一篇文章帶你讀懂陶瓷3D列印

陶瓷是一種傳統的無機材料，精美實用，已經有了上千年的歷史。硬而脆的特點使陶瓷材料加工成形尤其困難，傳統陶瓷製備工藝只能製造簡單三維形狀的產品，而且成本高、周期長。陶瓷3D列印技術的發展使複雜陶瓷產品製備成為可能，3D列印技術所具有的操作簡單、速度快、精度高等優點給陶瓷注入了新的活力。國外已有很多研究，出現了3DCeram、Lithoz等專註陶瓷3D列印的公司。目前國內陶瓷3D列印技術還不夠成熟，清華大學、西安交通大學等科研單位正在鑽研，也湧現出了十維科技等敢於探索的企業。

材料及應用

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩定性好、耐腐蝕等優異特性，是三大固體材料之一。目前陶瓷3D列印製備的主要有氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、磷酸鈣陶瓷等。

用途廣泛的陶瓷材料

陶瓷3D列印可以製備結構複雜、高精度的多功能陶瓷，在建築、工業、醫學、航天航空等領域將會得到廣泛的應用，在陶瓷形芯、骨科替代物、催化器等方向具有很好的應用前景，將給我們的生活帶來巨大改變。

配料

根據成形技術和最終的性能要求，選擇合適的原材料，一般包括陶瓷粉末、粘結劑、添加劑，按一定比例混合均勻。

用於3D列印的陶瓷材料形態包括：

漿料，陶瓷成分與其他溶劑及添加劑的混合物，通過物理、化學的方式成形；

陶瓷絲材，用於熔融堆積工藝；

陶瓷粉末，陶瓷粉末、礦化物、粘結劑等的混合物，用於激光燒結、粘接等；

陶瓷薄片，片壓成形、粘接。

3D列印成形

使用3D列印技術實現陶瓷零件成形，得到特定形狀結構的陶瓷坯體。具體方法見後文對各種陶瓷3D列印成形技術的介紹。

坯體後處理

對陶瓷坯體進行清洗、表面增強、修復、乾燥等後處理，使坯體的強度、精度等性能達到要求，有利於之後的熱處理環節。

脫脂和燒結

將完好的坯體放入爐子中，按照設定好的溫度制度、焙燒氣氛和壓力進行熱處理。這個過程分為兩個階段：加熱到600多℃脫去坯體中的有機物，這是十分敏感容易出現缺陷的階段；加熱到1000多℃實現緻密化、形成陶瓷，這是晶粒長大、晶界形成、實現陶瓷強度的過程，決定著製品的最終性能。燒結完成等冷卻後便可得到最終的陶瓷產品了。

陶瓷3D列印成形技術

目前陶瓷3D列印成形技術主要可以分為噴墨列印技術(IJP)、熔融沉澱技術(FDM)、分層實體製造技術(LOM)、選擇性激光燒結技術(SLS) 和立體光固化技術(SLA)。使用這些技術列印得到的陶瓷坯體經過高溫脫脂和燒結後便可得到陶瓷零件。根據成形方法和使用原料的不同，每種列印技術都有自己的優缺點，發展程度也有差距。

噴墨列印技術（IJP）

主要分為三維列印和噴墨沉積法。 三維列印是由MIT開發出來的，首先將粉末鋪在工作台上，通過噴嘴把粘結劑噴到選定的區域，將粉末粘結在一起，形成一個層，而後，工作台下降，填粉後重複上述過程直至做出整個部件。所用的粘結劑有硅膠、高分子粘結劑等。三維列印法可以方便地控制陶瓷坯體的成分和顯微結構，但是坯體需要後處理，而且精度低、強度低。

噴墨沉積法是由Brunel大學的Evans和Edirisingle研製出來的，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。該工藝的關鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制約其發展的因素主要是陶瓷墨水的配置和噴墨列印頭的堵塞。

