陶瓷3D打印的常用材料、常用工艺和后处理

导读：陶瓷材料具有多种独特特性，包括坚硬、光滑、耐温性高等特点，已广泛应用于各种领域。3D打印陶瓷可用于医疗部件、高温航空部件等工业应用，也可用于装饰用途，例如陶器和艺术品。由于材料本身的特性，3D打印过程通常使用专门的3D打印机，打印件必须经过后处理过程。制作最终的陶瓷部件通常比普通的塑料打印件需要更长的时间。那么陶瓷3D打印中最常用的材料有哪些？陶瓷3D打印的工艺分为哪几种？后处理是什么？



材料


△用于 3D 打印的陶瓷材料可以有多种形式，包括光树脂和粉末

陶瓷 3D 打印的独特之处当然在于材料。在艺术界，术语“陶瓷”和“粘土”经常互换使用，以描述用于制作陶器的不同材料。粘土确实是陶瓷的一种，但并不是所有的陶瓷都是由粘土制成的。实际上，陶瓷包含多种材料，这些材料在高温下加热时会硬化，这一过程称为烧制。

以下是陶器3D打印中最常用的材料：

●赤土陶器是一种最常用的陶瓷之一，通常用于花盆，它具有多孔的特性且材料容易获得。它的红色调来自于在窑炉中烧制时形成的氧化铁，陶土可以在 FDM 系统中挤压成型，并且比大多数粘土陶瓷更坚韧。

●瓷器是二氧化硅和粘土的混合物。它有硬质瓷器、软质瓷器和骨瓷三个品种。硬釉瓷器是用于精美瓷器的品种，主要由混合石英和长石的高岭土制成。软糊具有相似的成分，但它在较低温度下烧制，因此最终产品不像硬糊那样坚硬。如今，骨瓷由骨灰、高岭土和长石制成。可以用 FDM 挤压工艺制造瓷器、或是以陶瓷光树脂的形式进行3D打印，或者以粉末形式用粘合剂喷射粘合在一起。

●陶器通常在烧制之前用泥浆（粘土和水的高度流动混合物）进行精加工，以改善表面纹理并使其防水。它在这个过程中被烧制但没有玻璃化（变成玻璃状），所以它的表面比瓷器更粗糙。可以3D打印挤出制造陶器，Wasp是生产陶瓷3D打印机的最著名公司之一。

●炻器是一种在高温下烧制的无孔陶器。虽然它是防水的，但出于美观目的，通常会使用釉料。炻器在 3D 打印中最常见。

陶瓷灯丝


△除了陶器，陶瓷细丝也非常适合其他美学应用，例如这款表壳

除了可以用特殊3D打印机直接挤出陶瓷材料外，还有可以在普通FDM 3D打印机上打印陶瓷基细丝。这些细丝通常是聚合物基粘合剂和陶瓷材料的复合材料。像其他长丝一样，它们缠绕在线轴上，但通常在经过最后的加热阶段之前，会变得十分脆。在烧制过程中，聚合物被烧掉，只留下陶瓷材料，一些细丝需要单独的脱脂过程以将聚合物与陶瓷材料分离。

市场上有几家公司生产陶瓷灯丝，包括Spectrum 灯丝、LayCeramic和Zetamix。这些细丝往往比陶器等标准陶器材料贵得多。直径为 2.85 毫米的 LayCeramic 成本约为每公斤 140 美元，而直径为 1.75 毫米的 Zetamix 氧化锆基灯丝的价格约为每公斤 650 美元。

陶瓷3D打印


△Wasp粘土挤压机

如今，陶瓷的3D打印方式多种多样，每种方式各有优缺点。打印陶瓷的最具成本效益的方式是通过挤压，但它的精度也最低。树脂打印和粘合剂喷射能够提供更高水平的精度，但价格昂贵。

挤压3D打印
基于粘土挤压的3D打印系统是为陶器应用制造陶瓷部件的最常见方式。最流行的粘土挤压系统之一是 Wasp 的 delta 粘土打印机系列，可以使用气动装置将粘土推出挤压喷嘴，也可以使用电机驱动的螺旋结构推出材料。

陶瓷丝的出现使得普通的FDM机器也可以用来打印陶器。但是，由于脱脂过程，打印品会收缩变小。例如，当所有的聚合物都被烧掉后，LayCeramic 细丝会收缩多达四分之一，所以设计陶器的几何形状时必须更加谨慎，使其在收缩阶段保持一体，壁厚在设计上需要加厚，Zetamix建议其氧化锆长丝厚度设计为2mm。使用这些复合材料时，通常首选更宽的喷嘴直径，推荐使用0.6mm喷嘴而不是标准的0.4mm喷嘴，喷嘴应为硬化钢或可承受磨蚀性材料的钢材。

