一文帶你了解陶瓷光固化3D打印技術

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打印的領域有航天、骨科、齒科、化工、藝術等領域。陶瓷3D打印作為增材制造行業(yè)的新興技術，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主要有：光固化成型（SLA）、三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結（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

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爐燒結。燒結致密后，就可以得到成品陶瓷模型。

需要注意的是，燒結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)品的質量，因此選擇合適的燒結工藝對最終陶瓷產(chǎn)品起著很重要的作用。

陶瓷光固化技術難點
由于光固化技術在制備復雜結構、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打印技術由于具有成型過程自動化程度高、制造原型表面質量好、尺寸精度高以及能夠實現(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構的成形，解決渦輪葉片的承溫能力限制問題。康碩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。同時結合固化3D打印技術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。

電池領域
光固化3D打印技術制備固態(tài)鋰離子電池的方法，通過在電極膏體和電解質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膏體的粘度和流變性，還可以提高復合固體電解質的鋰離子導電性，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)高度復雜結構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陶瓷制造領域均具有光明的前景和未來。