漿料擠出成形技術（類似FDM）

與塑料3D列印的熔融沉積成形（FDM）類似，基本都是由供料輥、導向套和噴頭３個結構組件相互搭配來實現。首先熱熔性絲狀材料（混有陶瓷粉末的噴絲）經過供料輥，在從動輥和主動輥的配合作用下進入導向套，利用導向套的低摩擦性質使得絲狀材料精準連續地進入噴頭。材料在噴頭內加熱熔化後擠出噴嘴，擠出後的陶瓷高分子複合材料因為溫差而凝固，按照設計好的原件造型進行3D列印。

也有部分工藝採用高粘度的陶瓷漿料作為原材料，直接通過噴嘴擠出後在空氣中乾燥固化。

本技術雖然可以實現多種材料組合，但擠出最小直徑有限，在結構上受到局限，精度較低，比較適用於陶瓷工藝品和多孔材料的生物製造領域。本技術需要設置支撐結構、噴頭溫度高、對於原料的要求高。

分層實體製造技術（LOM）

一種薄片材料疊加工藝，又稱為薄形材料選擇性切割。直接通過激光切割薄膜材料（含粘結劑），移動升降工作台，切割新的一層薄膜材料疊加在之前的一層材料上，在熱粘壓部件的作用下粘結成形，是一種直接由層到立體零件的過程。

成形速度快，適合用於製造層狀複雜結構零件；不需要設置支撐結構，後期處理過程比較簡單。陶瓷薄片材料可以利用流延法製備得到，國內外對流延法製備陶瓷薄片材料的技術也已經比較成熟，原料的獲取方便快捷。但是，由於採用的薄膜材料需要進行切割疊加，不可避免地產生大量材料浪費的現象，利用率有待提高。同時列印過程採用的激光切割增加了列印成本。不適合列印複雜、中空的零件，層與層之間存在較為明顯的台階效應，最終成品的邊界需要進行拋光打磨處理。

激光選區燒結技術（SLS）

主要通過壓輥、激光器、工作台３個結構組件相互搭配來實現陶瓷3D列印。通過壓輥將粉末鋪在工作台上，電腦控制激光束掃描規定範圍的粉末，粉末中的粘結劑經激光掃描熔化，形成層狀結構。掃描結束後，工作台下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結，反覆操作同一步驟，最終列印出成品。

由於直接對陶瓷進行燒結比較困難，需在陶瓷粉中加入粘結劑或者將原料製成覆膜陶瓷的結構。粘結劑的種類、用量以及加入粘結劑後的陶瓷密度低、力學性能差等方面的問題一直制約著該技術的發展，難以得到高精度、高強度、高緻密度的陶瓷零件。同時，由於使用激光，該技術列印陶瓷零件成本高、後期維護較為繁瑣。

立體光刻技術（SLA）

又稱光固化成形技術。根據光源種類及作用方式的不同，分為激光掃描固化（SLA）和DLP（Digital Light Processing，數字光處理）面固化工藝。

SLA技術是通過激光的掃描曝光實現單層的固化。通過紫外激光束，按照設計好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹脂混合液體，逐點固化，由點及線，由線到面。通過xy方向固化成面後，通過升降台在ｚ軸方向的移動，層層疊加完成三維列印陶瓷零件。DLP技術是通過面光源的投影曝光實現單層的固化。以能在紫外光下固化的液態樹脂為粘結劑，與陶瓷粉體等原料混合配製出陶瓷漿料，計算機根據每個截面的輪廓線控制紫外光照射相應區域，漿料很快固化形成一層輪廓，逐層疊加，新固化的一層粘結在前一層上，如此重複直至成形完畢。

光固化成形技術發展至今已經較為成熟，適用於製作結構複雜、精度要求高的零件，已有公司研發出光固化3D列印設備。

陶瓷3D列印公司

隨著陶瓷3D列印技術的快速發展，國內外湧現出了一批專註陶瓷3D列印技術產業化的公司，技術原理大都是立體光刻。目前，這些公司在材料和設備研發方面取得了一定進展，開始出售陶瓷3D印表機，提供列印服務。

