陶瓷3D打印技術(shù)由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和運(yùn)動系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)形成三維模型、進(jìn)行分層處理、生成運(yùn)動代碼將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\(yùn)動系統(tǒng)上，運(yùn)動系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)完成打印。日前的陶瓷3D打印技術(shù)重點(diǎn)有噴墨打印技術(shù)(Ink-Jet Printing, IJP)、熔化沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling, FDM/Fused Deposition Ceramics, FDC)、光固化成型技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus, SLA/Digital Light Projection, DLP)、分層實(shí)體制造技術(shù)(Laminated Object Manufacturing, LOM)、激光選區(qū)熔化技術(shù)/激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM/Selective Laser Sintering, SLS)、三維打印成型技術(shù)(Three Dimensional Printing, 3DP)、漿料直寫成型技術(shù)(Direct Ink Writing, DIW)。
1 噴墨打印技術(shù)(IJP)
噴墨打印技術(shù)(IJP)能夠應(yīng)用連續(xù)式噴墨機(jī)(continuous ink-jet printer)和間歇式噴墨打印機(jī)(drop-on-demand jet printer)。按照打印原理可分為壓電式(piezoelectric drop-on-demand)和熱泡式(thermal drop-on-demand)。IJP的原材料是由于非金屬材料、分散劑、黏結(jié)劑、表面活性材料和其他輔助材料混合而成的“陶瓷墨水”。其成型辦法為：由計(jì)算機(jī)經(jīng)過CAD等軟件創(chuàng)立三維模型，再由噴頭將陶瓷材料按模型進(jìn)行逐層的圖案繪制完成打印。
連續(xù)式噴墨機(jī)利用工作腔內(nèi)的恒定壓力，使墨水克服自己表面張力從噴嘴噴出，激勵振蕩器將墨流切斷成均勻體積的墨滴，利用偏轉(zhuǎn)電場掌控墨滴在工作臺上的落點(diǎn)。間歇式噴墨打印機(jī)利用電子脈沖掌控噴頭的多個噴嘴開啟，在壓力功效下，墨滴被噴射到打印面上。
此種打印技術(shù)的核心問題在于其原材料的配置。陶瓷墨水需要有良好的穩(wěn)定性，保準(zhǔn)其在打印過程中的形狀和密度的一致性，同期陶瓷墨水中的非金屬顆粒直徑必須足夠的小，以此來保準(zhǔn)其在噴射過程中不顯現(xiàn)堵塞噴頭的問題。
2 熔化沉積成型技術(shù)(FDM)
FDM技術(shù)的原料為熱熔性絲狀材料。其工藝原理如圖 1所示，絲狀材料在卷軸和壓輥的一起功效下垂直地送入噴頭中，噴頭的一個或多個加熱安裝將材料加熱熔化并按設(shè)計(jì)擠出，逐層累加，打印成型。熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍小于固化溫度，因此呢熱熔性材料擠出噴頭后，隨即與前一層面熔結(jié)在一塊。因?yàn)?/span>打印過程材料逐層累加，下層材料沒法支撐上層材料的質(zhì)量，因此FDM打印需要支撐結(jié)構(gòu)。
圖 1 FDM工藝原理圖
Rutgers大學(xué)和Argonne國家實(shí)驗(yàn)室率先將FDM成型辦法用于陶瓷材料的加工制備，這般的技術(shù)被叫作為熔融沉積成型技術(shù)(Fused Deposition of Ceramics, FDC)。FDC的原材料為陶瓷粉體和熱塑性聚合物，將陶瓷粉體和熱塑性聚合物在略高于其熔點(diǎn)的環(huán)境下熔化為流體狀，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)的掌控使噴頭呈絲狀將流體從軸線上擠出，逐層沉積在平臺上，得到陶瓷生坯。
