陶瓷3D打印技術(shù)

陶瓷3D打印技術(shù)目錄頁陶瓷3D打印概述01陶瓷3D打印工藝02產(chǎn)品案例03學習目的了解陶瓷3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域。了解陶瓷3D打印的成型原理和種類。了解陶瓷3D打印的材料。會進行陶瓷3D打印產(chǎn)品的設(shè)計。陶瓷3D打印概述壹01

陶瓷3D打印概述1.陶瓷3D打印概述

為什么要研發(fā)陶瓷3D打印呢？普通陶瓷材料采用天然原料如長石、粘土和石英等燒結(jié)而成，是典型的硅酸鹽材料，主要組成元素是硅、鋁、氧，這三種元素占地殼元素總量的90%，普通陶瓷來源豐富、成本低、工藝成熟。具有優(yōu)良高溫性能、高強度、高硬度、低密度、好的化學穩(wěn)定性，使用其在航天航空、汽車、生物等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。而陶瓷難以成型的特點又限制了它的使用，尤其是復(fù)雜陶瓷制件的成型均借助于復(fù)雜模具來實現(xiàn)。復(fù)雜模具需要較高的加工成本和較長的開發(fā)周期，而且，模具加工完畢后，就無法對其進行修改，這種狀況越來越不適應(yīng)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。采用快速成型技術(shù)制備陶瓷制件可以克服上述缺點。1.陶瓷3D打印概述01

陶瓷3D打印概述經(jīng)濟效益?zhèn)鹘y(tǒng)的制造模式（注塑成型）是一個啟動成本很高的過程，模具的制造成本很高，而第一步對于某些小型企業(yè)而言可能是無法克服的障礙。但是，一旦制造出模具，每次注入的“注射料”的成本就非常低。注塑成型與3D打印經(jīng)濟效率陶瓷3D打印的不同之處在于，它不同于注塑成型，它是一個一步的過程。無需工具，成品零件直接從打印機中取出。這意味著沒有阻礙性的啟動成本。少量的3D打印比注射成型便宜，而大量的注射成型比3D打印便宜。從邏輯上講，這也意味著“最佳值”選項從3D打印切換到注塑成型時有特定數(shù)量。1.陶瓷3D打印概述01

