中國(guó)粉體網(wǎng)訊 現(xiàn)代意義上的增材制造(Additive Manufacturing，又稱為3D打印)及其前身快速成型(Rapid Prototyping)起源于20世紀(jì)80年代后期，其快速的發(fā)展勢(shì)頭與不斷被發(fā)掘的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)使其成為近十年科學(xué)、工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等諸多領(lǐng)域內(nèi)熱議的話題之一。
增材制造的快速發(fā)展離不開適用材料體系的拓展與成品部件性能的優(yōu)化：高分子材料是最早開發(fā)和應(yīng)用的材料體系，其適用的增材制造技術(shù)種類最為豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也覆蓋工業(yè)級(jí)與消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)；金屬材料的增材制造起步較晚但成果豐碩，應(yīng)用較多的各類金屬與合金目前均可通過激光或電子束熔化方法實(shí)現(xiàn)部件制造，且已在航天航空、人體硬組織修復(fù)等領(lǐng)域開展了相關(guān)應(yīng)用；相比之下，陶瓷材料的增材制造雖然幾乎于同期起步，但直到近些年才以商業(yè)化光固化增材制造設(shè)備的推出為標(biāo)志實(shí)現(xiàn)了初步的實(shí)用化。
這一里程碑式的突破迅速促使陶瓷增材制造成為世界范圍內(nèi)陶瓷學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用探索的熱點(diǎn)之一。業(yè)界對(duì)陶瓷增材制造相較于陶瓷傳統(tǒng)成型方式在無需模具、可成型復(fù)雜部件等方面的優(yōu)勢(shì)抱有期待，經(jīng)濟(jì)學(xué)界也對(duì)陶瓷增材制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)前景做出了樂觀估計(jì)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值預(yù)期將從2017年的不足1億美元迅速增長(zhǎng)到2028年的36億美元。
陶瓷增材制造技術(shù)是一種通過離散材料逐層制造并疊加得到三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的先進(jìn)制造技術(shù)，具有材料利用率高、制造靈活性強(qiáng)、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢(shì)，適用于小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件制造。目前，主流的陶瓷增材制造技術(shù)包括激光選區(qū)燒結(jié)、立體光固化、墨水直寫等。
立體光固化成型(SLA)
立體光固化成型法(SLA)是1977年Swainson提出的一種制造概念，隨后Kodama真正實(shí)現(xiàn)了這一工藝。
SLA原理簡(jiǎn)圖（來源：劉全景等，《增材制造技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用》）
SLA工藝的原材料主要是液態(tài)樹脂與陶瓷粉末混合后的陶瓷樹脂，由SLA工藝制備的陶瓷樣品與傳統(tǒng)工藝相比，不僅延續(xù)了陶瓷制體力學(xué)性能好的特點(diǎn)，同時(shí)還保證了制品的表面質(zhì)量以及尺寸精度。然而，使用SLA技術(shù)打印陶瓷制體也存在著許多的制約。利用SLA技術(shù)制備陶瓷制體時(shí)，不同的漿料需要對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的紫外光，這就對(duì)制造環(huán)境提出了更高要求，同時(shí)提高了制造成本；另外SLA技術(shù)使用的陶瓷樹脂黏度應(yīng)小于3Pa·s，以保證漿料具有一定流動(dòng)性，這就使得大多數(shù)陶瓷樹脂的固體體積百分比低于40%，導(dǎo)致這些陶瓷樹脂的樣品在經(jīng)歷脫脂燒結(jié)后，大多會(huì)出現(xiàn)劇烈的收縮與變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䦟?dǎo)致整個(gè)陶瓷體的崩潰。目前解決這一問題的主要方法是改變陶瓷樹脂中的材料。
熔融沉積成型(FDM)
熔融沉積成型(FDM)工藝于1988年美國(guó)學(xué)者Dr．Scott Crump首次提出，因其容易實(shí)現(xiàn)、打印速度快和較低的成本，被廣泛運(yùn)用于有機(jī)高分子材料的3D增材制造。通常運(yùn)用于FDM技術(shù)的主要是熱塑性的高分子材料，這些高聚物被制作成線狀原料，這些線材通過FDM打印機(jī)的噴嘴加熱熔融，并被擠出噴嘴，伴隨著噴頭的運(yùn)動(dòng)，在基底面上層層沉積形成設(shè)計(jì)好的形狀，最終制成需要的零件。
