一文帶你了解陶瓷光固化3D打印技術(shù)

來源：科陶智造  

陶瓷材料作為三大基本材料之一，以優(yōu)良的理化特性在工業(yè)界被廣泛應用。但因傳統(tǒng)陶瓷制備工藝的限制，工業(yè)中使用的陶瓷制品往往只具備簡單的三維形狀。增材制造技術(shù)的發(fā)展讓復雜的陶瓷產(chǎn)品成為可能。目前來看，已經(jīng)被成功應用于陶瓷3D打印的領(lǐng)域有航天、骨科、齒科、化工、藝術(shù)等領(lǐng)域。陶瓷3D打印作為增材制造行業(yè)的新興技術(shù)，開始體現(xiàn)出越來越大的作用。

目前成熟的陶瓷增材制造技術(shù)主要有：光固化成型（SLA）、三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實體制造（LOM）和擠出成型（EFF）等，其中，光固化成型（SLA）是目前陶瓷增材制造技術(shù)中主流的3D打印工藝，具有成型速度快、自動化程度高、尺寸精度高、表面質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點。

光固化3D打印優(yōu)勢
目前，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，新型的3D打印材料不斷涌現(xiàn)，越來越多的材料被廣泛使用，而光固化3D打印顯而易見的優(yōu)勢就是突破材料限制。陶瓷光固化起步較晚，但發(fā)展迅速，越來越多的研究者對其進行研究，不僅因為因為陶瓷材料的性能優(yōu)異，應用前景廣泛，也因為光固化陶瓷3D打印技術(shù)相比于其他陶瓷增材制造方法，打印精度高，并且在制備復雜形狀以及高精度大型零部件方面有很大的優(yōu)勢。

陶瓷光固化工藝
陶瓷光固化技術(shù)是將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通過高速攪拌使陶瓷粉末在溶液中分散均勻，制備高固相含量、低粘度的陶瓷漿料，然后使陶瓷漿料在光固化成型機上直接逐層固化，累加得到陶瓷零件素坯，再通過后續(xù)的加熱脫脂工藝，將坯體零件中作為粘接劑的有機成分通過高溫排除，得到零件素坯后，進行燒結(jié)工藝，得到致密化的陶瓷零件。

陶瓷漿料制備

漿料包含陶瓷粉、單體、交聯(lián)劑、分散劑、溶劑和光引發(fā)劑等材料。在進行制備時，需要對陶瓷粉體進行前處理。前處理法是一種在配制漿料前，使用分散劑對陶瓷顆粒表面改性的辦法。陶瓷件漿料具體配制過程如下：

脫脂燒結(jié)

將打印完成的陶瓷素坯模型放入脫脂爐中，在脫脂爐中陶瓷素坯內(nèi)的光敏樹脂和其他添加劑會緩慢的完全排出陶瓷素坯，脫脂完成后，陶瓷素坯完全由陶瓷粉體組成。為了得到致密的陶瓷成品，還需要對脫脂后的陶瓷模型放入高溫燒結(jié)爐燒結(jié)。燒結(jié)致密后，就可以得到成品陶瓷模型。

需要注意的是，燒結(jié)過程中會伴隨有機物分解和陶瓷顆粒晶粒與晶界的變化，有機物分解殘余的碳會影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此選擇合適的燒結(jié)工藝對最終陶瓷產(chǎn)品起著很重要的作用。

陶瓷光固化技術(shù)難點
由于光固化技術(shù)在制備復雜結(jié)構(gòu)、高精度陶瓷零部件方面具有明顯優(yōu)勢，因此國內(nèi)外學者進行了大量的研究，也取得了突破性的成果，但是在材料制備、工藝優(yōu)化等方面仍存在很多棘手的問題迫切需要解決。制備高精度高性能的陶瓷零部關(guān)鍵在于高固含量和低粘度的陶瓷漿料配制，這也是目前存在的難題之一。此外，打印件通常需要進行后處理。

陶瓷光固化應用案例
當前，陶瓷光固化3D打印技術(shù)由于具有成型過程自動化程度高、制造原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較驚喜的尺寸成型等特點，得到了廣泛的應用。

航空航天
借助陶瓷型芯，可以實現(xiàn)航空發(fā)動機的渦輪葉片復雜空心冷卻結(jié)構(gòu)的成形，解決渦輪葉片的承溫能力限制問題�？荡T德陽智能制造有限公司的李琴等人以粒徑≤10um的氧化硅粉體為基體材料，使用3DCERAM打印機通過SLA光固化成形技術(shù)制備了硅基陶瓷型芯。該陶瓷型芯抗蠕變性能較好，滿足應用要求，可以供重型燃機空心葉片熔模鑄造使用。

生物醫(yī)療
ZrO2陶瓷作為臨床冠橋修復材料之一，因其優(yōu)秀的理化性能、良好的美學修復效果及穩(wěn)定的生物相容性等諸多優(yōu)點，應用于臨床修復治療。同時結(jié)合固化3D打印技術(shù)更為牙科陶瓷修復體提供一個新的發(fā)展方向。例如現(xiàn)已有研究人員利用光固化技術(shù)打印無細胞毒且良好生物相容性ZrO2-Al2O3牙，并成用于口腔修復中。

電池領(lǐng)域
光固化3D打印技術(shù)制備固態(tài)鋰離子電池的方法，通過在電極膏體和電解質(zhì)膏體引入光敏聚合物網(wǎng)絡基體，實現(xiàn)了電池整體的光固化3D打印成型；該方法不僅可以提高電解質(zhì)膏體的粘度和流變性，還可以提高復合固體電解質(zhì)的鋰離子導電性，最終獲得了具備優(yōu)良電化學特性、成型可調(diào)和安全穩(wěn)定的儲能器件。

雖然陶瓷3D打印相比與樹脂和金屬3D打印的發(fā)展還處于起步階段，但是光固化3D打印為傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)高度復雜結(jié)構(gòu)陶瓷的制造開辟了全新的途徑。相信通過材料和化學基礎研發(fā)，以及光固化工藝原理的進一步創(chuàng)新，陶瓷光固化3D打印在機械、光學、通訊、電子、能源、環(huán)保、生物、醫(yī)療、航空航天等各類高技術(shù)陶瓷制造領(lǐng)域均具有光明的前景和未來。