一文带你了解陶瓷光固化3D打印技术

来源：科陶智造  

陶瓷材料作为三大基本材料之一，以优良的理化特性在工业界被广泛应用。但因传统陶瓷制备工艺的限制，工业中使用的陶瓷制品往往只具备简单的三维形状。增材制造技术的发展让复杂的陶瓷产品成为可能。目前来看，已经被成功应用于陶瓷3D打印的领域有航天、骨科、齿科、化工、艺术等领域。陶瓷3D打印作为增材制造行业的新兴技术，开始体现出越来越大的作用。

目前成熟的陶瓷增材制造技术主要有：光固化成型（SLA）、三维印刷（3DP）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）和挤出成型（EFF）等，其中，光固化成型（SLA）是目前陶瓷增材制造技术中主流的3D打印工艺，具有成型速度快、自动化程度高、尺寸精度高、表面质量优良等优点。

光固化3D打印优势
目前，随着3D打印技术的发展，新型的3D打印材料不断涌现，越来越多的材料被广泛使用，而光固化3D打印显而易见的优势就是突破材料限制。陶瓷光固化起步较晚，但发展迅速，越来越多的研究者对其进行研究，不仅因为因为陶瓷材料的性能优异，应用前景广泛，也因为光固化陶瓷3D打印技术相比于其他陶瓷增材制造方法，打印精度高，并且在制备复杂形状以及高精度大型零部件方面有很大的优势。

陶瓷光固化工艺
陶瓷光固化技术是将陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，通过高速搅拌使陶瓷粉末在溶液中分散均匀，制备高固相含量、低粘度的陶瓷浆料，然后使陶瓷浆料在光固化成型机上直接逐层固化，累加得到陶瓷零件素坯，再通过后续的加热脱脂工艺，将坯体零件中作为粘接剂的有机成分通过高温排除，得到零件素坯后，进行烧结工艺，得到致密化的陶瓷零件。

陶瓷浆料制备

浆料包含陶瓷粉、单体、交联剂、分散剂、溶剂和光引发剂等材料。在进行制备时，需要对陶瓷粉体进行前处理。前处理法是一种在配制浆料前，使用分散剂对陶瓷颗粒表面改性的办法。陶瓷件浆料具体配制过程如下：

脱脂烧结

将打印完成的陶瓷素坯模型放入脱脂炉中，在脱脂炉中陶瓷素坯内的光敏树脂和其他添加剂会缓慢的完全排出陶瓷素坯，脱脂完成后，陶瓷素坯完全由陶瓷粉体组成。为了得到致密的陶瓷成品，还需要对脱脂后的陶瓷模型放入高温烧结炉烧结。烧结致密后，就可以得到成品陶瓷模型。

需要注意的是，烧结过程中会伴随有机物分解和陶瓷颗粒晶粒与晶界的变化，有机物分解残余的碳会影响产品的质量，因此选择合适的烧结工艺对最终陶瓷产品起着很重要的作用。

陶瓷光固化技术难点
由于光固化技术在制备复杂结构、高精度陶瓷零部件方面具有明显优势，因此国内外学者进行了大量的研究，也取得了突破性的成果，但是在材料制备、工艺优化等方面仍存在很多棘手的问题迫切需要解决。制备高精度高性能的陶瓷零部关键在于高固含量和低粘度的陶瓷浆料配制，这也是目前存在的难题之一。此外，打印件通常需要进行后处理。

陶瓷光固化应用案例
当前，陶瓷光固化3D打印技术由于具有成型过程自动化程度高、制造原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较惊喜的尺寸成型等特点，得到了广泛的应用。

航空航天
借助陶瓷型芯，可以实现航空发动机的涡轮叶片复杂空心冷却结构的成形，解决涡轮叶片的承温能力限制问题。康硕德阳智能制造有限公司的李琴等人以粒径≤10um的氧化硅粉体为基体材料，使用3DCERAM打印机通过SLA光固化成形技术制备了硅基陶瓷型芯。该陶瓷型芯抗蠕变性能较好，满足应用要求，可以供重型燃机空心叶片熔模铸造使用。

生物医疗
ZrO2陶瓷作为临床冠桥修复材料之一，因其优秀的理化性能、良好的美学修复效果及稳定的生物相容性等诸多优点，应用于临床修复治疗。同时结合固化3D打印技术更为牙科陶瓷修复体提供一个新的发展方向。例如现已有研究人员利用光固化技术打印无细胞毒且良好生物相容性ZrO2-Al2O3牙，并成用于口腔修复中。

电池领域
光固化3D打印技术制备固态锂离子电池的方法，通过在电极膏体和电解质膏体引入光敏聚合物网络基体，实现了电池整体的光固化3D打印成型；该方法不仅可以提高电解质膏体的粘度和流变性，还可以提高复合固体电解质的锂离子导电性，最终获得了具备优良电化学特性、成型可调和安全稳定的储能器件。

虽然陶瓷3D打印相比与树脂和金属3D打印的发展还处于起步阶段，但是光固化3D打印为传统方法无法实现高度复杂结构陶瓷的制造开辟了全新的途径。相信通过材料和化学基础研发，以及光固化工艺原理的进一步创新，陶瓷光固化3D打印在机械、光学、通讯、电子、能源、环保、生物、医疗、航空航天等各类高技术陶瓷制造领域均具有光明的前景和未来。