FDC技術(shù)擁有對工作環(huán)境需求低、操作與前期工作簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。然則其對噴頭的加熱溫度和材料性質(zhì)需求較高。FDM噴頭需要對材料進(jìn)行加熱以達(dá)到將絲狀材料轉(zhuǎn)化為流體材料的目的，溫度過高與過低直接影響到材料的性質(zhì)，最后影響打印質(zhì)量。熱熔型絲狀材料在常溫狀態(tài)下保準(zhǔn)其為絲狀材料，且其應(yīng)擁有必定的彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度及硬度，在材料熔化后應(yīng)擁有必定的流動性、黏稠度及適當(dāng)?shù)氖湛s率以此來保準(zhǔn)加工優(yōu)良的成品。
3 光固化成型技術(shù)(SLA/DLP)
光固化成型技術(shù)包含立體光固化成型技術(shù)(SLA)和數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)。美國Michigan大學(xué)的Griffith首要提出將光固化成型技術(shù)和陶瓷材料制備工藝相結(jié)合。光固化成型技術(shù)運(yùn)用的材料為光敏樹脂和陶瓷粉末混合而成的漿料。
如圖 2所示，SLA的工藝原理：由計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)立三維模型的切片并設(shè)定打印高度及其他參數(shù)，經(jīng)過涂層板將漿料均勻地涂抹到工作平臺上，利用紫外線激光束按軟件設(shè)計(jì)逐點(diǎn)地照射漿料使其固化，由點(diǎn)到線，由線及面，完成一層切片的打印，工作臺下降必定高度，涂層板將漿料均勻地涂抹在打印完成的薄層上，繼續(xù)下一層的打印，逐層堆積直到完成陶瓷坯件。SLA采用紫外線激光束的直徑通常在幾十微米上下，制備的陶瓷坯件精度與均勻度高，經(jīng)過進(jìn)行后處理可加強(qiáng)其力學(xué)性能，得到高性能的陶瓷件。
圖 2 SLA光固化工藝示意圖
DLP的工藝原理與SLA的工藝原理基本相同，區(qū)別之處是DLP運(yùn)用了美國德州儀器機(jī)構(gòu)的數(shù)字微鏡元件(Digital Micromirro Device, DMD)，DMD安裝可使整層的圖像直接投影到全部區(qū)域，無需紫外線光束進(jìn)行逐點(diǎn)的照射。與SLA相比, DLP打印速度大幅的加強(qiáng)，DLP的打印精度重點(diǎn)取決于DMD安裝的精度。
由SLA/DLP的工藝原理可知，光固化成型技術(shù)采用的陶瓷漿料須擁有必定的流動性，以保準(zhǔn)每一層漿料涂抹足夠均勻。DLP技術(shù)必須采用高固含量的陶瓷漿料以保準(zhǔn)后處理的致密性。制備高固含量的陶瓷漿料須加強(qiáng)漿料中陶瓷粉末的比例，陶瓷粉末含量過高將引起漿料黏稠，沒法保準(zhǔn)漿料擁有足夠的流動性，由此可能引起漿料涂層不均勻，降低打印質(zhì)量。Chabok等采用了新的投影方式，一種自下而上的投影辦法，將DMD安裝安置在運(yùn)動公司的下部，經(jīng)過鏡子將整層圖像投影到透明的桶底，在底部固化一層后，工作臺上移，固化表面與桶底表面形成微小縫隙，漿料的流動性使其填滿縫隙后形成均勻的薄層，起始下一層的累積，漿料詳細(xì)固化位置由料桶的移動決定，桶底的PDMS涂層防止在漿料固化過程中粘黏桶底。
光固化成型技術(shù)是利用紫外線使混合陶瓷粉末的光敏樹脂固化的原理，打印處的坯體擁有表面質(zhì)量高、力學(xué)性能好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，在制備繁雜陶瓷零件或高精度零件上擁有優(yōu)良。光固化成型技術(shù)的缺點(diǎn)亦非常顯著，坯體在后處理過程中易損壞，光敏樹脂和陶瓷粉的配比欠好把握，混合而成的漿料是存在毒性的刺激材料且必須避光保留，工作環(huán)境需求苛刻，需求保準(zhǔn)空氣流通、光線暗淡。
上海魅湃實(shí)業(yè)致力于DLP技術(shù)的先進(jìn)陶瓷材料、工藝及制品研發(fā)、設(shè)備代理，幾年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)深深的認(rèn)識到這是一個跨多個專業(yè)的技術(shù)，國內(nèi)在材料研發(fā)、工藝、設(shè)備的開發(fā)水平和歐州還是有很強(qiáng)差距，需要借助歐州技術(shù)、謙虛的向歐洲學(xué)習(xí)，持續(xù)提高自己。魅湃在中科院上海硅酸鹽科研所支持下，對材料、工藝科研已然取得了周期性的進(jìn)步，亦得益于荷蘭ADMATEC對admaflex130打印供給的優(yōu)秀性能。
4 分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)
