先進(jìn)陶瓷光聚合3D打印

導(dǎo)讀：增材制造作為一種可快速制造定制的先進(jìn)陶瓷部件，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，陶瓷增材制造可以提高設(shè)計(jì)自由度，制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷零件。在眾多陶瓷增材制造的方法中，陶瓷光聚合技術(shù)以其高精度、高固含量脫穎而出，南極熊整理了有關(guān)先進(jìn)陶瓷光聚合技術(shù)的信息，讓我們一起看下去吧！



先進(jìn)的陶瓷材料具有優(yōu)異的性能，例如耐高溫、高硬度、比金屬和塑料更高的耐磨性，以及具有熱絕緣性。當(dāng)在很嚴(yán)峻的環(huán)境下，需要堅(jiān)固可靠的材料時(shí)，先進(jìn)陶瓷材料的特性就起到了關(guān)鍵性作用。陶瓷材料的熱學(xué)、電學(xué)和生物相容性使其可用于汽車行業(yè)的各種傳感器和機(jī)械密封件、醫(yī)療行業(yè)的骨植入物和假牙以及太空衛(wèi)星的隔熱罩等。

然而，傳統(tǒng)的陶瓷制造方法通常涉及昂貴的模具，這使得小規(guī)模制造陶瓷零件變得很困難。陶瓷增材制造技術(shù)卻可以應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，它可以通過(guò)以更低的成本和更短的時(shí)間制造定制的陶瓷部件。此外，在功能優(yōu)化方面，3D打印陶瓷比傳統(tǒng)方法提供了更大的靈活性，并且可以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。下面我們將討論陶瓷立體光刻技術(shù)的不同應(yīng)用和工藝的不同階段，以及某些注意事項(xiàng)。

光聚合陶瓷3D打印


△立體光刻概述（來(lái)源：i.Materialise）
陶瓷增材制造可以通過(guò)多種技術(shù)進(jìn)行，例如粘合劑噴射、直接墨水書寫和選擇性激光燒結(jié)。然而，所有這些技術(shù)都不適合生產(chǎn)高固含量零件，因此它們的應(yīng)用受到很大限制。光聚合是最成熟的陶瓷增材制造技術(shù)，能夠生產(chǎn)出致密的結(jié)構(gòu)部件�？梢哉f(shuō)，在眾多陶瓷3D打印技術(shù)中，陶瓷光聚合技術(shù)因其能夠生產(chǎn)具有高精度和高固含量的部件而脫穎而出。根據(jù)ISO/ASTM 52900:2015，光聚合是一種“增材制造工藝，其中液體光聚合物通過(guò)光活化聚合選擇性地固化”，例如樹(shù)脂3D打印機(jī)的DLP或SLA工藝。

應(yīng)用

陶瓷光聚合技術(shù)允許制造具更高幾何自由度和更低成本的定制陶瓷部件。因此，其他制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品可通過(guò)光固化現(xiàn)實(shí)，許多領(lǐng)域都受益于該技術(shù)。南極熊列舉了一些應(yīng)用：


△Lithoz 的 LithaBone HA 400 可用于骨替代植入物（來(lái)源：Lithoz）

●牙科
在牙科行業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)使用氧化鋯、氧化鋁和玻璃陶瓷材料進(jìn)行性還原光聚合生產(chǎn)各種陶瓷牙科修復(fù)體（即內(nèi)冠、牙冠和牙橋）。此外，具有美學(xué)和高強(qiáng)度的微創(chuàng)修復(fù)全解剖冠的商業(yè)解決方案也應(yīng)用了此技術(shù)。

●組織工程
在組織工程領(lǐng)域，人們可以制造由生物陶瓷制成的用于骨修復(fù)的定制支架。陶瓷光聚合允許在復(fù)雜的幾何形狀和化學(xué)成分中模擬自然界中的結(jié)構(gòu)，例如牛骨小梁。陶瓷光聚合技術(shù)還可用于3D打印顱骨或上頜骨植入物等。

●其他工程應(yīng)用
陶瓷光聚合技術(shù)在工程中的應(yīng)用還有很多，例如汽車工業(yè)、催化器領(lǐng)域和熱交換器等。陶瓷光聚合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零件的幾何優(yōu)化，獲得更好的性能。