FDM制備連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC（來源：王長(zhǎng)順等，《SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）
隨著材料技術(shù)的發(fā)展，越來越多的生物兼容性好、熔融溫度低且力學(xué)性能優(yōu)良的高聚物材料的涌出使FDM技術(shù)與陶瓷體制備出現(xiàn)契機(jī)，這項(xiàng)研究的成果主要運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)方面。研究者們通過結(jié)合PLA、ABS與羥基磷灰石，采用FDM技術(shù)制備人造骨，并將其植入患者體內(nèi)，通過植入物刺激骨骼的生長(zhǎng)，這項(xiàng)技術(shù)幫助骨植入領(lǐng)域走出了天然人骨短缺和異種骨骼排斥的困境。
相較于其他的增材制造方式，F(xiàn)DM技術(shù)在人體陶瓷骨骼制備方面具有成本低和無需支撐材料的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)研究表明人骨的抗壓強(qiáng)度在4～12MPa，通過調(diào)整這些人造骨的孔隙率，在經(jīng)過脫脂工藝后，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)16MPa，同時(shí)收縮率在8%左右，這就極大的保證了實(shí)際樣品與設(shè)計(jì)模型幾何形狀的相似性。但FDM技術(shù)制備的陶瓷初體依然需要經(jīng)歷脫脂燒結(jié)，這就帶來了開裂和變形的問題。目前解決這些問題的途徑主要通過修改3D模型的設(shè)計(jì)和陶瓷生坯燒結(jié)方式的改進(jìn)上。
選擇性激光燒結(jié)/熔融(SLS/SLM)
選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)由Carl Ckard于1989年首次提出，其工作原理如圖所示。輥筒將儲(chǔ)粉倉(cāng)中的粉末平整的鋪在粉床中，激光通過掃描系統(tǒng)有選擇性地?zé)Y(jié)粉末，隨后成型活塞下降，輥筒重新鋪設(shè)粉末，通過層層堆積形成所需零件。
SLS/SLM原理簡(jiǎn)圖（來源：劉全景等，《增材制造技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用》）
SLS技術(shù)運(yùn)用于陶瓷體制備時(shí)分為含有添加劑和不含添加劑2種。含添加劑的粉末在激光加熱時(shí)，添加劑熔融并粘結(jié)陶瓷顆粒形成整體，從而獲得生坯件;不含添加劑的固體粉末一般由2種陶瓷粉末混合而成，激光加熱時(shí)，低熔點(diǎn)的粉末受熱熔化，粘結(jié)高熔點(diǎn)的陶瓷顆粒。與含有添加劑粉末的制造方式相比，此時(shí)低熔點(diǎn)粉末充當(dāng)了添加劑熔融粘結(jié)高熔點(diǎn)陶瓷顆粒的角色，這樣操作的優(yōu)點(diǎn)是省去了脫脂步驟。區(qū)別于SLS技術(shù)，選擇性激光熔融(SLM)雖然保留了激光加熱的特性，但該技術(shù)不需要添加粘結(jié)劑，而是通過加熱使全部粉體熔融并相互粘黏，隨后層層累積獲得陶瓷體。
SLS/SLM技術(shù)具有應(yīng)用材料多、損耗率低和工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，相較于其他增材制造方式，其成型速度快，可重復(fù)性高。但該工藝方式主要存在2個(gè)嚴(yán)重限制其在工業(yè)上推廣的問題：①在SLS技術(shù)中，添加劑的去除留下了孔隙，降低了成型件的力學(xué)性能；②成型精度低，表面粗糙度高。
墨水直寫(DIW)
墨水直寫技術(shù)源于1998年美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室J.Cesarano等提出的自動(dòng)注漿成型技術(shù)，起初主要針對(duì)陶瓷等材料的三維模型成型制造，經(jīng)過后期不斷地研究拓展，逐漸發(fā)展為今天的DIW增材制造技術(shù)。
連續(xù)纖維DIW成形設(shè)備及工藝原理（來源：王長(zhǎng)順等，《SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）
高黏度的液體或固液混合漿料作為墨水材料存儲(chǔ)于料筒中并和噴頭相連，安裝于能夠在計(jì)算機(jī)控制下完成三維運(yùn)動(dòng)的三軸CNC平臺(tái)，通過機(jī)械壓力或氣動(dòng)壓力推動(dòng)墨水材料從噴頭連續(xù)擠出并在基底上預(yù)成型，后依據(jù)材料特性進(jìn)行相應(yīng)的后處理（揮發(fā)溶劑、熱固化、光固化、燒結(jié)、浸泡等）后得到最終的三維成型構(gòu)件。