分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)是一種薄片材料疊加工藝，因此又叫作為薄型材料選取性切割。該技術(shù)采用的打印材料是陶瓷薄片材料，其工作原理為將陶瓷薄片經(jīng)過材料輥筒和壓輥安置在升降工作平臺上，激光切割器按設(shè)計(jì)切割陶瓷薄片形成加工件的一層截面，升降工作臺下降必定高度，材料輥筒和壓輥將未打印的陶瓷薄片安置在成型工件上，利用黏結(jié)劑或熱壓將薄膜與已成型工件黏結(jié)，采用激光切割器按設(shè)計(jì)切割未加工薄片，逐層切割累加成型。LOM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(shù)由點(diǎn)到線、由線及面的加工過程，這是LOM與其他3D打印技術(shù)相比的優(yōu)良。
LOM技術(shù)采用的陶瓷薄片能夠利用流延法制備得到，國外針對流延法制備陶瓷薄片的技術(shù)已然比較成熟，原料獲取非常方便。LOM技術(shù)的成型速度快，前期準(zhǔn)備工作簡單，然則材料利用率較低。其成型原理簡單，工作空間大，適合加工尺寸很強(qiáng)的零部件，但LOM技術(shù)加工出的零件力學(xué)性能較差、精度較低，不適合加工精細(xì)零件。
5 激光選區(qū)熔化技術(shù)/激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLM/SLS)
激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SLS)與激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)都是利用激光束的能量對打印材料進(jìn)行打印。
SLS技術(shù)成型過程如圖 3 所示，壓輥將粉狀材料平鋪在工作平臺上，形成粉狀薄層，激光束按設(shè)計(jì)選取性燒結(jié)粉狀材料，完成此層燒結(jié)后工作平臺下降必定高度，壓輥再次平鋪粉狀材料，繼續(xù)燒結(jié)，逐層累加直到完成打印。SLS技術(shù)所采用的粉狀材料是有機(jī)物材料和陶瓷粉末的混合物。有機(jī)物材料做為一種黏結(jié)劑，它的熔點(diǎn)小于陶瓷粉末的熔點(diǎn)，在激光束照射下，低熔點(diǎn)的有機(jī)物材料熔化使高熔點(diǎn)的陶瓷粉末黏結(jié)在一塊形成陶瓷坯體。SLS技術(shù)的打印材料亦能夠是高熔點(diǎn)陶瓷粉末和低熔點(diǎn)有機(jī)物液體混合而成的漿料。與粉末材料打印成型過程類似，經(jīng)過漿料鋪設(shè)、激光燒結(jié)逐層成型。SLM技術(shù)的成型過程和原理與SLS技術(shù)的類似，區(qū)別點(diǎn)是SLM技術(shù)采用的是陶瓷粉末材料，它經(jīng)過激光束直接照射陶瓷粉末將其燒結(jié)成型。
圖 3 SLS成型過程示意圖
SLM技術(shù)成型關(guān)鍵在于預(yù)熱和燒結(jié)溫度，然則日前還難以把握針對區(qū)別陶瓷的最佳預(yù)熱和燒結(jié)溫度。SLM在打印材料、成型工藝及后處理方面發(fā)展還不成熟，加工出的陶瓷件性能不高，因此呢不做為實(shí)質(zhì)應(yīng)用的技術(shù)辦法。
SLS技術(shù)的關(guān)鍵是打印材料，SLS技術(shù)發(fā)展亦還不成熟，打印材料是限制其發(fā)展的重要原因之一。日前重點(diǎn)應(yīng)用的材料為碳化物、氧化物、氮化物，材料中做為黏結(jié)劑的有機(jī)物材料的含量和種類直接影響到陶瓷坯體的密度及力學(xué)性能等方面。激光束的輸出能量與打印材料相匹配對成型精度、加工件結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能起決定性的功效。SLS技術(shù)的重點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是打印材料廣泛、成型效率與材料利用率高、成本較低等。SLS技術(shù)利用激光束對陶瓷材料進(jìn)行燒結(jié)，其對工作環(huán)境和打印設(shè)備有較高的需求。燒結(jié)而成的陶瓷坯體在打印過程中所需的預(yù)熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)亦是SLS技術(shù)亟須處理的問題。
6 三維打印成型技術(shù)(3DP)
三維打印技術(shù)(3DP)重點(diǎn)分為相變反應(yīng)型和理學(xué)型兩種，相變反應(yīng)型包括光固化3DP技術(shù)和熔融材料3DP技術(shù)，理學(xué)型重點(diǎn)為黏結(jié)材料3DP技術(shù)。
