光固化陶瓷3D打印設(shè)備的主要類型及特點，協(xié)同高科分享

來源：協(xié)同高科

南極熊導(dǎo)讀：陶瓷3D打印,，正在成為3D打印行業(yè)的熱點趨勢,，陶瓷屬于無機(jī)非金屬材料，作為三大材料之一,，其3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域潛力巨大,。

光固化陶瓷3D打印設(shè)備的發(fā)展簡介   

1. 國外光固化陶瓷3D打印設(shè)備的發(fā)展簡介
立體光固化3D打印，是增材制造領(lǐng)域最受歡迎和最普遍的技術(shù)之一,，它由美國3D Systems公司開發(fā),，該公司由Chuck Hull于1986年創(chuàng)立。Hull在1986年創(chuàng)造了“立體光刻”這一術(shù)語,，他將這項技術(shù)定義為通過連續(xù)印刷紫外線固化的薄層來制造3D物體的方法,，這種技術(shù)最初的用途主要用于對純光敏樹脂體系的光固化成型,。由于其成型不依賴模具、可以自由設(shè)計,、極易實現(xiàn)高復(fù)雜程度樣件的打印,，并且具有打印精度高、表面質(zhì)量好等特點,，該技術(shù)逐步向陶瓷,、金屬等領(lǐng)域拓展。在上世紀(jì)90年代最初開展的光固化陶瓷3D打印研究中,，一般采用的設(shè)備就是樹脂型光固化打印機(jī),，例如美國密歇根大學(xué)的John Halloran、Brady和Griffith 等人[1-2]采用的是3D Systems公司的SLA-250/40型設(shè)備進(jìn)行陶瓷光固化成型研究,。而同時期法國利摩日大學(xué)的Chartier教授團(tuán)隊[3-4]在研究中采用的設(shè)備仍然是基于樹脂光固化3D打印設(shè)備的原理,，即采用紫外激光器作為光源，通過X-Y掃描振鏡來調(diào)整激光光路,，使得激光選擇性的照射在陶瓷漿料表面形成固化層,，然后通過平臺向下移動一個層厚的距離Δz，再次鋪一層漿料并且完成新一層的固化…,，這樣通過層層固化堆疊的方式完成對樣件的打印,。

而光固化陶瓷3D打印機(jī)真正推向市場，為市場認(rèn)識并且逐步認(rèn)可主要發(fā)生在2010年之后,，這其中具有代表性的陶瓷光固化打印機(jī)廠家國外主要有3D CERAM(盡管3DCERAM公司2001年成立，然而他們直到2015年才推出首款工業(yè)級陶瓷3D打印機(jī)[5]),、LITHOZ,、ADMATEC、Prodways等,，這些企業(yè)成立的時間軸如下圖所示,。

△圖1 一些知名光固化陶瓷3D打印廠家的成立時間軸

2. 國內(nèi)光固化陶瓷3D打印設(shè)備的發(fā)展簡介
陶瓷光固化成型技術(shù)在國內(nèi)起步相對較晚，但是相關(guān)的學(xué)術(shù)研究越來越多,，也誕生了一些以陶瓷光固化設(shè)備為經(jīng)營主體的企業(yè),，然而主要局面仍是以院校研究為主體。盡管陶瓷光固化成型是目前國內(nèi)研究的熱門方向,，但是與國外相比,，國內(nèi)陶瓷光固化打印技術(shù)/設(shè)備還達(dá)不到真正工業(yè)化應(yīng)用的水平，與國外的技術(shù)水平還有明顯的差距,，特別在高精度高強(qiáng)度陶瓷光固化成型設(shè)備及材料的產(chǎn)業(yè)化方面存在明顯短板,。

△協(xié)同高科陶瓷打印設(shè)備

深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司（以下簡稱 “ 協(xié)同高科 ” ）光固化陶瓷團(tuán)隊是國內(nèi)較早開始進(jìn)行工業(yè)級陶瓷光固化漿料配方、工藝應(yīng)用開發(fā)的專業(yè)團(tuán)隊之一,，從2016年開始至今已有該領(lǐng)域?qū)⒔�十年的技術(shù)累計,，公司的優(yōu)勢在于將近十年的陶瓷光固化材料配方與工藝的研發(fā),，并且深耕于高純度氧化鋁、高精度高強(qiáng)度氧化鋯等少數(shù)幾種熱門應(yīng)用陶瓷材料的開發(fā),，應(yīng)用于航空航天,、半導(dǎo)體、精密電子等行業(yè),。公司在2023年面向市場推出了XT-C100,、XT-C200機(jī)型，這些陶瓷打印機(jī)的推出是公司光固化陶瓷漿料及工藝技術(shù)累積下的裝備定向開發(fā),。

