有光明的前景和未來。