一文帶你了解陶瓷光固化3D打印技術(shù)

來(lái)源：科陶智造  

陶瓷材料作為三大基本材料之一，以?xún)?yōu)良的理化特性在工業(yè)界被廣泛應(yīng)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(jiǎn)單的三維形狀。增材制造技術(shù)的發(fā)展讓復(fù)雜的陶瓷產(chǎn)品成為可能。目前來(lái)看，已經(jīng)被成功應(yīng)用于陶瓷3D打印的領(lǐng)域有航天、骨科、齒科、化工、藝術(shù)等領(lǐng)域。陶瓷3D打印作為增材制造行業(yè)的新興技術(shù)，開(kāi)始體現(xiàn)出越來(lái)越大的作用。

目前成熟的陶瓷增材制造技術(shù)主要有：光固化成型（SLA）、三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)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(shù)中主流的3D打印工藝，具有成型速度快、自動(dòng)化程度高、尺寸精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

光固化3D打印優(yōu)勢(shì)
目前，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，新型的3D打印材料不斷涌現(xiàn)，越來(lái)越多的材料被廣泛使用，而光固化3D打印顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)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(lái)越多的研究者對(duì)其進(jìn)行研究，不僅因?yàn)橐驗(yàn)樘沾刹牧系男阅軆?yōu)異，應(yīng)用前景廣泛，也因?yàn)楣夤袒�陶�?D打印技術(shù)相比于其他陶瓷增材制造方法，打印精度高，并且在制備復(fù)雜形狀以及高精度大型零部件方面有很大的優(yōu)勢(shì)。

陶瓷光固化工藝
陶瓷光固化技術(shù)是將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通過(guò)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(jī)上直接逐層固化，累加得到陶瓷零件素坯，再通過(guò)后續(xù)的加熱脫脂工藝，將坯體零件中作為粘接劑的有機(jī)成分通過(guò)高溫排除，得到零件素坯后，進(jìn)行燒結(jié)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(jìn)行制備時(shí)，需要對(duì)陶瓷粉體進(jìn)行前處理。前處理法是一種在配制漿料前，使用分散劑對(duì)陶瓷顆粒表面改性的辦法。陶瓷件漿料具體配制過(guò)程如下：

脫脂燒結(jié)

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(shù)脂和其他添加劑會(huì)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(duì)脫脂后的陶瓷模型放入高溫?zé)�結(jié)爐燒結(jié)。燒結(jié)致密后，就可以得到成品陶瓷模型。

需要注意的是，燒結(jié)過(guò)程中會(huì)伴隨有機(jī)物分解和陶瓷顆粒晶粒與晶界的變化，有機(jī)物分解殘余的碳會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此選擇合適的燒結(jié)工藝對(duì)最終陶瓷產(chǎn)品起著很重要的作用。

陶瓷光固化技術(shù)難點(diǎn)
由于光固化技術(shù)在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高精度陶瓷零部件方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(wèn)題迫切需要解決。制備高精度高性能的陶瓷零部關(guān)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(jìn)行后處理。

陶瓷光固化應(yīng)用案例
當(dāng)前，陶瓷光固化3D打印技術(shù)由于具有成型過(guò)程自動(dòng)化程度高、制造原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較驚喜的尺寸成型等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

航空航天
借助陶瓷型芯，可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片復(fù)雜空心冷卻結(jié)構(gòu)的成形，解決渦輪葉片的承溫能力限制問(wèn)題�？荡T德陽(yáng)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(jī)通過(guò)SLA光固化成形技術(shù)制備了硅基陶瓷型芯。該陶瓷型芯抗蠕變性能較好，滿(mǎn)足應(yīng)用要求，可以供重型燃機(jī)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(fù)材料之一，因其優(yōu)秀的理化性能、良好的美學(xué)修復(fù)效果及穩(wěn)定的生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于臨床修復(fù)治療。同時(shí)結(jié)合固化3D打印技術(shù)更為牙科陶瓷修復(fù)體提供一個(gè)新的發(fā)展方向。例如現(xiàn)已有研究人員利用光固化技術(shù)打印無(wú)細(xì)胞毒且良好生物相容性ZrO2-Al2O3牙，并成用于口腔修復(fù)中。

電池領(lǐng)域
光固化3D打印技術(shù)制備固態(tài)鋰離子電池的方法，通過(guò)在電極膏體和電解質(zhì)膏體引入光敏聚合物網(wǎng)絡(luò)基體，實(shí)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(zhì)膏體的粘度和流變性，還可以提高復(fù)合固體電解質(zhì)的鋰離子導(dǎo)電性，最終獲得了具備優(yōu)良電化學(xué)特性、成型可調(diào)和安全穩(wěn)定的儲(chǔ)能器件。

雖然陶瓷3D打印相比與樹(shù)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(wú)法實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷的制造開(kāi)辟了全新的途徑。相信通過(guò)材料和化學(xué)基礎(chǔ)研發(fā)，以及光固化工藝原理的進(jìn)一步創(chuàng)新，陶瓷光固化3D打印在機(jī)械、光學(xué)、通訊、電子、能源、環(huán)保、生物、醫(yī)療、航空航天等各類(lèi)高技術(shù)陶瓷制造領(lǐng)域均具有光明的前景和未來(lái)。