DIW增材制造技術(shù)具有設(shè)備要求低、制造成本低、原材料適用范圍廣、成型精度高、制造靈活等優(yōu)勢(shì)；缺點(diǎn)在于DIW制備的陶瓷精度較差、缺陷較多，且直寫之后一般需要固化、燒結(jié)等后續(xù)處理過程。最終成型構(gòu)件的精度不僅取決于墨水材料的配方、組分理化特性、體系黏度和流變性能，而且受到直寫參數(shù)（噴頭直徑、壓力大小、平臺(tái)移動(dòng)速度等）的影響。
數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)
數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)于1977年由Larry Hornback率先提出，時(shí)隔19年，由Texas Instruments將其商業(yè)化。DLP技術(shù)的原理和SLA技術(shù)基本相似。DLP與SLA技術(shù)的具體區(qū)別在于DLP技術(shù)采用寬波段的投影光將所需樣品的截面圖像放映在光敏漿料表面，逐層累積獲得樣品。DLP核心組件是DLP芯片，即數(shù)字顯微鏡設(shè)備，該組件直接決定了樣品的幾何形貌及打印精度。
DLP技術(shù)打印樣品具有精度高、時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，在陶瓷體打印方面的應(yīng)用主要集中在小型及復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上。DLP技術(shù)運(yùn)用于陶瓷制備時(shí)，由于其光強(qiáng)度較低，光引發(fā)劑與自由基交聯(lián)聚合反應(yīng)較差，導(dǎo)致固化不徹底，通常以在漿料中加入粘結(jié)劑的方式解決這一問題。添加粘結(jié)劑的陶瓷漿料進(jìn)行DLP 3D打印，初始的光固化過程使得樣品具有一定的保形能力，隨后置于烘箱中進(jìn)行加熱，發(fā)揮粘結(jié)劑的粘結(jié)作用，使生坯幾何形狀固定，再進(jìn)行脫脂燒結(jié)步驟。但眾多的研究表明，燒結(jié)后的樣品依然存在開裂、變形和收縮的問題。因此和SLA技術(shù)一樣，提高打印陶瓷漿料的固含量和合適的脫脂燒結(jié)方式依然是DLP技術(shù)的研究熱點(diǎn)。
結(jié)語(yǔ)與展望
與傳統(tǒng)陶瓷制備方式相比，增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的陶瓷體制備，滿足了陶瓷材料在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的發(fā)展需求。陶瓷增材制造的科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)仍將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間保持高熱度，同時(shí)隨著技術(shù)問題的逐步解決，增材制造的陶瓷部件的綜合性能還將進(jìn)一步提升，首先逐步達(dá)到與傳統(tǒng)方法制造部件相近的制造水平，而后將進(jìn)一步通過更為精細(xì)化個(gè)性化的結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)具備個(gè)性化功能性陶瓷部件的制造。
同時(shí)我們也該看到，增材制造技術(shù)制備的陶瓷體依然存在眾多的不足之處，在陶瓷制造中廣泛運(yùn)用增材制造技術(shù)仍然存在很多障礙。例如生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，力學(xué)性能低于傳統(tǒng)方式制造的陶瓷，后處理出現(xiàn)開裂收縮等；另外較大尺寸(例如幾米)的陶瓷件仍然很難用增材制造技術(shù)制備。
綜上所述，未來增材制造技術(shù)在陶瓷體制備領(lǐng)域的研究應(yīng)主要集中在漿料研制和后處理方面，同時(shí)還需改進(jìn)成型技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)完成接近設(shè)計(jì)模型的陶瓷體制備。
參考資料：
1、宋路等，《“增才制造”：以增材原理推動(dòng)個(gè)性化陶瓷材料“成型—成性一體化”設(shè)計(jì)》
2、王長(zhǎng)順等，《SiC陶瓷增材制造技術(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展》
3、吳甲民，《方興未艾的陶瓷增材制造》
4、劉全景等，《增材制造技術(shù)在陶瓷制備中的應(yīng)用》
5、姜一帆等，《墨水直寫增材制造技術(shù)及其在含能材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）
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