技術(shù)探索丨陶瓷3D打印技術(shù)如何改變游戲規(guī)則？

中國人早在約公元前8000－2000年（新石器時代）就發(fā)明了陶器。常見的陶瓷材料有粘土、氧化鋁、高嶺土等。陶瓷材料一般硬度較高，但可塑性較差。除了在食器、裝飾的使用上，在科學、技術(shù)的發(fā)展中亦扮演重要角色，且具有各種創(chuàng)意的應用。

當代陶瓷材料的應用方向可概括為：
①結(jié)構(gòu)陶瓷--用于建筑磚，管和屋頂/地磚等
②耐火陶瓷--用于制造鋼和玻璃的窯襯和坩堝。
③家具陶瓷--包括餐具、裝飾瓷磚、藝術(shù)品和浴室家具（廁所/水槽等）。
④技術(shù)陶瓷--先進的陶瓷材料具有高度的機械、化學、熱和電阻性，通常用于航空、汽車、軍事和醫(yī)療應用。

陶瓷材料的應用比以往任何時候都更受關(guān)注，這是由于兩大趨勢：一方面，3D打印技術(shù)的發(fā)展讓加工高級陶瓷材料成為可能；
另一方面，陶瓷材料可以作為終端應用的理想材料，如生物相容性甚至是食品相容性的產(chǎn)品。
此外，陶瓷技術(shù)能夠提供理想的機械性能和3D打印功能，可以在復雜的高分辨率幾何形狀中塑造陶瓷部件，這在過去是不可能的。

3D打印技術(shù)所具有的操作簡單、速度快、精度高等優(yōu)點給陶瓷注入了新的活力。國外已有很多研究，其中包括硬件和工藝開發(fā)、材料開發(fā)、應用開發(fā)，以及提供商業(yè)可用和專有陶瓷3D打印服務的專業(yè)化服務。出現(xiàn)了3DCeram、Lithoz等專注陶瓷3D打印的公司。而國內(nèi)的陶瓷3D打印技術(shù)也發(fā)展迅速，形成以高校為中心，科技探索型公司涌現(xiàn)的良好格局（如十維科技、迅實科技、長朗三維科技、博力邁等）。

陶瓷與3D打印工藝
用于3D打印的陶瓷材料形態(tài)包括：
①漿料，陶瓷成分與其他溶劑及添加劑的混合物，通過物理、化學的方式成形；
②陶瓷絲材，用于熔融堆積工藝；
③陶瓷粉末，陶瓷粉末、礦化物、粘結(jié)劑等的混合物，用于激光燒結(jié)、粘接等；
④陶瓷薄片，片壓成形、粘接。

目前陶瓷3D打印成形技術(shù)主要可以分為：
①立體光固化技術(shù)、
②粘合劑噴射技術(shù)、
③懸浮液熱熔沉積技術(shù)、
④納米陶瓷射流技術(shù)……

值得一提的是，近日，哈工大團隊在陶瓷涂層方面首創(chuàng)一種全新陶瓷3D印技術(shù)及材料（納米結(jié)構(gòu)和納米改性球形粉體材料，該研發(fā)填補了3D打印陶瓷材料的國際空白），據(jù)悉，這項技術(shù)可使3D打印機打印出任何一種陶瓷產(chǎn)品，甚至已經(jīng)消失毀損的珍貴陶瓷藝術(shù)品。

粘合劑噴射技術(shù)

使用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件。根據(jù)成形方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點，發(fā)展程度也有差距。

陶瓷3D打印的熱門應用
陶瓷3D打印技術(shù)及材料適用于航空航天、軍艦船舶、汽車火車、冶金、電力、石油、工程機械等領域，對提升國家高端裝備水平意義重大。

陶瓷3D打印漸成醫(yī)療應用“寵兒”，在醫(yī)療中應用陶瓷根據(jù)材料屬性的不同可以分為兩類：

一類是高性能陶瓷，如氧化鋯、氧化鋁、氮化硅，這類陶瓷材料不會降解，由于其出色的機械性能，耐磨性，低導熱性和導電性以及優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點，被廣泛用于生產(chǎn)永久性植入物及義齒等醫(yī)療器械。

另一類是可降解的陶瓷材料，如：羥基磷灰石、碳酸三鈣等，由于這類陶瓷材料與骨骼的無機成分相似，而被于制造可降解的植入物，典型的應用是制造骨修復支架。通過在愈合過程中材料的降解，可以向細胞提供必要的離子，并為細胞向內(nèi)生長創(chuàng)造空間。

心臟起搏器泵（維也納科技大學和維也納醫(yī)科大學的研究人員使用Lithoz 基于光固化工藝的LCM 3D打印技術(shù)作為心臟起搏器泵的制造方法。裝置與主動脈內(nèi)氣囊泵結(jié)合，可為冠狀動脈血管優(yōu)化供血，在關(guān)鍵的愈合階段緩解心臟壓力。）

