工艺总结：直接与间接陶瓷3D打印工艺种类及特点

陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的化学稳定性，在机械、化工、电子、航空航天、生物医学等工业领域得到广泛应用。传统的陶瓷加工技术，包括注射成型、干压成型、凝胶注射成型等，对模具的依赖性很强，无法满足集成化、复杂化、精密化陶瓷产品快速制造的要求。增材制造技术基于离散堆叠原理，根据预先设计的三维实体模型，将一系列离散材料按预定轨迹逐层堆叠，从而制造出物理零件。与传统的陶瓷加工技术相比，陶瓷增材制造技术打破了传统陶瓷加工过度依赖模具的局限，无需模具即可快速生产出完全个性化的陶瓷产品，结构设计自由度高，并被认为是构成工业4.0的众多颠覆性技术之一。

根据是否需要进行后处理，陶瓷增材制造技术可分为间接陶瓷增材制造和直接陶瓷增材制造。本文内容，3D打印技术参考重点介绍这些技术的成形特点。

一. 陶瓷间接增材制造技术

陶瓷间接增材制造也称为“多步”成型方法。第一道工序是通过光固化、激光烧结、粘结剂喷射、材料喷射和挤出制备无模具的陶瓷生坯，主要的工艺类型包括SLA、DLP、TPP、SLS、Binder Jetting、NPJ、FDM/PEP等；第二道工序是对陶瓷生坯进行高温脱脂和烧结，从而实现陶瓷部件的高致密化。该方法按原料形态大体可分为浆料、粉末、粒料以及丝材。

1. 激光烧结

激光烧结与光固化在成型机理上存在巨大差异，SLS技术需要利用低熔点的高分子粉末作为粘结剂将粉末连接在一起，导致脱脂后生坯致密化程度低。因此，在后处理过程中，压力渗透、温等静压和冷等静压通常用于实现SLS陶瓷部件的高致密化。此外，在脱脂和烧结过程中，SLS工艺制备的陶瓷坯体容易因高温热收缩而产生开裂缺陷。

2.光固化

光固化技术的优点是能够制备出均匀性高、内应力低、精度高的陶瓷生坯件。但对于光固化工艺，浆料由陶瓷颗粒、光敏树脂和光活性组分组成，光活性组分包括光引发剂、惰性染料和抑制剂，光引发剂吸收特定波长的光子后，会发生浆料中感光材料的聚合。对于该工艺，浆料中粉末的反射率会限制可加工的陶瓷种类。另外，陶瓷浆料是一种悬浮物，可能会造成打印层间的颗粒偏析，严重影响烧结件的致密度和机械性能。在SLS技术中，可以避免制备浆料的繁琐过程，提高了陶瓷坯体的成型效率。然而，SLS技术的低分辨率导致成型零件的精度差和密度低。

3. 粘结剂喷射

粘结剂喷射是一种基于喷墨技术的增材制造技术，也是基于粉末床的3D打印技术。该技术首先在打印平台床上铺设0.05～0.2mm层厚的粉末，然后选择性的在特定区域喷射粘结剂实现模型截面图案的固化。在通过层层叠加得到陶瓷坯体后，需要取出打印模型进行脱脂和烧结最终得到致密化的陶瓷零件。该工艺可以高效且批量打印具有复杂形状的陶瓷产品。国内的知名品牌有广东峰华卓立等，国外则有Exone（Desktop Metal），这些公司经过多年的探索与研究，均成功开发了基于粘结剂喷射技术的陶瓷3D打印装备、粘结剂以及脱脂烧结等后处理技术。然而，该技术但仍存在一些技术和工业应用方面的挑战，如粘结剂的种类（有机或无机）、粘度、喷射量、表面张力、干燥时间等参数会对陶瓷零件的形成质量、强度和后续烧结过程均会造成影响。