陶瓷光聚合工藝

1. 原料


△正在開(kāi)發(fā)的陶瓷光敏懸浮液（來(lái)源：Italo Leite de Camargo via All3DP）

陶瓷3D打印供應(yīng)商提供與其設(shè)備兼容的原材料。因此，各種各樣的陶瓷原料(氧化鋁、氧化鋯和羥基磷灰石)在市場(chǎng)上銷售。此外，世界各地的大量研究人員一直致力于研究原材料的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，某些研究已經(jīng)獲得了陶瓷懸浮液的優(yōu)質(zhì)配方。

陶瓷槽光聚合的原料是由感光樹(shù)脂、陶瓷粉末和添加劑混合而成的懸浮液。懸浮液應(yīng)滿足工藝要求，即陶瓷填料含量高，粘度適中。然而，同時(shí)滿足這兩個(gè)要求具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣腆w負(fù)載越高，粘度就越高。此外，懸浮液的沉降一般不可忽略。最后，必須滿足與懸浮液流變行為相關(guān)的幾個(gè)要求。因此，應(yīng)陶瓷顆粒應(yīng)具有合適的粒徑和比表面積，還應(yīng)選擇有效的分散劑以促進(jìn)樹(shù)脂與陶瓷粉末之間的相互作用等。在配置時(shí)，還需要使用適當(dāng)?shù)闹苽浞椒▉?lái)制備均勻的懸浮液，比如陶瓷漿料混合物通常在球磨機(jī)中處理幾個(gè)小時(shí)。

2. 3D 打印機(jī)


△3DCeram 的陶瓷 3D 打印機(jī) C100 Easy（來(lái)源：3DCeram Sinto via YouTube）

陶瓷懸浮液的高固含量會(huì)帶來(lái)高粘性。因此，大多數(shù)商用樹(shù)脂3D打印機(jī)并不適合用于制造陶瓷零件。處理陶瓷材料時(shí)，通常使用帶有專用重涂系統(tǒng)的特殊設(shè)備。大多數(shù)陶瓷光聚合3D打印機(jī)都是在過(guò)去五年中才出現(xiàn)的，但也有一些知名公司，例如 Lithoz 和 3DCeram，已經(jīng)在該領(lǐng)域工作了多年。

使用自制原型和普通3D打印機(jī)（通常用于制造樹(shù)脂部件）的研究變得越來(lái)越重要，這會(huì)使得該技術(shù)擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)室和小型工業(yè)中。但是，非工業(yè)3D打印機(jī)仍有很大的使用限制，通常適合低固含量的陶瓷漿料，從而降低了部件的機(jī)械性能。

3. 后期處理


△根據(jù)箱式爐的不同，后處理溫度可能會(huì)超過(guò) 1,500 °C（來(lái)源：賽默飛世爾）

陶瓷光聚合是一種間接過(guò)程，即制造由陶瓷粉末和粘合劑組成的“生”體，必須經(jīng)過(guò)后期脫脂燒結(jié)才能獲得最終的陶瓷部件。這種后處理是在爐中進(jìn)行的熱處理，這是先進(jìn)陶瓷加工中的傳統(tǒng)設(shè)備，如上圖所示。

首先，粘合劑（樹(shù)脂和添加劑）脫脂過(guò)程中通過(guò)熱分解消除。隨后，在燒結(jié)步驟中，生體在沒(méi)有完全熔化顆粒的情況下承受更高的溫度（可能超過(guò) 1,500°C），旨在增加陶瓷部件的密度。


△由脫脂和燒結(jié)組成的后處理（來(lái)源：Italo Leite de Camargo via All3DP）

上面描述和說(shuō)明的后處理是獲得陶瓷零件的關(guān)鍵因素。3D打印的素坯存在大量需要去除的有機(jī)材料。因此，必須采用足夠的加熱速率來(lái)避免出現(xiàn)零件破壞，零件破壞包括完全破碎的零件和變形的部件甚至到肉眼看不到但會(huì)損害性能的裂縫。

后處理是一個(gè)耗時(shí)的階段，通常需要幾個(gè)小時(shí)，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量研究來(lái)優(yōu)化這樣的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間取決于幾個(gè)因素，例如零件幾何形狀、所用粘合劑的量、所用粘合劑的熱分解特性等。此外，如果陶瓷零件的壁十分厚，在脫脂過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，因?yàn)楹穸葧?huì)干擾熱分解過(guò)程。因此，許多供應(yīng)商都將陶瓷光聚合制造的零部件的最大壁厚限制為10mm以內(nèi)。