武汉三维陶瓷：光固化与热熔融陶瓷3D打印技术

2024年3月6日，来自武汉三维陶瓷科技有限公司的周飞在第六届SAMA增材制造大会上介绍了光固化与热熔融陶瓷3D打印技术。在会议上，周飞重点介绍了基于光固化的陶瓷3D打印工艺和基于FDM的陶瓷3D打印工艺，那么二者的优势分别是什么？哪一种技术将成为陶瓷3D打印的主流技术？


武汉三维陶瓷科技有限公司于2016年与国际领先陶瓷3D打印公司法国3DCERAM共同开发中国区市场；独家代理其设备销售、售后服务以及本土化应用开发。2019年，开发FDM陶瓷3D打印工艺，拓展陶瓷3D打印应用。2022年，获批多项国拨经费，参与科技部重点研发计划子课题及市级“揭榜挂帅”等纵向项目。2023年，高新技术企业申请获批，连续参与科技部重点研发项目。

一、陶瓷3D打印工艺


△3D打印工艺

首先，周飞介绍了陶瓷3D打印工艺。3D打印就是以智能化处理后的3D数字模型文件为基础，通过逐层增加材料的方式来构造任意复杂的3D实体形状。新兴的3D打印工艺在高性能陶瓷的成型制造领域具有巨大的发展潜力，有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈，充分满足对个性化、精细化、轻量化和复杂化的高端产品的快速制造的需求，为陶瓷关键零部件的应用开辟新的途径。陶瓷3D打印工艺是作为成型的工序，其作用等同于已知的干压成型、流延成型、注射成型设备或人工方式等，成型完成后的后续又回归到传统的工序。


△3D打印技术与传统制造技术的对比


△各种陶瓷3D打印的优缺点

相比于传统方法，3D打印技术可以应用于更复杂的形状结构，研发时间可以从几个月缩短到几周，不需要模具费用，同时没有最低数量的限制。陶瓷3D打印技术有很多种，包括SLA激光光固化、DLP数字投影光固化、SLS选择性激光烧结和FDM热熔融沉积等工艺。相比较之下，SLA激光光固化技术的打印精度较高，打印零件的致密度较高，FDM热熔融沉积的设备成本更低。

二、光固化陶瓷3D打印技术及工艺

光固化陶瓷3D打印技术应用领域很广，可以用于生物医疗、航空航天、国防军工、半导体和珠宝等。


△光固化陶瓷3D打印工艺过程

光固化技术基于单体光聚合反应，其制备陶瓷的具体过程包括制备陶瓷浆料、打印和脱脂烧结三个步骤。打印时，采用光固化原理，通过紫外线照射使陶瓷浆料逐层固化制造出陶瓷胚体，最终经脱脂烧结获得陶瓷产品。

周飞表示，从数字模型开始，最终能得到性能良好的陶瓷产品，是多重工艺叠加的结果：打印设备软件硬件的适配性、打印材料的稳定性固含量高低，都会影响打印过程和烧结过程。


△3DCERAM提供全场景应用的陶瓷3D打印机

目前，3DCERAM提供全场景应用的陶瓷3D打印机，即CERAMAKER 系列陶瓷3D打印机，可以应用在实验室测试到批量生产等场景。例如，C100Easy标准平台为100*100*150mm的单激光器单材料光固化陶瓷打印机。可以选配多材料打印套件、60mm的打印小平台等，非常适合实验室场景的使用。C1000 FLEXMATIC是标准平台为320*320*200mm的光固化陶瓷打印机，很适合生产级光固化打印以及半自动化生产线，可以选配双激光器、可拆卸式打印平台和自动化清扫装置。


△光固化陶瓷3D打印材料

3DCERAM也提供多种光固化陶瓷3D打印材料——3DMIX系列，如下图所示，材料种类覆盖范围很广，包括氧化物陶瓷系列、非氧化物陶瓷系列、生物陶瓷系列等。

如今，整个增材制造市场积极对光固化陶瓷3D打印前沿进行积极探索。周飞表示，以武汉三维陶瓷科技有限公司为主体，在2022年、2023年度连续两年参与到科技部重点研发子课题：

●《多种材料的光固化连续成形理论、关键技术》2022YFB4601400

●《大尺寸特种陶瓷增材制造技术与装备》2023YFB4600058



在欧洲，3DCERAM受到”地平线2020“资助，先后参与:

●2015年2月~2018年8月 《COST-EFFECTIVE AND FLEXIBLE 3D PRINTED SOFC STACKS FORCOMMERCIAL APPLICATIONS》

●2023年1月~2025年15月 《HYDROGEN PRODUCTION IN PRESSURIED 3D-PRINTED SOLID OXIDE ELECTROLYSIS STACKS》

未来，光固化陶瓷3D打印技术的研究方向可以致力于：
●软硬件的提供：适应不同场景的打印设备，标准或者定制化的耗材
●前沿探索：科研项目支撑
●交钥匙项目：针对特定产品的工艺开发，全套交钥匙工程

三、热熔融挤出陶瓷3D打印方式



△FDM陶瓷3D打印工艺过程

在FDM陶瓷3D打印种，由于采用的打印线材为高分子聚合物、陶瓷粉末以及其他添加剂混合而成，因此需要通过后处理工艺中的溶剂脱脂、热脱脂、高温烧结三个步骤，以去除坯体中的有机成分，获得性能优异的陶瓷产品。

与其它陶瓷3D打印技术相比，FDM陶瓷3D打印的优势如下：
●完全自由塑性
●整套设备性价比高
●较高打印成型速度
●可选择打印的陶瓷材料种类多
●稳定的陶瓷3D打印工艺
●适用环境简单便捷，后期维护成本低
●不同材料的陶瓷脱脂烧结工艺技术成熟


△碳化硅反射镜


△中空结构件

周飞介绍了FDM陶瓷3D打印解决方案——MAT线材打印机：打印机具有低挤压力，但仍有足够的扭矩来克服粘度，以推动细丝通过小直径喷嘴。适合喷嘴的耐磨材料。减少陶瓷零件内应力的切片算法，可以实现完美的打印密度、质量和稳定性。


△FDM陶瓷3D打印机

FDM工艺具有很好的兼容性，打印头可以选择螺杆式挤出头，非常适合颗粒打印；也可以使用DIW直写式挤出头，可以用于低粘度材料打印；甚至可以使用CNC减材刀具，可以进行后加工处理。

未来，FDM陶瓷3D打印的研究聚焦点如下：
●MAT设备平台及各种选配打印头
●各种特种线材或颗粒料的研发
●围绕产品的定制化项目