陶瓷3D打印的常用材料、常用工藝和后處理

導(dǎo)讀：陶瓷材料具有多種獨(dú)特特性，包括堅(jiān)硬、光滑、耐溫性高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。3D打印陶瓷可用于醫(yī)療部件、高溫航空部件等工業(yè)應(yīng)用，也可用于裝飾用途，例如陶器和藝術(shù)品。由于材料本身的特性，3D打印過程通常使用專門的3D打印機(jī)，打印件必須經(jīng)過后處理過程。制作最終的陶瓷部件通常比普通的塑料打印件需要更長的時(shí)間。那么陶瓷3D打印中最常用的材料有哪些？陶瓷3D打印的工藝分為哪幾種？后處理是什么？



材料


△用于 3D 打印的陶瓷材料可以有多種形式，包括光樹脂和粉末

陶瓷 3D 打印的獨(dú)特之處當(dāng)然在于材料。在藝術(shù)界，術(shù)語“陶瓷”和“粘土”經(jīng)�；�換使用，以描述用于制作陶器的不同材料。粘土確實(shí)是陶瓷的一種，但并不是所有的陶瓷都是由粘土制成的。實(shí)際上，陶瓷包含多種材料，這些材料在高溫下加熱時(shí)會(huì)硬化，這一過程稱為燒制。

以下是陶器3D打印中最常用的材料：

●赤土陶器是一種最常用的陶瓷之一，通常用于花盆，它具有多孔的特性且材料容易獲得。它的紅色調(diào)來自于在窯爐中燒制時(shí)形成的氧化鐵，陶土可以在 FDM 系統(tǒng)中擠壓成型，并且比大多數(shù)粘土陶瓷更堅(jiān)韌。

●瓷器是二氧化硅和粘土的混合物。它有硬質(zhì)瓷器、軟質(zhì)瓷器和骨瓷三個(gè)品種。硬釉瓷器是用于精美瓷器的品種，主要由混合石英和長石的高嶺土制成。軟糊具有相似的成分，但它在較低溫度下燒制，因此最終產(chǎn)品不像硬糊那樣堅(jiān)硬。如今，骨瓷由骨灰、高嶺土和長石制成�？梢杂� FDM 擠壓工藝制造瓷器、或是以陶瓷光樹脂的形式進(jìn)行3D打印，或者以粉末形式用粘合劑噴射粘合在一起。

●陶器通常在燒制之前用泥漿（粘土和水的高度流動(dòng)混合物）進(jìn)行精加工，以改善表面紋理并使其防水。它在這個(gè)過程中被燒制但沒有玻璃化（變成玻璃狀），所以它的表面比瓷器更粗糙�？梢�3D打印擠出制造陶器，Wasp是生產(chǎn)陶瓷3D打印機(jī)的最著名公司之一。

●炻器是一種在高溫下燒制的無孔陶器。雖然它是防水的，但出于美觀目的，通常會(huì)使用釉料。炻器在 3D 打印中最常見。

陶瓷燈絲


△除了陶器，陶瓷細(xì)絲也非常適合其他美學(xué)應(yīng)用，例如這款表殼

除了可以用特殊3D打印機(jī)直接擠出陶瓷材料外，還有可以在普通FDM 3D打印機(jī)上打印陶瓷基細(xì)絲。這些細(xì)絲通常是聚合物基粘合劑和陶瓷材料的復(fù)合材料。像其他長絲一樣，它們纏繞在線軸上，但通常在經(jīng)過最后的加熱階段之前，會(huì)變得十分脆。在燒制過程中，聚合物被燒掉，只留下陶瓷材料，一些細(xì)絲需要單獨(dú)的脫脂過程以將聚合物與陶瓷材料分離。

市場(chǎng)上有幾家公司生產(chǎn)陶瓷燈絲，包括Spectrum 燈絲、LayCeramic和Zetamix。這些細(xì)絲往往比陶器等標(biāo)準(zhǔn)陶器材料貴得多。直徑為 2.85 毫米的 LayCeramic 成本約為每公斤 140 美元，而直徑為 1.75 毫米的 Zetamix 氧化鋯基燈絲的價(jià)格約為每公斤 650 美元。