光固化3DP技術(shù)的工藝過程：多個噴頭按計(jì)算機(jī)軟件生成代碼將光敏樹脂和陶瓷粉末的混合體材料噴射在工作平臺上，利用紫外線激光照射混合物材料，光敏樹脂在紫外線的照射下立刻誘發(fā)聚合反應(yīng)，完成固化，在光敏材料的固化過程中，將陶瓷粉黏結(jié)在一起，在工作臺上形成一層薄膜，將工作臺下降必定高度進(jìn)行下一層的打印，逐層堆積完成加工件。光固化3DP技術(shù)的加工周期短，且精度較高，然則高分子聚合成型力學(xué)性能差，固化過程體積收縮。
熔融材料3DP技術(shù)利用的熱塑性陶瓷絲狀材料，與FDC技術(shù)的原材料類似，經(jīng)過加熱噴頭將熱塑性陶瓷絲狀材料加熱熔融噴射，該技術(shù)對加熱噴頭的加熱溫度和噴射精度有較高的需求，引起加工成本高以及對精確度難以掌控等缺點(diǎn)。光固化3DP技術(shù)和熔融材料3DP技術(shù)在陶瓷3D打印方面的應(yīng)用都有顯著且很難改進(jìn)的缺點(diǎn)，因此在實(shí)質(zhì)加工中甚少運(yùn)用。
針對陶瓷3D打印技術(shù)重點(diǎn)運(yùn)用的是黏結(jié)材料3DP打印技術(shù)，該技術(shù)加工工藝原理如圖 4所示。壓輥將陶瓷粉末平鋪在工作平臺上，噴頭將黏結(jié)劑溶液根據(jù)加工件截面形狀噴射到陶瓷粉末上，噴有黏結(jié)劑處的陶瓷粉粘接在一塊，下降工作臺起始新一層的打印，逐層累加形成加工件，將加工件取出，剩余陶瓷粉末可重復(fù)運(yùn)用。
圖 4 黏結(jié)成型3DP工藝示意圖
黏結(jié)成型3DP技術(shù)擁有成型時間短、成本較低、打印材料范圍廣、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。由于材料鋪設(shè)不均勻或噴頭噴射效果及范圍的影響，加工出的成品精度不高且力學(xué)性能較差，須進(jìn)行后處理工藝以加強(qiáng)其性能。
7 漿料直寫成型技術(shù)(DIW)
漿料直寫成型技術(shù)(DIW)最早由Cesarano等提出，并創(chuàng)立如圖 5 所示的設(shè)備模型，出料安裝安裝在Z軸方向上，由計(jì)算機(jī)軟件掌控Z軸運(yùn)動。平臺安裝在X-Y平面上。其工藝過程為出料安裝按計(jì)算機(jī)軟件生成的路線移動且同期出料在平臺上，完成一層打印后，Z軸提升必定高度，繼續(xù)下一層的打印過程，逐層累加直到打印完成。
圖 5 漿料直寫成型設(shè)備示意圖
DIW技術(shù)針對陶瓷打印采用的材料重點(diǎn)為水基膠體漿料和有機(jī)物基陶瓷漿料。Lewis等提出了水基膠體漿料的三維功能陶瓷的制備。Sun等采用甲基丙烯酸甲酯、季戊四醇三丙烯酸酯、苯乙酮為溶劑制備BaTiO3光敏漿料，利用DIW技術(shù)，經(jīng)過出料安裝擠出直徑為300μm的線條并將其堆疊成木堆結(jié)構(gòu)。水基膠體材料的黏彈性可在多個數(shù)量級范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，并可成型有圖案和跨距的線條。在運(yùn)用過程中，水基膠體漿料需被針頭順利地?cái)D出，并且沉積在工作平臺上可順利成形，保準(zhǔn)下層漿料能夠支撐上層漿料。為減少干燥引起的體積收縮現(xiàn)象，水基膠體漿料需有較高的固相含量。有機(jī)物基陶瓷材料和水基陶瓷材料相比穩(wěn)定性更好、保留周期長、很難干，缺點(diǎn)是制備周期長。DIW技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對加工環(huán)境需求低，在常溫下就可進(jìn)行，無需加熱，無需激光、紫外線的輻射。
上海魅湃實(shí)業(yè)有限公司是中國首家先進(jìn)陶瓷打印專業(yè)服務(wù)商，荷蘭ADMATEC全世界出貨的第1臺陶瓷3D打印機(jī)就落戶于魅湃實(shí)業(yè)，同期亦是ADMATEC的陶瓷打印機(jī)代理商。
上海魅湃實(shí)業(yè)有限機(jī)構(gòu)從2017年3月起始，面向航空航天、醫(yī)療、牙科、電子、時尚裝飾、設(shè)計(jì)等行業(yè)供給了近百種制品。
上海魅湃實(shí)業(yè)有限機(jī)構(gòu)和中科院硅酸鹽科研所在為國家人才培養(yǎng)、高端應(yīng)用行業(yè)的開拓方面進(jìn)行著深度合作，以推動高精度先進(jìn)陶瓷3D技術(shù)在中國快速發(fā)展。
設(shè)備采用DLP成型原理，能夠做氧化鋁/氧化鋯/氧化硅等材料，還能夠按照客戶需要一起研發(fā)各樣新型材料，如：生物活性陶瓷、自己改性的各樣氧化物或非氧化物陶瓷、寶石類無機(jī)材料等。
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