高精尖领域驱动下陶瓷增材制造技术发展与应用

来源：高分子循环再利用

随着航空航天、半导体、核能等高精尖领域的迅猛发展，对材料性能的要求日益严苛，耐高温、耐腐蚀、高刚性与高强度已成为关键性能指标。作为复杂陶瓷部件制造的核心手段，增材制造（AM）技术正受到研究人员和工业界的高度关注。然而，当前的陶瓷增材制造技术在形状精度、尺寸稳定性及性能调控方面仍面临诸多挑战，变形、开裂和显著的收缩问题尤为突出，严重制约了该技术的广泛应用和深入发展。

一、陶瓷增材制造工艺分类与挑战
根据是否需要后处理，陶瓷增材制造技术可分为间接增材制造和直接增材制造两大类：

（一）陶瓷直接增材制造
陶瓷直接增材制造利用高能量密度激光束直接熔化陶瓷粉末，实现陶瓷零件成型与烧结同步完成。根据送粉形式，可分为铺粉式（SLM）和送粉式（LENS/DED）两种技术路径。

（二）陶瓷间接增材制造
间接增材制造，也称为“多步”成型法，其主要流程包括：
1.生坯制备：利用光固化（SLA、DLP、TPP）、激光烧结（SLS）、粘结剂喷射（Binder Jetting）、材料喷射（NPJ）以及挤出成型（FDM/PEP）等技术，无需模具即可制备陶瓷生坯。

2.高温处理：通过高温脱脂和烧结工艺，实现陶瓷部件的高致密化。

按原料形态分类，间接增材制造可分为浆料、粉末、粒料和丝材等类型。然而，该工艺存在以下主要问题：

变形与收缩：辅助材料（如树脂和聚合物）在打印、脱脂和烧结过程中易引发显著变形，包括固化收缩导致的翘曲和烧结过程中的体积收缩。尽管合理设计支撑结构可在一定程度上降低变形和坍塌风险，但无法完全消除。

坯体强度不足：打印过程中，粉末扩散和刮刀移动产生的剪切力易导致薄壁或细长结构损坏。

悬垂结构问题：与金属部件制造类似，陶瓷增材制造中的悬垂结构易出现分层、缺陷和翘曲，进而导致部件变形或打印失败。脱脂和烧结工序进一步加剧了变形和开裂风险。

因此，精心设计的支撑结构对于克服陶瓷部件打印和烧结难题、保障部件质量至关重要。

二、陶瓷部件的支撑设计
当前，支撑设计研究主要集中在支撑结构、分布和连接形式等方面。常见的支撑结构包括实心、树状等类型。然而，陶瓷增材制造中，不同的打印和烧结工艺给固体支撑的拆除带来了挑战，单靠树状或晶格支撑有时难以充分承载部件。

基于支撑类型、材料形态、制造工艺以及支撑与组件的相互作用，现有研究成果将支撑方案分为以下几类：

1.接触支撑：提供直接的机械支撑，但可能导致原材料损耗。

2.非接触式支撑：通过优化设计减少支撑与部件的直接接触，降低损耗。

3.无支撑技术：

自支撑结构：通过优化部件结构设计，使其具备自支撑能力。

非结构性支撑：利用原材料（如粉末床、浆料）或外部介质（如磁场）的特性，在无结构支撑下完成打印。

4.组合支撑：结合多种支撑技术，以实现最佳支撑效果。

三、陶瓷3D打印的应用领域
（一）工业领域
陶瓷3D打印在工业制造领域展现出巨大潜力，尤其在航空航天和汽车工业中，陶瓷材料凭借其卓越的耐高温和耐腐蚀性能，能够从容应对极端工况，为精密零部件的制造提供有力支撑。

（二）医疗领域
医疗行业广泛采用陶瓷3D打印技术。鉴于陶瓷材料良好的生物相容性，其在医学植入物制造方面优势明显，如人工骨骼、牙科修复体等。该技术能够根据患者个体需求，精准定制医疗产品，助力提升医疗效果和患者生活质量。

（三）艺术与设计领域
艺术创作与设计领域也积极引入陶瓷3D打印技术。艺术家和设计师利用这一技术，能够突破传统工艺限制，充分发挥创意，打造独一无二的陶瓷艺术品和装饰品，为艺术表达和设计创新注入新活力。

（四）半导体领域
陶瓷3D打印在半导体领域展现出显著的应用潜力，涵盖精密零部件制造、热管理、绝缘封装、晶圆处理等关键环节。德国Alumina Systems GmbH公司采用Lithoz的LCM技术，为半导体行业生产大型陶瓷组件，并成功制造出世界上最大的3D打印气体分配环。该分配环直径达530毫米，由氧化铝制成，用于半导体晶圆的原子层沉积工艺。

四、相关企业
1.博世先进陶瓷（Bosch Advanced Ceramics）：提供定制化陶瓷组件，融合注射成型与3D打印技术，实现复杂陶瓷组件的高效生产。
2.俐陶智（Lithoz）：专注于光固化陶瓷3D打印技术，提供设备、浆料和综合解决方案，推动技术升级和应用拓展。
3.广东君璟科技有限公司：提供陶瓷与金属材料光固化3D打印技术及整体解决方案，涵盖多种陶瓷浆料和3D打印设备。
4.深圳升华三维科技有限公司：其粉末挤出3D打印（PEP）工艺结合3D打印与粉末冶金工艺优势，开发多种自定义“晶格填充结构”模式，提升打印件性能。
5.深圳协同创新高科技发展有限公司：专注于工业级陶瓷光固化浆料配方与工艺开发，产品广泛应用于航空航天、半导体等领域。
6.深圳市奇遇科技有限公司：提供“陶瓷3D打印设备+打印材料+烧结工艺”整体解决方案，推动陶瓷增材制造技术在多领域的应用。