陶瓷3D打印


△Wasp粘土擠壓機(jī)

如今，陶瓷的3D打印方式多種多樣，每種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。打印陶瓷的最具成本效益的方式是通過擠壓，但它的精度也最低。樹脂打印和粘合劑噴射能夠提供更高水平的精度，但價(jià)格昂貴。

擠壓3D打印
基于粘土擠壓的3D打印系統(tǒng)是為陶器應(yīng)用制造陶瓷部件的最常見方式。最流行的粘土擠壓系統(tǒng)之一是 Wasp 的 delta 粘土打印機(jī)系列，可以使用氣動(dòng)裝置將粘土推出擠壓噴嘴，也可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋結(jié)構(gòu)推出材料。

陶瓷絲的出現(xiàn)使得普通的FDM機(jī)器也可以用來打印陶器。但是，由于脫脂過程，打印品會(huì)收縮變小。例如，當(dāng)所有的聚合物都被燒掉后，LayCeramic 細(xì)絲會(huì)收縮多達(dá)四分之一，所以設(shè)計(jì)陶器的幾何形狀時(shí)必須更加謹(jǐn)慎，使其在收縮階段保持一體，壁厚在設(shè)計(jì)上需要加厚，Zetamix建議其氧化鋯長絲厚度設(shè)計(jì)為2mm。使用這些復(fù)合材料時(shí)，通常首選更寬的噴嘴直徑，推薦使用0.6mm噴嘴而不是標(biāo)準(zhǔn)的0.4mm噴嘴，噴嘴應(yīng)為硬化鋼或可承受磨蝕性材料的鋼材。

其他3D打印


△精度更高的打印機(jī)意味著價(jià)格也更高

陶瓷也可以使用兼容的樹脂3D打印機(jī)和粘合劑噴射系統(tǒng)生產(chǎn)。這些機(jī)器往往更多地用于技術(shù)陶瓷應(yīng)用，但也可以使用光聚合物系統(tǒng)生產(chǎn)小型、高度精細(xì)的裝飾性陶器組件。在打印之前需要制備陶瓷和聚合物混合物，比如Formlabs 的陶瓷樹脂和 Tethon3D 的Porcelite。陶瓷樹脂由于較重會(huì)對(duì)打印過程造成一定的難度，它比大多數(shù)塑料重得多，因此要讓零件光滑平整的涂覆在工作平臺(tái)上是具有挑戰(zhàn)性的。

粘合劑噴射系統(tǒng)也可用來打印陶瓷部件，例如 Kwambio 的陶瓷打印機(jī)，它利用粉末床系統(tǒng)來生產(chǎn)高精度陶瓷零件。粉末狀陶瓷通過專有粘合劑逐層粘合在一起，以保持打印部件的形狀，即“生坯狀態(tài)”，直到可以上釉和燒制為止。粘合劑噴射陶瓷是一個(gè)非常專業(yè)的過程，需要專用機(jī)器，因此不是每個(gè)粘合劑噴射打印機(jī)都能生產(chǎn)的。雖然可以使用這些 3D 打印方法制作陶器，但所需的機(jī)器非常昂貴——通常起價(jià)為五位數(shù)。因此，這些方法對(duì)于普通消費(fèi)者來說是遙不可及的。

后處理


△與傳統(tǒng)陶器一樣，3D 打印陶器必須在窯中燒制

對(duì)于直接打印陶瓷材料的擠出系統(tǒng)，可根據(jù)所使用的材料和零件的尺寸，將打印件干燥一到兩周。然后將干燥的打印品在窯中燒制，這一過程稱為素瓷燒制。最后，上釉，然后對(duì)版畫進(jìn)行上釉燒制。窯爐價(jià)格昂貴，因此很多人選擇將燒制過程外包。由于工藝往往與燒制任何傳統(tǒng)陶瓷相同，因此通常不需要專門的窯爐和釉料。