3DCERAM

創建於2001年，位於著名的法國瓷都利摩日，是世界範圍內陶瓷3D列印領域的領頭羊之一。十多年前，公司決定使用立體光刻技術（SLA）生產功能陶瓷。2005年，3DCeram與利摩日大學Brie du CHU教授一起合作推出了3D列印陶瓷植入物。漸漸地，也探索了其他市場，到現在已經與工業、航空、珠寶以及鐘錶等諸多不同領域的客戶建立和良好的合作關係，為其列印陶瓷樣品。

公司產品

大型工業級陶瓷3D印表機CERAMAKER：列印幅面為300*300*150mm，光源為激光，200um以上的細節可準確表現，於2015年推出。

桌面級陶瓷3D印表機C30：與德國Rapidshape公司聯合研發，列印幅面為50*40mm。

3DMIX列印材料：印表機配套的列印材料，已經開發的材質包括氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、羥基磷灰石(HAP)以及磷酸三鈣(TCP)等。FCP服務：快速響應的列印服務，滿足客戶對複雜形狀陶瓷產品製造需求。

Lithoz

奧地利高性能陶瓷3D列印公司，分拆自維也納技術大學。2014年獲得來自著名的3D印表機廠商EOS公司創始人兼CEO Hans J. Langer博士的投資。

Lithoz的專利技術——基於光刻的陶瓷製造（LCM）技術——能夠3D列印出具有高精確度、細節精緻、高密度和強度的陶瓷對象。 LCM技術是基於一種含有均勻分散的陶瓷粒子的感光樹脂的選擇性固化，該技術使用光聚合物作為陶瓷顆粒之間的粘合劑，從而能夠精確生成密度較高的陶瓷生坯。該方法的核心是一種專門設計的成像系統，該系統能夠通過最新的LED技術轉化每層信息並投射到感光樹脂上。這種成像技術與特殊的光學投影元器件一起，可以製造出具有非常精細細節的小型結構。

印表機CeraFab 7500精度為50um，列印幅面為76*43*150mm。

VormVrij 3D

荷蘭3D列印先驅，由設計師duo Yao和Marlieke創立，兩位創始人均畢業於荷蘭愛恩德霍芬設計學院（Design Academy Eindhoven ）。2015年初，結合3D列印和陶瓷專業知識，他們開發了一款高效、可靠的陶瓷3D印表機LUTUM，原料為粘土，經過多次迭代後又推出了該印表機的Mini版和XL版，以及可以實現雙色陶瓷3D列印的LUTUM Dual。

LUTUM? Mini：構建體積為43x43x45 cm （4,495歐元）

LUTUM? Dual：構建體積為40x40x45 cm （仍是試驗性的， 6,284歐元）

LUTUM? MXL：構建體積為 43x43x78 cm （ 5,395歐元）

2016年VormVrij 3D發布了其LUTUM系列粘土3D印表機的升級版。通過一系列創新，他們提高了印表機的解析度，甚至還使其能列印可食用的材料。

十維科技

國內首家推出高性能DLP光固化陶瓷3D印表機的企業，核心成員來自清華、北大、中科院。十維科技堅持以研發為導向，融合十餘年製造業一線經驗，經過長期設備和材料研究，於2016年底推出了高性能陶瓷光固化3D印表機AUTOCERA。2017年2月，首台AUTOCERA完成性能測試，交付北京理工大學。

AUTOCERA具有精度高、節約材料、參數開放等特點，特別適合從事陶瓷研究的高校與科研院所。

陶瓷3D列印技術的應用前景十分廣闊，市場潛力巨大，是目前熱門的研究方向。材料和設備研發仍然是接下來的重難點，產業應用將會逐步落地。