中国粉体网讯 陶瓷材料具有优良高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性，在航天航空、汽车、生物等行业得到广泛应用，而陶瓷难以成型的特点又限制了它的使用，尤其是复杂陶瓷制件的成型均借助于复杂模具来实现。3D打印的出现为陶瓷制件成型提供了新的途径。3D打印，又名增材制造，是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
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陶瓷3D打印的技术分析
陶瓷件的3D打印包括配制陶瓷浆料、绘制三维模型并切片、3D打印成形、烧结等工艺过程。利用3D打印技术研究的陶瓷材料包括氧化锆、氧化铝、磷酸三钙、碳化硅、碳硅化钛、陶瓷前驱体等，其打印技术主要有喷墨打印技术（IJP）、熔化沉积成形技术（FDM/FDC）、光固化成形技术（SLA/DLP）、分层实体制造技术（LOM）、激光选区熔化技术/激光选区烧结技术（SLM/SLS）、三维打印成形技术（3DP）、浆料直写成形技术（DIW）等。
其中IJP技术原理简单，打印头成本低，易产业化，但是墨水配制需要求粉末粒径均匀，不发生凝聚，流动性好，高温化学性能稳定，且喷墨打印头易堵塞，墨水液滴大小限制打印最大高度，很难制备z轴方向具有不同高度的三维结构。
3DP技术能够大规模成形出陶瓷部件，成本较低，但粘结剂强度导致部件强度有限，难以制备机械性能优良的陶瓷部件。
与SLA技术相比，DIW技术无需紫外光和激光辐射，常温可成形，且可配制高含量均匀稳定的陶瓷悬浮液，烧结后可获得高致密化烧结体，但是水基陶瓷悬浮液稳定性差，保存周期短，有机物基陶瓷料浆稳定性高，但增加低温排胶过程，提高了制造成本。
SLS技术无需支撑就可制备复杂陶瓷零件，但因受粘结剂铺设密度限制，导致陶瓷制品密度不高。
SLA技术成形精度极高，可制备极其复杂几何形状的零件，得到的陶瓷件烧结后密度高，性能优异，但需设置支撑结构，后处理麻烦，同时考虑二次固化问题，且折射率较高材料难以使用该技术。
LOM成形速率高，无需设计支撑，但后处理工序繁琐，成形坯体各向机械性能差别大。
不同3D打印成形方法各有利弊，在实际生产制备过程中需平衡周期、经济成本、精度、尺寸等多方面因素、选择合适的陶瓷3D打印成形方法，不同3D打印陶瓷粉末比对见表1。
表1 不同3D打印陶瓷粉末制备方法比对
3D打印陶瓷材料国内外研究现状
在国外，3D陶瓷打印已经发展了相当长的一段时间，在工艺技术等方面的研究与产业进展十分迅速。
2012年10月，土耳其伊斯坦布尔的Unfold设计室科研人员利用其自行研发的3D打印设备成功打印出造型各异的日用陶瓷制品，有些产品经表面上釉并烧制后，质量很好。
奥地利的3D打印公司Lithoz开发了基于光刻的陶瓷制造技术（LCM）。借助LCM技术开发的最新型3D打印机CeraFab7500能够打印高精确度、高密度、高强度的陶瓷，材质包括氧化铝、氧化锆等，成为陶瓷材料3D打印的领导者。
波兰的Ｔytan3D开发团队成员成功研发了可以自由选择打印材料的Ｄelta3D打印机。打印机采用铝质框架，所有的机械元件都是专业级零件，电机和电子控制系统安装于打印机上方。墨盒可以存储不同的陶瓷材料，甚至可以使用能硬化的砂质材料。
国内的研究领域更多以高校为发源地，如：西北工业大学以硅粉为原料，糊精为粘结剂，采用3D打印技术制备出多孔硅坯体，通过反应烧结得到高孔隙率的螺钉、螺母等氮化硅陶瓷部件。西安交通大学进行了陶瓷料浆的挤出成形、陶瓷浆料的光固化成形及陶瓷粉末粘结成形等3D打印成形陶瓷材料的研究工作，并使用3D打印技术成功进行了陶瓷零件的制备。2013年，我国华中科技大学研制出全球最大的“3D打印机”，可以用于1.2ｍ×1.2ｍ零件的加工，其加工技术处于国际领先水平。
目前，虽然3D打印陶瓷市场发展前景较好，但在我国处于起步阶段，原创技术缺乏、产业规模小、产业链不健全等因素制约了国内3D打印陶瓷市场的进一步发展，在技术与设备上还不如一些发达国家。但是国内的企业与高校正在积极地研制适用于3D陶瓷打印机和打印的专用原料，在向国内外客户提供服务的同时，自身也取得飞速的发展。2021年8月6日上午10点，中国粉体网旗下粉体公开课平台邀请到中国科学院福建物质结构研究所高级工程师王剑磊作《陶瓷3D打印的技术发展及其应用》报告。报告将主要阐述3D打印的技术发展和陶瓷3D打印的关键技术特点，为3D打印陶瓷的应用提供了新的思路。
专家介绍
王剑磊，1989年5月生，博士，高级工程师，硕士生导师。2011年于华东理工大学获学士学位；2014年于华东理工大学获硕士学位；2018年于中国科学院福建物质结构研究所获博士学位，同年评上副高和硕导。主要从事高分子材料和纤维增强复合材料的开发。在3D打印方面，以第一作者或通讯作者发表13篇SCI学术论文，以第一发明人申请中国发明专利30项，授权9项。在复合材料方面，开发建筑模板用纤维增强复合材料和动力电池箱体用SMC复合材料，在福建海源新材料科技有限公司得到应用，已完成产业化投产并已经实现创收。主持5项福建省科技厅、发改委、工信厅项目和多项企业横向合作项目。
参考来源：
【1】张文毓.3D打印陶瓷材料的研究与应用.陶瓷.2020.
【2】孙志雨，等.金属/陶瓷粉末3D打印技术及其应用.精密成形工程.2018.
（中国粉体网编辑整理/星耀）
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