對(duì)于使用普通FDM打印機(jī)打印的陶瓷細(xì)絲，后處理稍微復(fù)雜一些。在燒制打印件之前，某些細(xì)絲需要進(jìn)行脫脂處理。例如，Zetamix 的氧化鋯燈絲在部件打印后需要兩個(gè)階段的過程。首先，必須將零件放入丙酮化學(xué)浴中以溶解粘合劑，然后在裝滿粉末的坩堝中燒制以熱去除剩余的粘合劑，整個(gè)后期處理需要兩天多的時(shí)間。在開始使用陶瓷復(fù)合材料絲之前，請(qǐng)務(wù)必仔細(xì)閱讀制造商的說明，因?yàn)榫唧w材料的使用方法可能會(huì)有很大差異。

應(yīng)用


△3D 打印機(jī)已成為一些陶藝家藝術(shù)實(shí)踐的一部分

陶瓷 3D 打印激發(fā)了新一代藝術(shù)家、雕塑家和建筑師的靈感，可制造華麗且精細(xì)的物品，而這些形狀使用傳統(tǒng)陶瓷工藝是不可能實(shí)現(xiàn)的。從陶器到建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)師們正在尋找制作陶瓷的新方法。Jonathon Keep、  Kate Blacklock和 Emre Can等陶瓷藝術(shù)家  一直在使用 3D 打印工藝為博物館和私人收藏創(chuàng)作陶瓷作品，效果驚人而獨(dú)特。

近年來，3D 打印機(jī)已被用于擠壓陶土來制作獨(dú)特的屋頂瓦片、 人工魚礁，甚至整個(gè)建筑物，比如荷蘭歷史名城代爾夫特的藍(lán)色陶瓷拱門以及 Ceramic Morphologies 的 3D 打印陶瓷展館，這些都展現(xiàn)了陶瓷3D打印的潛力。

打印服務(wù)


△陶瓷 3D 打印的簡(jiǎn)單方法

由于 3D 打印和后處理陶瓷是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，需要專門的機(jī)器和打印件在窯中如何反應(yīng)的知識(shí)，因此3D打印服務(wù)出現(xiàn)在市場(chǎng)中。如果您只是嘗試一個(gè)想法，不想親自購買完整的設(shè)置，那么這絕對(duì)是您的不二之選。

Kwambio是一家專門的陶瓷 3D 打印服務(wù)公司，該公司基于粉末床技術(shù)開發(fā)了自己的陶瓷 3D 打印機(jī)，他們的網(wǎng)站上有陶瓷零件設(shè)計(jì)指南，如果設(shè)計(jì)有任何問題，他們的工程師會(huì)在生產(chǎn)零件之前向您提供反饋。您只需在他們的網(wǎng)站上上傳文件或草圖，然后就可以等待著收到陶瓷零件了。

打印機(jī)選項(xiàng)


△Eazao 提供了一種相對(duì)實(shí)惠的陶瓷3D打印機(jī)

如上所述，3D 打印機(jī)可以打印從高嶺土和瓷土到炻器和陶土的任何東西。以下是幾個(gè)打印機(jī)的推薦：

●Eazao Zero：這是一款相對(duì)經(jīng)濟(jì)的擠出機(jī)，開箱即用，只需899美元，Eazao Zero就可以擠出大多數(shù)粘土并且不需要空氣壓縮機(jī)，因此非常適合桌面使用。它的構(gòu)建體積為 150 x 150 x 240mm，可以生產(chǎn) 0.4 mm到 1mm的層，還可以使用0.6mm到 1.5mm的擠出噴嘴進(jìn)行操作�？偟膩碚f，這是開始自己制作陶瓷藝術(shù)品的一種非常劃算的方式，如果想完成整個(gè)陶器生產(chǎn)過程，他們還提供 1,099 美元的電窯。

●Delta Wasp 2040：這款著名的粘土打印機(jī)售價(jià)約 3,500 美元，可生產(chǎn)高達(dá) 40 厘米的零件。由于它是一個(gè)開放式 delta 機(jī)器人，因此可以在打印過程中與正在打印的作品進(jìn)行交互。這對(duì)于想要在制作過程中進(jìn)行修改的藝術(shù)家來說非常有用。Delta Wasp 20240 可以與各種陶瓷混合物一起使用，例如瓷器和陶器。此外，Wasp 以 16 美元（12.5 千克）的價(jià)格出售紅色陶器粘土混合物。