其他3D打印


△精度更高的打印机意味着价格也更高

陶瓷也可以使用兼容的树脂3D打印机和粘合剂喷射系统生产。这些机器往往更多地用于技术陶瓷应用，但也可以使用光聚合物系统生产小型、高度精细的装饰性陶器组件。在打印之前需要制备陶瓷和聚合物混合物，比如Formlabs 的陶瓷树脂和 Tethon3D 的Porcelite。陶瓷树脂由于较重会对打印过程造成一定的难度，它比大多数塑料重得多，因此要让零件光滑平整的涂覆在工作平台上是具有挑战性的。

粘合剂喷射系统也可用来打印陶瓷部件，例如 Kwambio 的陶瓷打印机，它利用粉末床系统来生产高精度陶瓷零件。粉末状陶瓷通过专有粘合剂逐层粘合在一起，以保持打印部件的形状，即“生坯状态”，直到可以上釉和烧制为止。粘合剂喷射陶瓷是一个非常专业的过程，需要专用机器，因此不是每个粘合剂喷射打印机都能生产的。虽然可以使用这些 3D 打印方法制作陶器，但所需的机器非常昂贵——通常起价为五位数。因此，这些方法对于普通消费者来说是遥不可及的。

后处理


△与传统陶器一样，3D 打印陶器必须在窑中烧制

对于直接打印陶瓷材料的挤出系统，可根据所使用的材料和零件的尺寸，将打印件干燥一到两周。然后将干燥的打印品在窑中烧制，这一过程称为素瓷烧制。最后，上釉，然后对版画进行上釉烧制。窑炉价格昂贵，因此很多人选择将烧制过程外包。由于工艺往往与烧制任何传统陶瓷相同，因此通常不需要专门的窑炉和釉料。

对于使用普通FDM打印机打印的陶瓷细丝，后处理稍微复杂一些。在烧制打印件之前，某些细丝需要进行脱脂处理。例如，Zetamix 的氧化锆灯丝在部件打印后需要两个阶段的过程。首先，必须将零件放入丙酮化学浴中以溶解粘合剂，然后在装满粉末的坩埚中烧制以热去除剩余的粘合剂，整个后期处理需要两天多的时间。在开始使用陶瓷复合材料丝之前，请务必仔细阅读制造商的说明，因为具体材料的使用方法可能会有很大差异。

应用


△3D 打印机已成为一些陶艺家艺术实践的一部分

陶瓷 3D 打印激发了新一代艺术家、雕塑家和建筑师的灵感，可制造华丽且精细的物品，而这些形状使用传统陶瓷工艺是不可能实现的。从陶器到建筑设计应用，设计师们正在寻找制作陶瓷的新方法。Jonathon Keep、  Kate Blacklock和 Emre Can等陶瓷艺术家  一直在使用 3D 打印工艺为博物馆和私人收藏创作陶瓷作品，效果惊人而独特。

近年来，3D 打印机已被用于挤压陶土来制作独特的屋顶瓦片、 人工鱼礁，甚至整个建筑物，比如荷兰历史名城代尔夫特的蓝色陶瓷拱门以及 Ceramic Morphologies 的 3D 打印陶瓷展馆，这些都展现了陶瓷3D打印的潜力。

打印服务


△陶瓷 3D 打印的简单方法

由于 3D 打印和后处理陶瓷是一个相当复杂的过程，需要专门的机器和打印件在窑中如何反应的知识，因此3D打印服务出现在市场中。如果您只是尝试一个想法，不想亲自购买完整的设置，那么这绝对是您的不二之选。

Kwambio是一家专门的陶瓷 3D 打印服务公司，该公司基于粉末床技术开发了自己的陶瓷 3D 打印机，他们的网站上有陶瓷零件设计指南，如果设计有任何问题，他们的工程师会在生产零件之前向您提供反馈。您只需在他们的网站上上传文件或草图，然后就可以等待着收到陶瓷零件了。

打印机选项


△Eazao 提供了一种相对实惠的陶瓷3D打印机

如上所述，3D 打印机可以打印从高岭土和瓷土到炻器和陶土的任何东西。以下是几个打印机的推荐：

●Eazao Zero：这是一款相对经济的挤出机，开箱即用，只需899美元，Eazao Zero就可以挤出大多数粘土并且不需要空气压缩机，因此非常适合桌面使用。它的构建体积为 150 x 150 x 240mm，可以生产 0.4 mm到 1mm的层，还可以使用0.6mm到 1.5mm的挤出喷嘴进行操作。总的来说，这是开始自己制作陶瓷艺术品的一种非常划算的方式，如果想完成整个陶器生产过程，他们还提供 1,099 美元的电窑。

●Delta Wasp 2040：这款著名的粘土打印机售价约 3,500 美元，可生产高达 40 厘米的零件。由于它是一个开放式 delta 机器人，因此可以在打印过程中与正在打印的作品进行交互。这对于想要在制作过程中进行修改的艺术家来说非常有用。Delta Wasp 20240 可以与各种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）的价格出售红色陶器粘土混合物。