新型DLP技術(shù)3D打印大尺寸陶瓷材料，佛山光壘智造

3D打印陶瓷的熱潮，開始逐漸到來了嗎？南極熊發(fā)現(xiàn)其技術(shù)和應(yīng)用都開始取得突破。


△3D打印蜂窩陶瓷薄片

陶瓷并不陌生，是一個古老而又年輕的話題，從我們熟知的秦磚漢瓦、唐三彩、宋瓷、清瓷等等，無不顯示了古人的智慧。中國的陶瓷歷史源遠流長，古代從廣州出發(fā)的“海上絲綢之路”更被譽為“陶瓷之路”，陶瓷在中國的發(fā)展中占據(jù)重要的地位，乃至于外國人把中國的英文名定為”china（瓷器）”，然中國陶瓷自清代末期開始凋落。

現(xiàn)代，大大小小的陶瓷制品在我們生活中隨處可見，大到家用的瓷磚、面盆、馬桶、陶瓷刀、高檔的陶瓷首飾等等，小到陶瓷零件、陶瓷手表、烤瓷牙、精細陶瓷等。很快，我們將會與陶瓷貼的更緊密了，因為5G時代的手機等電子產(chǎn)品的背板都要換成陶瓷材料了，小米推出的最新款手機就是用陶瓷蓋板的�，F(xiàn)代陶瓷逐漸向電子、生物、節(jié)能環(huán)保、新能源領(lǐng)域、航空航天等更廣的領(lǐng)域發(fā)展，但在現(xiàn)代陶瓷的舞臺上，排在前面的依然只有國外的企業(yè)，如法國的圣戈班、日本的京瓷等等，國內(nèi)企業(yè)仍然落后。

那么這些形形色色的陶瓷產(chǎn)品是如何制作？通常是陶瓷原料混合一定的粘結(jié)劑，然后采用不同的成型工藝，制作出特定形狀后，再進行脫脂燒結(jié)，形成所需要的產(chǎn)品。

陶瓷原材料包括：包括通用陶瓷材料，如黏土，特種陶瓷材料，如氧化鋁（ Al2O3 ），氧化鋯（ ZrO2 ），骨科采用的羥基磷灰石（ HAP） ，生物陶瓷（TCP）如牙科，氮化硅（Si4N4）。這些陶瓷材料一般磨成很細的粉體，跟粘結(jié)劑混合再一塊，然后成型。

陶瓷成型工藝是將陶瓷胚料做成規(guī)定尺寸和形狀，并具有一定機械強度的生坯，是陶瓷制作中的關(guān)鍵工藝。傳統(tǒng)典型的陶瓷成型工藝包括有干壓成型、半干壓成型、可塑成型、流延法、注漿成型法、等靜壓法等。
陶瓷材料，具有獨特的性能，市場極大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

但對于復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的陶瓷制造手段就不行了，需要用到3D打印陶瓷技術(shù)。

△3D打印陶瓷應(yīng)用

目前已知的3D打印陶瓷技術(shù)有5-6種，其中已經(jīng)商業(yè)化的主要是奧地利LITHOZ的LOM技術(shù)、法國Prodways的DLP-LED光技術(shù)、法國3DCeram推出的激光快速陶瓷制造（FCP）技術(shù)。這三種技術(shù)都以紫外光固化含光敏樹脂的陶瓷漿料，其區(qū)別主要在于光源種類和投影方式、和漿料層層攤放的方法。
主要如下區(qū)別如下：

• DLP紫外光下投影穿過透明容器固化陶瓷漿（奧地利，荷蘭，美國）；
• 滾刀刮平漿料+DLP上投影固化（法國），粉體配比高，燒成收縮�。�
• 上述技術(shù)用Al2O3，ZrO2，HAP，TCP，Si4N4超細粉+光敏樹脂的混合漿料，目前最大打印平臺是300*300平方mm；
• 熱塑泥料逐層堆積（比利時），用粘土基陶瓷條，可作復(fù)雜形狀的藝術(shù)陶瓷；
• 陶瓷粉末逐層的激光熔融燒結(jié)（美國、中國）- 研發(fā)階段。
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△3D打印氧化鋁陶瓷手機蓋板