粘结剂喷射3D打印的 SiC 组件

材料喷射技术是将包裹有纳米陶瓷粉（金属粉）或支撑粒子的液体装入打印机并喷射在建造平台上，通过高温使液体蒸发留下实体部分，最后通过低温烧结完成成型的技术。该工艺具有极高的技术难度，根据3D打印技术参考的观察，发展多年当前仍只有以色列XJET公司实现了该工艺的商业化。这种直接喷射陶瓷或金属纳米颗粒的方法，能够实现极高的细节和精度表现力，而其关键在于纳米颗粒在油墨中的分散以及喷射工艺。与其他工艺相比，它的高成本缺点也非常显著。

基于粉末沉积，国外一家名为Grid Logic的公司开发了一种独特的基于粉末的3D打印，其没有复杂的喷墨或激光系统，也没有铺粉装置，而是使用挤出式3D打印头进行粉末选择性沉积。打印机可配备多种粉末，其中一种充当支撑，打印完成后，将带有所有粉末的整个构建室放入烧结炉中，金属/陶瓷颗粒以传统方式熔合在一起，支撑粉末在烧结过程中继续支撑陶瓷材料，并在一定程度上可以重复使用。

根据该过程的特点可以理解，相比光固化和激光烧结，挤出技术在制造效率上可能存在不足。

二. 陶瓷直接增材制造技术

陶瓷直接增材制造技术通过高能量密度激光束直接熔化陶瓷粉末，可实现陶瓷零件成型与烧结一体化，按送粉形式可分为铺粉式（SLM）和送粉式（LENS/DED）。该方法可用于制造氧化物共晶陶瓷，3D打印技术参考查询到，西北工业大学苏海军教授团队在长期开展超高温氧化物共晶陶瓷定向凝固成形研究的基础上，针对共晶陶瓷领域发展面临的瓶颈并结合金属激光增材制造技术原理，率先提出将激光增材制造技术应用到超高温氧化物共晶陶瓷制备上的设想，并初步证实了该设想的可行性。

激光增材制造技术以粉末作为原材料，粉末特性直接影响加工过程的稳定性及沉积试样的成形质量。为保证原材料供给及熔凝过程的均匀稳定，粉末颗粒要具有良好的流动性以及高的致密性。为此, 金属增材制造领域开发了气雾化等技术来制备高质量球形金属粉末，目前已实现了产业化应用。雾化技术的原理是利用高压气流等外力将连续金属熔体破碎成细小的液滴，经快速冷凝后获得球形粉末。球形形貌保证了粉末的流动性，液固相变保证了所得粉末的致密性。 

与金属增材制造相比，陶瓷材料激光增材制造研究起步相对较晚，目前尚未有成熟的满足激光增材制造的高质量球形陶瓷粉末制备工艺。此外，陶瓷材料熔点高、熔体粘度大的特点为开发基于液固相变的陶瓷形貌改性工艺带来了极大的挑战。

独立控制各陶瓷组元输送的LDED成形工艺

需要指出的是，激光增材制造是一个局部急热骤冷且逐点快速循环往复扫描的过程，在基板及已沉积层内形成复杂分布的温度场，进而产生大的热应力。高的热应力是激光增材制造技术的一个显著特征，如何调控热应力是提升激光增材制造陶瓷材料成形质量和降低缺陷的关键。对于脆性陶瓷材料而言，试样中存在的应力极易诱发裂纹甚至造成试样开裂，导致成形失败。此外，原材料粉末中包含的空气极易在快速熔凝过程中诱发气孔缺陷。气孔不仅会影响逐层制备过程中熔池的稳定性，而且易导致成形试样的性能恶化。因此，控制裂纹、气孔等凝固缺陷是影响激光增材制造氧化物共晶陶瓷成形及成性的关键所在，是本领域当前研究的重点和难点。

END

陶瓷材料增材制造已成为先进陶瓷制造领域最具发展潜力的重要方向。本文，3D打印技术参考主要介绍了当前的陶瓷增材制造工艺类型及其制造特点。与其他材料增材制造应用相比，陶瓷发展相对缓慢。但研究公司IDTechEx发布的一份关于陶瓷增材制造市场的新报告，其市场规模将显著增长，这得益于越来越多的参与者寄希望于这项技术。