陶瓷3D打印技術(shù)由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)代碼將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，運(yùn)動(dòng)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(lì)振蕩器將墨流切斷成均勻體積的墨滴，利用偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)掌控墨滴在工作臺(tái)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(gè)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(gè)或多個(gè)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(tái)上，得到陶瓷生坯。
FDC技術(shù)擁有對(duì)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(duì)噴頭的加熱溫度和材料性質(zhì)需求較高。FDM噴頭需要對(duì)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(dòng)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(tái)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)上移，固化表面與桶底表面形成微小縫隙，漿料的流動(dòng)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(dòng)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(shí)到這是一個(gè)跨多個(gè)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)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(duì)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(duì)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(duì)陶瓷材料進(jìn)行燒結(jié)，其對(duì)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(gè)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(tái)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(tái)上形成一層薄膜，將工作臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(tái)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(shí)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(dòng)。平臺(tái)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(dòng)且同期出料在平臺(tái)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(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)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(tái)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(duì)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(tái)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(shí)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(dòng)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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