國內(nèi)的研究主要集中在清華（奧地利LITHOZ設(shè)備）為主的高校和科研院所，多采用DLP下投影的方式，廣東工業(yè)大學(xué)日前也開展了研究，廣東也有公司（2016年12月底，深圳上市企業(yè)光韻達采購了一臺法國3DCeram的設(shè)備）和高校購買了歐洲的機器，借此開發(fā)新的陶瓷漿料和新應(yīng)用。

△3D打印氧化鋁陶瓷牙齒

目前，國外陶瓷3D機陸續(xù)進入中國，國內(nèi)也有一些企業(yè)在開發(fā)，例如北京十維科技、東莞智維、深圳長朗三維等。

佛山市光壘智能制造有限公司提供了一種基于DLP技術(shù)的全新的3D陶瓷成型工藝，“光壘智造”將傳統(tǒng)的陶瓷膏料制作成能夠使用紫外光固化的陶瓷膏料，然后陶瓷膏料在紫外光的照射下固化，逐層打印，最終形成三維陶瓷胚體，下圖展示的是陶瓷3D打印的整個過程。光壘的3D陶瓷打印擺脫了傳統(tǒng)工藝的束縛，成型方便，能夠制造出傳統(tǒng)工藝所不能實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且大大縮短了制造周期。

△光固化3D打印陶瓷材料的主要工藝

光壘智造英文名為“CeraEPI”， Cera是Ceramic的簡稱， EPI是epitaxy的簡稱，意為陶瓷的外延制造，合乎增材制造，其經(jīng)驗理念為三個C，依次代表china、ceramic、Creative。它主要服務(wù)于以佛山地區(qū)的陶瓷產(chǎn)業(yè)，在陶瓷大幅面打印、陶瓷打印材料、設(shè)備智能化方面具有多項核心技術(shù)，以提供實用化的陶瓷3D打印技術(shù)為己任，為業(yè)界提供陶瓷工業(yè)化所需的 “高速率、高精度、大幅面、低成本”陶瓷3D打印解決方案。


△3D打印陶瓷飾物

△3D打印氧化鋁陶瓷鏤空手環(huán)


△3D打印LED陶瓷基板散熱器（96鋁和99鋁）

目前，光壘智造可根據(jù)客戶需求，靈活掌握收縮度(10-25%)和氣孔率、密度（90-98%TD)等的關(guān)系；陶瓷粉體積比由目前的40-50%提高到55-80%，打印的尺寸可擴展到300mm*180mm。

據(jù)光壘智造的范冰豐博士介紹，要實現(xiàn)真正意義上的陶瓷3D打印，有三個關(guān)鍵要素：

• 需要專門的陶瓷3D成型設(shè)備，這種設(shè)備需要能夠打印低流動性或不流動性的陶瓷膏料，因為陶瓷燒結(jié)要達到好的燒結(jié)質(zhì)量，需要大粉膠比(>60%以上)的膏料，這種膏料一般是不流動的；
• 需要配合該設(shè)備的光固化陶瓷膏料，該陶瓷膏料既要匹配設(shè)備所用的紫外光源，也要在后續(xù)燒結(jié)工藝容易排膠；
• 需要開發(fā)相匹配的燒結(jié)工藝。
  

△3D打印多層結(jié)構(gòu)的陶瓷材料

三個要素都打通，才能算得上實現(xiàn)了陶瓷3D打印。另外，要是這種技術(shù)盡快推入市場，還需與陶瓷粉體的生產(chǎn)廠家以及陶瓷應(yīng)用廠家緊密配合，努力提高3D打印陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和降低成本，爭取在某些3D打印陶瓷材料能發(fā)揮優(yōu)勢的領(lǐng)域形成產(chǎn)品。

光壘智造立足佛山，具備陶瓷3D打印這三個要素。范博士表示，3D打印陶瓷市場雖然極大，但技術(shù)門檻很高，需要設(shè)備、原材料、燒結(jié)、粉體等多方緊密配合方能成熟，不建議規(guī)模小的企業(yè)涉足該領(lǐng)域，3D打印陶瓷需要整合國內(nèi)多方力量，對相應(yīng)技術(shù)進行攻關(guān)，力爭早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。