先进陶瓷光聚合3D打印

导读：增材制造作为一种可快速制造定制的先进陶瓷部件，越来越受到人们的关注，陶瓷增材制造可以提高设计自由度，制造结构复杂的陶瓷零件。在众多陶瓷增材制造的方法中，陶瓷光聚合技术以其高精度、高固含量脱颖而出，南极熊整理了有关先进陶瓷光聚合技术的信息，让我们一起看下去吧！



先进的陶瓷材料具有优异的性能，例如耐高温、高硬度、比金属和塑料更高的耐磨性，以及具有热绝缘性。当在很严峻的环境下，需要坚固可靠的材料时，先进陶瓷材料的特性就起到了关键性作用。陶瓷材料的热学、电学和生物相容性使其可用于汽车行业的各种传感器和机械密封件、医疗行业的骨植入物和假牙以及太空卫星的隔热罩等。

然而，传统的陶瓷制造方法通常涉及昂贵的模具，这使得小规模制造陶瓷零件变得很困难。陶瓷增材制造技术却可以应对这些问题，它可以通过以更低的成本和更短的时间制造定制的陶瓷部件。此外，在功能优化方面，3D打印陶瓷比传统方法提供了更大的灵活性，并且可以生产复杂结构。下面我们将讨论陶瓷立体光刻技术的不同应用和工艺的不同阶段，以及某些注意事项。

光聚合陶瓷3D打印


△立体光刻概述（来源：i.Materialise）
陶瓷增材制造可以通过多种技术进行，例如粘合剂喷射、直接墨水书写和选择性激光烧结。然而，所有这些技术都不适合生产高固含量零件，因此它们的应用受到很大限制。光聚合是最成熟的陶瓷增材制造技术，能够生产出致密的结构部件。可以说，在众多陶瓷3D打印技术中，陶瓷光聚合技术因其能够生产具有高精度和高固含量的部件而脱颖而出。根据ISO/ASTM 52900:2015，光聚合是一种“增材制造工艺，其中液体光聚合物通过光活化聚合选择性地固化”，例如树脂3D打印机的DLP或SLA工艺。

应用

陶瓷光聚合技术允许制造具更高几何自由度和更低成本的定制陶瓷部件。因此，其他制造方法无法实现的产品可通过光固化现实，许多领域都受益于该技术。南极熊列举了一些应用：


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

●牙科
在牙科行业，现在已经使用氧化锆、氧化铝和玻璃陶瓷材料进行性还原光聚合生产各种陶瓷牙科修复体（即内冠、牙冠和牙桥）。此外，具有美学和高强度的微创修复全解剖冠的商业解决方案也应用了此技术。

●组织工程
在组织工程领域，人们可以制造由生物陶瓷制成的用于骨修复的定制支架。陶瓷光聚合允许在复杂的几何形状和化学成分中模拟自然界中的结构，例如牛骨小梁。陶瓷光聚合技术还可用于3D打印颅骨或上颌骨植入物等。

●其他工程应用
陶瓷光聚合技术在工程中的应用还有很多，例如汽车工业、催化器领域和热交换器等。陶瓷光聚合技术可以实现零件的几何优化，获得更好的性能。

陶瓷光聚合工艺

1. 原料


△正在开发的陶瓷光敏悬浮液（来源：Italo Leite de Camargo via All3DP）

陶瓷3D打印供应商提供与其设备兼容的原材料。因此，各种各样的陶瓷原料(氧化铝、氧化锆和羟基磷灰石)在市场上销售。此外，世界各地的大量研究人员一直致力于研究原材料的开发和优化，某些研究已经获得了陶瓷悬浮液的优质配方。

陶瓷槽光聚合的原料是由感光树脂、陶瓷粉末和添加剂混合而成的悬浮液。悬浮液应满足工艺要求，即陶瓷填料含量高，粘度适中。然而，同时满足这两个要求具有挑战性，因为固体负载越高，粘度就越高。此外，悬浮液的沉降一般不可忽略。最后，必须满足与悬浮液流变行为相关的几个要求。因此，应陶瓷颗粒应具有合适的粒径和比表面积，还应选择有效的分散剂以促进树脂与陶瓷粉末之间的相互作用等。在配置时，还需要使用适当的制备方法来制备均匀的悬浮液，比如陶瓷浆料混合物通常在球磨机中处理几个小时。

2. 3D 打印机


△3DCeram 的陶瓷 3D 打印机 C100 Easy（来源：3DCeram Sinto via YouTube）

陶瓷悬浮液的高固含量会带来高粘性。因此，大多数商用树脂3D打印机并不适合用于制造陶瓷零件。处理陶瓷材料时，通常使用带有专用重涂系统的特殊设备。大多数陶瓷光聚合3D打印机都是在过去五年中才出现的，但也有一些知名公司，例如 Lithoz 和 3DCeram，已经在该领域工作了多年。

使用自制原型和普通3D打印机（通常用于制造树脂部件）的研究变得越来越重要，这会使得该技术扩展到实验室和小型工业中。但是，非工业3D打印机仍有很大的使用限制，通常适合低固含量的陶瓷浆料，从而降低了部件的机械性能。

3. 后期处理


△根据箱式炉的不同，后处理温度可能会超过 1,500 °C（来源：赛默飞世尔）

陶瓷光聚合是一种间接过程，即制造由陶瓷粉末和粘合剂组成的“生”体，必须经过后期脱脂烧结才能获得最终的陶瓷部件。这种后处理是在炉中进行的热处理，这是先进陶瓷加工中的传统设备，如上图所示。

首先，粘合剂（树脂和添加剂）脱脂过程中通过热分解消除。随后，在烧结步骤中，生体在没有完全熔化颗粒的情况下承受更高的温度（可能超过 1,500°C），旨在增加陶瓷部件的密度。


△由脱脂和烧结组成的后处理（来源：Italo Leite de Camargo via All3DP）

上面描述和说明的后处理是获得陶瓷零件的关键因素。3D打印的素坯存在大量需要去除的有机材料。因此，必须采用足够的加热速率来避免出现零件破坏，零件破坏包括完全破碎的零件和变形的部件甚至到肉眼看不到但会损害性能的裂缝。

后处理是一个耗时的阶段，通常需要几个小时，研究人员已经进行了大量研究来优化这样的过程。整个过程的持续时间取决于几个因素，例如零件几何形状、所用粘合剂的量、所用粘合剂的热分解特性等。此外，如果陶瓷零件的壁十分厚，在脱脂过程中可能会产生裂缝，因为厚度会干扰热分解过程。因此，许多供应商都将陶瓷光聚合制造的零部件的最大壁厚限制为10mm以内。