陶瓷3D打印技術(shù)特點(diǎn)及PEP與DLP的差異

來源： 升華三維

陶瓷3D打印技術(shù)及應(yīng)用材料

陶瓷以其較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的聲光電磁熱等特性，被廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、電子、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)陶瓷制造工藝通常將陶瓷粉末和粘結(jié)劑等混合，通過注射成型、模壓、流延、凝膠注模等方法制成所需形狀。制得的生坯再經(jīng)過高溫脫脂和燒結(jié)等工藝進(jìn)一步致密化。但傳統(tǒng)制造工藝需要模具、整體生產(chǎn)周期較長，且無法成型具有高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件。此外，由于陶瓷具有極高硬度和脆性，使其加工異常困難。而3D打印技術(shù)具有智能、無模、精密、高復(fù)雜度的制造能力，為陶瓷零件制造提供了全新思路。

▲陶瓷3D打印技分類術(shù) @Journal of the European Ceramic Society，有補(bǔ)充

根據(jù)不同的陶瓷3D打印成型原理，可分為基于擠出成型原理的線材熔融沉積造型技術(shù)（FDM）、粉末擠出打印技術(shù)（PEP）和漿料直寫技術(shù)（DIW）；基于光敏聚合成型原理的立體光固化技術(shù)（SLA）、數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）和雙光子聚合技術(shù)（TPP）；基于粉末粘接成型原理的噴墨打印技術(shù)（IJP）和三維印刷技術(shù)（3DP）；基于粉末燒結(jié)成型原理的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）和選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）。

▲陶瓷3D打印技術(shù)細(xì)節(jié)對比 @Journal of the European Ceramic Society，有補(bǔ)充

而陶瓷3D打印材料則可分為粉末、顆粒、漿料和線材。主要有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化硼、TCP、羥基磷灰石等。陶瓷3D打印在航空航天、核能、半導(dǎo)體制造、醫(yī)療植入、光學(xué)傳感及高溫耐磨件等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。

▲采用PEP工藝制備的不同陶瓷材料應(yīng)用樣品 @升華三維

PEP與DLP的技術(shù)特點(diǎn)及差異

本文選擇DLP與PEP兩種不同陶瓷打印工藝進(jìn)行梳理，旨在充分挖掘不同技術(shù)潛力，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，探尋應(yīng)用增長點(diǎn)。嚴(yán)格來說，3D打印僅僅是陶瓷零件制造工藝中的一個成形過程。最終零件性能還要有賴于材料制備和脫脂燒結(jié)等工藝。為了獲得更高零件性能，可能還需要跟后處理工藝（如滲透和等靜壓）等結(jié)合起來。而基于光敏聚合成型的3D打印技術(shù)在成型精度、零件表面質(zhì)量和機(jī)械性能等方面均表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，因此通常被認(rèn)為是各種陶瓷3D打印工藝中具有廣闊前景的一類工藝。

目前在市面上出現(xiàn)的商業(yè)化陶瓷3D打印設(shè)備中，主要以DLP打印機(jī)的的應(yīng)用較為普及。其在設(shè)備成本及制備精密陶瓷件方面相比SLM等需要高能量激光器的設(shè)備都具有顯著優(yōu)勢。而PEP則是由升華三維推出的一種3D打印結(jié)合傳統(tǒng)燒結(jié)工藝的間接增材技術(shù)，其發(fā)揮了3D打印靈活成型與傳統(tǒng)粉末冶金成熟后處理工藝優(yōu)勢，通過3D打印機(jī)制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀，再通過脫脂燒結(jié)工藝進(jìn)行后處理，最終獲得致密且性能一致性好的陶瓷結(jié)構(gòu)件。DLP與PEP都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但也存在著明顯的差異點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

DLP與PEP的技術(shù)的差異點(diǎn)

成型原理：PEP技術(shù)基于粉末擠出，而DLP技術(shù)基于光固化，兩者在成型原理上存在本質(zhì)區(qū)別；

材料選擇：PEP技術(shù)可適用于金屬和陶瓷粉末材料，DLP技術(shù)則適用于以光敏樹脂材料作為基料，可選擇的材料有限；

成本和維護(hù)：PEP技術(shù)設(shè)備成本較低，維護(hù)方便，而DLP技術(shù)可能需要更復(fù)雜的光源和光學(xué)系統(tǒng)，維護(hù)相對復(fù)雜；

打印速度和精度：PEP采用點(diǎn)-線-面方式成型，而DLP技術(shù)采用數(shù)字光逐層固化方式成型，在打印速度和精度上具有優(yōu)勢，特別適合精細(xì)細(xì)節(jié)的打�。�

應(yīng)用范圍：PEP技術(shù)適合復(fù)雜形狀的大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)件制造，DLP技術(shù)則更適合精細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷部件的快速制造。

PEP在陶瓷3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢及前景
不同路線的陶瓷3D打印技術(shù)在應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)也會存在不同。如使用IJP和3DP適合制造致密或多孔陶瓷零件，DIW和FDM工藝則適用于打印鏤空點(diǎn)陣陶瓷結(jié)構(gòu)。DLP技術(shù)在細(xì)微結(jié)構(gòu)、尺寸精度和表面質(zhì)量方面表現(xiàn)優(yōu)異，適合對這些特征要求較高的應(yīng)用，如在齒科、電子器件、首飾、玩具等都具有應(yīng)用優(yōu)勢。而PEP技術(shù)在成本效益、材料適應(yīng)性、和與傳統(tǒng)工藝契合方面更具優(yōu)勢，特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的大尺寸結(jié)構(gòu)件的增材。不過需要補(bǔ)充說明的是，應(yīng)用場景除了成型技術(shù)的影響外，材料才是關(guān)鍵，不論哪種技術(shù)路線，最終都可以定義成是在為不同陶瓷材料的應(yīng)用場景提供工藝支持。

▲PEP制備輕量化設(shè)計的碳化硅反射鏡燒結(jié)件 @升華三維

▲采用PEP工藝制備的大尺寸碳化硅反射鏡成品 @上海硅酸鹽所

PEP技術(shù)在大尺寸的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷、內(nèi)部多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用開發(fā)方面獨(dú)具優(yōu)勢。此外，PEP技術(shù)的一個顯著特點(diǎn)是在于能夠靈活地使用各種陶瓷粉末原料，有望在航空裝備、空間技術(shù)、核工業(yè)、國防、光伏半導(dǎo)體、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的更多陶瓷材料上得以深度開發(fā)和應(yīng)用拓展。盡管打印件表面光潔度有限，但精度低和表面質(zhì)量低等缺點(diǎn)在生物陶瓷支架應(yīng)用方面，也許可能轉(zhuǎn)變?yōu)閷�這些部件有利的結(jié)構(gòu)特性。

PEP技術(shù)目前已在空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過濾催化器、人工骨等陶瓷應(yīng)用方面有著較成熟的案例。同時PEP技術(shù)因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染，符合當(dāng)前制造業(yè)的環(huán)保趨勢，市場潛力巨大。