由高純度氧化鋁制成的心臟起搏器泵的部件

圖片來源：Lithoz （注：圖中部件比實際放大了10倍以上）

個性化骨修復器械（林茨開普勒大學醫(yī)院采用Lithoz的陶瓷3D打印技術(shù)開發(fā)了個性化的骨修復器械。能夠根據(jù)患者醫(yī)學影像設計出所需的修復器械，減少在手術(shù)現(xiàn)場進行手工彎曲調(diào)整的需要。）

氧化鋯義齒（博力邁科技Porimy研發(fā)了陶瓷3D打印機，并推出3D打印氧化鋯陶瓷義齒生產(chǎn)線，由患者牙模數(shù)字化掃描與建模、義齒三維設計、3D打印義齒生坯、脫脂與高溫燒結(jié)、上釉等工序組成。Porimy的3D打印氧化鋯陶瓷義齒生產(chǎn)線已通過廣泛的機械、屬性和生物檢查。2017年10月，公司取得了醫(yī)療器械注冊證書，正式向國內(nèi)市場推出第一款3D打印陶瓷義齒。）

可降解的骨修復植入物/支架（①中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊在3D打印生物陶瓷支架用于骨-軟骨再生及骨腫瘤治療方面取得了系列研究進展；②2018年2月，西京醫(yī)院骨科開展了3D打印支架長段骨缺損修復的臨床試驗。3D打印支架由西安點云生物科技有限公司采用無絲3D打印技術(shù)為患者量身定制，材料為生物相容性的陶瓷復合材料，能夠在誘導患者自身新骨生成的同時逐漸降解，最終被患者的新生骨組織完全替代，無需二次手術(shù)取出，降低植入物在體內(nèi)長期存在的潛在風險；③美西北大學3D打印可降解陶瓷植入物植入人體）

中國陶瓷3D打印在航空領用優(yōu)勢突顯
陶瓷零件因強度高、密度低，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)點在航空航天制造領域具有廣闊的應用前景。世界某發(fā)動機公司曾對航空發(fā)動機材料的發(fā)展做出評估：發(fā)動機中金屬材料，如鋁合金、鎳合金及鈦合金等材料的用量將逐漸減少，取而代之的是新型高性能陶瓷材料及其他復合材料。

目前，在航空航天領域應用的陶瓷零件可分為結(jié)構(gòu)零件（如渦輪整體葉盤、機頭罩、機翼前緣和襟翼、導彈的噴管和鼻錐等）和功能零件（如導彈、衛(wèi)星的天線罩和天線窗等）。

世界首次微重力陶瓷3D打�。�6月，中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機成功完成了國際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗。同時還利用3D打印的陶瓷模具完成了首次微重力環(huán)境下金屬材料鑄造技術(shù)試驗。）

微重力環(huán)境下立體光刻制造技術(shù)打印的陶瓷樣品。

（中科院空間應用工程與技術(shù)中心 供圖）

陶瓷4D打印系統(tǒng)出爐（8月，港城市大學的研究團隊成功開發(fā)出全球首個陶瓷4D打印系統(tǒng)。4D打印是傳統(tǒng)3D打印加上第四維度——時間，在第四維度中，打印物體可在外部環(huán)境，如機械力、溫度的刺激下，隨著時間的推移重新成形或自我組裝。打印出來的陶瓷堅固且擁有復雜的形狀，有望在電子和航空航天領域大展拳腳。）

陶瓷基鋁合金材料受關(guān)注（中國商飛公司與上海交通大學曾合作研制出陶瓷基鋁合金材料。在提高材料綜合性能的同時，既保持了鋁合金易成形、易加工的特性，又具備了復合材料高剛度、高強度、高抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特性。但該材料要真正實現(xiàn)在民機產(chǎn)品上的應用，還要經(jīng)過大量的試驗驗證并完成相應的適航審定程序。）

結(jié)束語
未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出更為精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢，更多可開發(fā)的多樣性材料將為跨行業(yè)應用帶來更為光明的前景。

從據(jù)知名市場研究公司M&M發(fā)布的一份調(diào)查報告也印證了陶瓷3D打印技術(shù)的未來，截至目前，3D打印陶瓷市場份額最大的地區(qū)仍是北美，并有望繼續(xù)領跑；歐洲其次，而亞太地區(qū)則有望后來居上，在未來5年里坐擁全球最高的增長率。主要包含3D打印陶瓷粉末材料市場、3D打印陶瓷產(chǎn)品市場和相關(guān)設備、技術(shù)市場等的陶瓷3D打印市場，發(fā)展?jié)摿�巨大�?br />
來源：瓷博士