解讀3D打印陶瓷技術

　　目前陶瓷3D打印技術主要有激光選區(qū)燒結(jié)技術(SLS)、熔融沉積成型技術(FDM)、分層實體制造技術(LOM)、三維打印技術(3DP)和噴墨打印技術(IJP)等。點擊了解FDM 3D打印機價格。

　　1.1激光選區(qū)燒結(jié)技術(SLS)

　　激光選區(qū)燒結(jié)技術(SLS)主要通過壓輥、激光器、工作臺3個結(jié)構(gòu)組件相互搭配來實現(xiàn)。其具體原理是通過壓輥將粉末鋪在工作臺上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復操作同一步驟，最后打印成品。

　　激光選區(qū)燒結(jié)技術的主要優(yōu)點是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。由于成型過程中需要激光的引入，粉末需要預熱和冷卻，成型周期較長，后續(xù)處理工藝復雜。同時由于所采用的原料粉需要能在激光作用下粘結(jié)并且高溫完全燒成，因而能夠制備的產(chǎn)品種類有限。

　　1.2熔融沉積成型技術(FDM)

　　熔融沉積成型技術的原料是熱熔性陶瓷材料，多數(shù)被制作成便于存儲運輸?shù)慕z狀。熔融沉積打印設備主要是由配合送料輥、導套和噴頭三個部分組成的。開始時，熱熔絲狀材料通過送料輥，在從動輥與主動輥的共同運作下進入導向套，導套的摩擦系數(shù)較低，使絲狀物料準確、連續(xù)地進入噴嘴。物料在噴頭內(nèi)受熱熔化，根據(jù)計算機輸出的數(shù)字模型進行打印。

　　熔融沉積成型技術不需要激光技術的幫助，具有成本低的優(yōu)點，使用維護方便。缺點是打印過程需要支撐結(jié)構(gòu)，在堆積打印的過程中，隨高度增加，上部分質(zhì)量增加，下部材料強度不足以支撐和固定上部材料。尤其是在打印形狀復雜的制品時，上層打印物往往比下層打印物面積更大，為了使陶瓷制品在打印中不崩塌，需要外設支持結(jié)構(gòu)。

　　熔融沉積成型技術原理簡單，過程相對易于控制，但打印過程需要較高溫度將打印材料熔化，這就要求材料在熱熔化后不易分解且保持適當?shù)牧鲃有浴榱藵M足制品結(jié)構(gòu)性能要求，打印材料要具有一定的抗壓強度和一定的剛度。為保證材料的尺寸精度，材料在凝固成型過程中的收縮率不能過大。因此陶瓷熔融沉積成型技術受到了很大的制約。

　　1.3分層實體制造技術(LOM)

　　分層實體制造是利用激光切割陶瓷薄膜片材，采用背面涂有熱熔膠的薄膜片材為原料，層與層間依靠加熱和加壓粘結(jié)，各層形狀累積疊加起來成為實體件。熱熔膠里含有樹脂，有機粘結(jié)劑等，通過熱熔膠機送到被粘合物表面，熱熔膠冷卻后即完成了粘合。[4]分層實體制造技術利用陶瓷薄片的切割累加成型，是直接由面到體的成型方式，省略了其他技術由點到線、由線及面的加工過程，這是分層實體制造技術與其他3D打印技術相比的優(yōu)勢。

　　分層實體制造技術采用的陶瓷薄片可以利用流延法制備得到，國外對于流延法制備陶瓷薄片的技術已經(jīng)比較成熟，原料獲取十分方便。分層實體制造技術的成型速度快，前期準備工作簡單，但是材料利用率較低。其成型原理簡單，工作空間大，適合加工尺寸較大的零部件，但分層實體制造技術加工出的零件力學性能較差、精度較低，不適合加工精密零件。

　　1.4三維打印技術(3DP)

　　三維打印技術是利用計算機控制精密噴頭先將粘結(jié)劑溶液按照零件界面形狀噴射在鋪平的陶瓷粉末上，再將粉末粘結(jié)在一起形成零件輪廓，如此層層堆積，最后進行后期處理得到所需零部件。

　　三維打印技術成型原理簡單，能適應打印多種陶瓷材料，如氧化鋯陶瓷、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等。由于該工藝采用噴射黏結(jié)劑的方式粘結(jié)，因此黏結(jié)劑的選擇以及配比比例非常重要。符合要求的黏結(jié)劑必須有適當?shù)酿ざ群捅砻鎻埩Γ瑸榱藵M足這個要求，有時需要在黏結(jié)劑中添加一定量助劑，如分散劑、活性劑。

　　1.5噴墨打印技術(IJP)

　　噴墨打印技術是從三維打印成型技術發(fā)展而來，該技術將陶瓷粉體與各種有機物和溶劑配制成陶瓷墨水，通過計算機指令將陶瓷墨水逐層噴打到平臺上，形成所需形狀和尺寸的陶瓷坯體。[5]陶瓷墨水的配制是噴墨打印技術的關鍵，要求陶瓷粉體在墨水中具有良好的均勻分散度，合適的表面張力、黏度及電導率，較快的干燥速率和較高的固相含量。

　　噴墨打印技術不需要激光技術進行工作，節(jié)省了制作成本，然而，目前陶瓷墨水的配置以及噴墨打印頭的堵塞等問題制約著該技術的發(fā)展。因此，在以后的研究中要注意以下問題：

　　合理選用陶瓷油墨中無機非金屬粒徑的大小和粘結(jié)劑的粘度;

　　根據(jù)油墨中各添加劑的含量，選取合適的噴頭毛細管直徑。

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