光固化陶瓷3D打印機(jī)的種類及其特點   
光固化陶瓷技術(shù)方面目前主要有逐點掃描式光固化和面曝光固化兩種[6],，相應(yīng)的打印設(shè)備分別是以紫外激光器為光源的點-線掃描式的光固化陶瓷3D打印機(jī)（以下簡稱此方式為SLA）和以數(shù)字光源（Digital Light Procession）進(jìn)行面曝光的光固化陶瓷3D打印機(jī)（以下簡稱此方式為DLP），兩者的示意圖如下[7]：

△圖2 SLA成型方式與DLP成型方式[7]

而紫外光源的放置位置又決定了成型平臺的運(yùn)行方式,，其中將光源置于成型平臺下方從而向上出光進(jìn)行成型的情況下,，平臺運(yùn)行的方式是逐步向上提拉的（提拉式）；將光源置于成型平臺上方從而向下出光進(jìn)行成型的情況下,，平臺運(yùn)行的方式是逐步向下移動的（下沉式）,。一般SLA陶瓷打印機(jī)少有將紫外激光器置于成型平臺下方，因此市面上常見的SLA陶瓷打印機(jī)的成型平臺運(yùn)行方式一般是下沉式的,；而DLP陶瓷打印機(jī)則大多數(shù)是將紫外光源置于成型平臺下方,，進(jìn)而采用成型平臺提拉式的運(yùn)行方式。

△圖3 下沉式（左）[8]與提拉式（右）[9]成型方式的對比

之所以在光源的選擇及成型平臺的運(yùn)行方式上衍生出不同類型的光固化陶瓷3D打印機(jī),，根本的原因一方面是對產(chǎn)品打印精度,、打印速度、產(chǎn)品大�,。ù蛴》�面）的定位不��,，另一方面則取決于光固化陶瓷材料的狀態(tài)。SLA設(shè)備采用紫外激光（波長一般355nm~405nm）進(jìn)行線掃描,，激光光斑尺寸細(xì)微到30μm,，因而能夠制造出微米級分辨率的高表面質(zhì)量零件，這樣SLA的成型方式能同時在保證較高的精度的同時覆蓋到更大的打印幅面,，例如目前市面上已有打印幅面600×600×300mm的SLA機(jī)型,。

而DLP則運(yùn)用了美國德州儀器公司的數(shù)字微鏡元件（Digital Micromirro Device)，DMD是由與顯示圖像像素相對應(yīng)的數(shù)百萬個微鏡矩形陣列組成的芯片,。通過靜電力驅(qū)動微鏡,，可以單獨旋轉(zhuǎn)±(10~12)°，起到控制超快速光開或關(guān)的狀態(tài)[10],。超快速的光線切換和整體投影使DLP打印處理時間比傳統(tǒng)的SLA點－線－面掃描過程明顯縮短,，而且可以獲得微米級的特征分辨率[11]。

△協(xié)同高科陶瓷打印樣件     

然而芯片精度與打印幅面存在著一個矛盾的關(guān)系,，盡管目前有些DLP打印機(jī)已經(jīng)采用了4K分辨率的芯片,，但由于DLP采用的投影式出光方式,，當(dāng)打印樣品的尺寸越大時，其切片投影面也越大,，這樣造成了DLP在成型大尺寸樣品時其打印精度會大幅降低,。為了使DLP陶瓷打印機(jī)能同時滿足高精度以及大幅面的需求，目前的解決方案主要有兩種,，一種是可移動式光機(jī)的方式,；另外一種則是多個光機(jī)拼接的方式，這種功能使該過程能夠在整個構(gòu)建平臺上實現(xiàn)極高的分辨率和25至150µm的層厚度,，并且同時設(shè)備幅面可高達(dá)≥300×445mm的規(guī)模,。

小結(jié)   
根據(jù)Market Digits 2024年4月發(fā)布的市場研究報告，2023年陶瓷3D打印市場價值為2.7億美元,，預(yù)計到2032年將達(dá)到26億美元,，在分析期間增長28.6%。3D打印是一種不斷發(fā)展的制造技術(shù),，與聚合物或金屬工藝相比,，陶瓷3D打印仍然是一個利基市場。在光固化陶瓷設(shè)備的市場化應(yīng)用方面,，國外公司走在工業(yè)化應(yīng)用的前列,，已經(jīng)在醫(yī)療、半導(dǎo)體晶圓,、電子等工業(yè)應(yīng)用中取得了矚目的成績,，而國內(nèi)面向工業(yè)化應(yīng)用仍未鋪展開來，多是應(yīng)用于科研院所等單位,。盡管如此,，越來越多的高校、相關(guān)廠家均在此領(lǐng)域布局,，也表明了光固化陶瓷設(shè)備的應(yīng)用前景較為光明、潛力巨大,。

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