陶瓷3D打印概述1.陶瓷3D打印概述01

陶瓷3D打印概述陶瓷3D打印工藝貳02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝光固化陶瓷3D打印技術(shù)（LCD）低溫3D打印成形的先進陶瓷制備方法，可以在基板上成形復(fù)雜的幾何形狀，可用于制造高性能陶瓷的復(fù)雜構(gòu)件。適配材料多樣,包括氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氮化鋁、氮化硅、羥基磷灰石等陶瓷材料與光敏樹脂的混合液體。國內(nèi)的主要研發(fā)公司為北京十維科技。打印流程：（1）漿料制備漿料制備是一個比較復(fù)雜的過程。先將陶瓷樹脂和陶瓷粉體按比例稱取，然后與球磨珠一起倒入球磨罐中，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速與時間球磨，得到陶瓷漿料。（2）打印成型將調(diào)配好的陶瓷漿料倒入陶瓷3D打印機的打印材料槽中，進行光固化成型。（3）脫脂排膠將打印完成的陶瓷模型在低溫爐中排除樹脂(環(huán)境空氣脫脂、埋粉脫脂)。（4）燒結(jié)排完樹脂的模型放入高溫爐燒結(jié)致密，得到成品陶瓷模型。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝分層實體制造（LOM）分層實體制造采用背面涂有熱熔膠的薄膜材料為原料，用激光將薄膜依次切成零件的各層形狀疊加起來成為實體件，層與層間的粘結(jié)依靠加熱和加壓來實現(xiàn)。LOM最初使用的材料是紙，做出的部件相當于木模，可用于產(chǎn)品設(shè)計和鑄造行業(yè)。用LOM方法制備陶瓷件，采用的原料為陶瓷膜，陶瓷膜是用傳統(tǒng)的流延法制備的。采用LOM法制備的陶瓷材料有Al2O3,Si3N4,AlNSiC,ZrO2等。LOM法制備的陶瓷件一般是用平面陶瓷膜相疊加而成的，現(xiàn)在已開發(fā)出以曲面陶瓷膜相疊加的成型工藝，這一工藝是根據(jù)制備曲面陶瓷/纖維復(fù)合材料的需要生產(chǎn)的，Klostnman等人采用曲面LOM法制備了SiC/SiC纖維復(fù)合材料，與平面LOM工藝相比，曲面LOM工藝可保證曲面上纖維的連續(xù)性，而達到最佳的力學性能。另外，曲面LOM工藝制備的陶瓷件還有無階梯效應(yīng)、表面光潔度高、加工速度快、省料的等優(yōu)點。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝選取激光燒結(jié)（SLS）SLS以堆積在工作平臺上的粉末為原料，高能CO2激光器從粉末上掃描，將選定區(qū)域內(nèi)的粉末燒結(jié)以做出部件的每一個層。對于塑料件，激光完全燒結(jié)高分子粉末，得到最終成型件。陶瓷的燒結(jié)溫度很高，很難用激光直接燒結(jié)，可以將難熔的陶瓷粒子包覆上高分子粘結(jié)劑，應(yīng)用在SLS設(shè)備上，激光熔化粘結(jié)劑以燒結(jié)各個層，從而制出陶瓷生坯，通過粘結(jié)劑去除及燒結(jié)等后處理過程，就得到最終的陶瓷件。SLS是最先用來制備陶瓷件的快速成型工藝，選用的陶瓷材料有SiC、Al2O3。噴墨打印法（IJP）噴墨打印法主要分為三維打印和噴墨沉積法。三維打印是由MIT開發(fā)出來的，首先將粉末鋪在工作臺上，通過噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個層，而后，工作臺下降，填粉后重復(fù)上述過程直至做出整個部件。所用的粘結(jié)劑有硅膠、高分子粘結(jié)劑等。三維打印法可以方便地控制部件的成分和顯微結(jié)構(gòu)。噴墨沉積法是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。該工藝的關(guān)鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前，使用的陶瓷材料有ZrO2,TiO2,Al2O3等。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝形狀沉積成型（SDM）SDM是由斯坦福大學（StanfordUniversity）和卡內(nèi)基梅?。–arnegieMellon）大學開發(fā)的，它是一種材料添加和去除相結(jié)合的反復(fù)過程。成型過程中，每一層材料首先沉積成近成型形狀，在下一層材料添加前，采用傳統(tǒng)的CNC技術(shù)將其加工成凈成型形狀。采用SDM和凝膠注模成型（Gel-casting）相結(jié)合的方法可以制備陶瓷件，這種工藝叫Mold-SDM。即先用SDM做出模具，然后澆注陶瓷漿料，將模具融化掉，取出陶瓷生胚，經(jīng)燒結(jié)處理后就得到最終的陶瓷件。用Mold-SDM制備陶瓷有以下優(yōu)點：SDM能做出復(fù)雜幾何形狀的模具；Mold-SDM制備的陶瓷是整體件，因此陶瓷件不存在層與層間的邊界和缺陷；模具的表面由機加工方法獲得，具有很好的光潔度，因此制備的陶瓷件也具有較高的表面光潔度。目前已采用Mold-SDM制備出Si3N4，Al2O3材質(zhì)的渦輪、手柄、噴嘴等樣品。其中，Si3N4樣品的最大彎曲強度為800MPa。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝熔化沉積造型（FDM）采用FDM工藝制備陶瓷件叫FDC。這種工藝是將陶瓷粉末和有機粘結(jié)劑相混合，用擠出機或毛細血管流變儀做成絲后用FDM設(shè)備做出陶瓷件生胚，通過粘結(jié)劑的去除和陶瓷生胚的燒結(jié)，得到較高密度的陶瓷件。適用于FDC工藝的絲狀材料必須具備一定的熱性能和機械性能，黏度、粘結(jié)性能、彈性模量、強度是衡量絲狀材料的四個要素?；谶@樣的限制條件，羅格斯大學（Rutgers）的陶瓷研究中心開放出稱為RU系列的有機粘結(jié)劑。這種粘結(jié)劑由四種組元組成：高分子、調(diào)節(jié)劑、彈性體、蠟。Agarwala等人用FDC制備了Si3N4陶瓷件，所用的陶瓷粉為GS-44氮化硅，體積分數(shù)為55%。由于RU粘結(jié)劑是由四種具有不同熱解溫度的組元組成，生胚中粘結(jié)劑的去除分為兩步進行。第一步從室溫加熱到450℃，在此階段大部分粘結(jié)劑被去除。第二步是將生胚放入氧化鋁坩堝加熱至500℃，粘結(jié)劑中剩余的碳被去除掉。不同階段的加熱速度和保溫時間根據(jù)零件的尺寸和形狀來確定。經(jīng)過這兩步處理后，陶瓷生胚變成多孔狀，對生胚進行氣壓燒結(jié)處理，生胚中所含的氧化物熔化并為多孔生胚的致密化提供液相。此外，Bandyopadhyny等人用FDC工藝制備出3-3連通的PZT/高分子壓電復(fù)合材料。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝陶泥擠出式盤筑成型（CDM）廈門斯瑪特集團研制的陶泥CDM擠出式盤筑成型機，采用原生態(tài)粘土材料，不需任何添加劑，從其易學、成本低的優(yōu)點來說，更適用于廣大陶藝愛好者進行3D打印體驗創(chuàng)作，平均每分鐘約1cm高度的打印成型速度，對使用者來說，體驗感更強。3D打印過程中層與層之間的縫隙在其應(yīng)用中也許是一種“缺陷”，需要彌補或改進。而楊德安認為當前所有的3D打印機一直處在精度論下，非精度也是一種藝術(shù)美。陶泥3D打印機恰恰是反其道而行之，將這種“缺陷”強調(diào)出來，通過對3D打印機的打印軌跡的控制，在陶器表面創(chuàng)造出各種意想不到的肌理效果。產(chǎn)品案例叁03

產(chǎn)品案例3.產(chǎn)品案例03

產(chǎn)品案例3.產(chǎn)品案例用于治療骨缺損的磷酸三鈣顱骨植入物。嚴重創(chuàng)傷或腫瘤切除后的骨替換仍然是醫(yī)生的主要挑戰(zhàn)。一方面，需要盡快恢復(fù)骨骼的穩(wěn)定性和保護功能，另一方面應(yīng)實現(xiàn)對身體自身骨細胞的良好愈合和定植。為此目的，使用可生物吸收的陶瓷（如磷酸三鈣），可以制造患者個性化植入物，例如用于嚴重顱腦損傷后的顱骨植入物、用于骨結(jié)構(gòu)的支架。這是由奧地利組織再生機構(gòu)、路德維希玻爾茲曼實驗研究所、臨床創(chuàng)傷學/AUVA聯(lián)合研發(fā)項目。03

產(chǎn)品案例3.產(chǎn)品案例3D打印的陶瓷定制接骨板。林茨開普勒大學醫(yī)院的項目是應(yīng)用LCM工藝生產(chǎn)患者特異性骨縫合板。骨縫合板用于手術(shù)修復(fù)骨