武漢三維陶瓷：光固化與熱熔融陶瓷3D打印技術(shù)

2024年3月6日，來自武漢三維陶瓷科技有限公司的周飛在第六屆SAMA增材制造大會上介紹了光固化與熱熔融陶瓷3D打印技術(shù)。在會議上，周飛重點介紹了基于光固化的陶瓷3D打印工藝和基于FDM的陶瓷3D打印工藝，那么二者的優(yōu)勢分別是什么？哪一種技術(shù)將成為陶瓷3D打印的主流技術(shù)？


武漢三維陶瓷科技有限公司于2016年與國際領(lǐng)先陶瓷3D打印公司法國3DCERAM共同開發(fā)中國區(qū)市場；獨(dú)家代理其設(shè)備銷售、售后服務(wù)以及本土化應(yīng)用開發(fā)。2019年，開發(fā)FDM陶瓷3D打印工藝，拓展陶瓷3D打印應(yīng)用。2022年，獲批多項國撥經(jīng)費(fèi)，參與科技部重點研發(fā)計劃子課題及市級“揭榜掛帥”等縱向項目。2023年，高新技術(shù)企業(yè)申請獲批，連續(xù)參與科技部重點研發(fā)項目。

一、陶瓷3D打印工藝


△3D打印工藝

首先，周飛介紹了陶瓷3D打印工藝。3D打印就是以智能化處理后的3D數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層增加材料的方式來構(gòu)造任意復(fù)雜的3D實體形狀。新興的3D打印工藝在高性能陶瓷的成型制造領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?font color="#ff0000">有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，充分滿足對個性化、精細(xì)化、輕量化和復(fù)雜化的高端產(chǎn)品的快速制造的需求，為陶瓷關(guān)鍵零部件的應(yīng)用開辟新的途徑。陶瓷3D打印工藝是作為成型的工序，其作用等同于已知的干壓成型、流延成型、注射成型設(shè)備或人工方式等，成型完成后的后續(xù)又回歸到傳統(tǒng)的工序。


△3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的對比


△各種陶瓷3D打印的優(yōu)缺點

相比于傳統(tǒng)方法，3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于更復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，研發(fā)時間可以從幾個月縮短到幾周，不需要模具費(fèi)用，同時沒有最低數(shù)量的限制。陶瓷3D打印技術(shù)有很多種，包括SLA激光光固化、DLP數(shù)字投影光固化、SLS選擇性激光燒結(jié)和FDM熱熔融沉積等工藝。相比較之下，SLA激光光固化技術(shù)的打印精度較高，打印零件的致密度較高，F(xiàn)DM熱熔融沉積的設(shè)備成本更低。

二、光固化陶瓷3D打印技術(shù)及工藝

光固化陶瓷3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以用于生物醫(yī)療、航空航天、國防軍工、半導(dǎo)體和珠寶等。


△光固化陶瓷3D打印工藝過程

光固化技術(shù)基于單體光聚合反應(yīng)，其制備陶瓷的具體過程包括制備陶瓷漿料、打印和脫脂燒結(jié)三個步驟。打印時，采用光固化原理，通過紫外線照射使陶瓷漿料逐層固化制造出陶瓷胚體，最終經(jīng)脫脂燒結(jié)獲得陶瓷產(chǎn)品。

周飛表示，從數(shù)字模型開始，最終能得到性能良好的陶瓷產(chǎn)品，是多重工藝疊加的結(jié)果：打印設(shè)備軟件硬件的適配性、打印材料的穩(wěn)定性固含量高低，都會影響打印過程和燒結(jié)過程。


△3DCERAM提供全場景應(yīng)用的陶瓷3D打印機(jī)

目前，3DCERAM提供全場景應(yīng)用的陶瓷3D打印機(jī)，即CERAMAKER 系列陶瓷3D打印機(jī)，可以應(yīng)用在實驗室測試到批量生產(chǎn)等場景。例如，C100Easy標(biāo)準(zhǔn)平臺為100*100*150mm的單激光器單材料光固化陶瓷打印機(jī)?？梢赃x配多材料打印套件、60mm的打印小平臺等，非常適合實驗室場景的使用。C1000 FLEXMATIC是標(biāo)準(zhǔn)平臺為320*320*200mm的光固化陶瓷打印機(jī)，很適合生產(chǎn)級光固化打印以及半自動化生產(chǎn)線，可以選配雙激光器、可拆卸式打印平臺和自動化清掃裝置。


△光固化陶瓷3D打印材料

3DCERAM也提供多種光固化陶瓷3D打印材料——3DMIX系列，如下圖所示，材料種類覆蓋范圍很廣，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，整個增材制造市場積極對光固化陶瓷3D打印前沿進(jìn)行積極探索。周飛表示，以武漢三維陶瓷科技有限公司為主體，在2022年、2023年度連續(xù)兩年參與到科技部重點研發(fā)子課題：

●《多種材料的光固化連續(xù)成形理論、關(guān)鍵技術(shù)》2022YFB4601400

●《大尺寸特種陶瓷增材制造技術(shù)與裝備》2023YFB4600058



在歐洲，3DCERAM受到”地平線2020“資助，先后參與:

●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》

未來，光固化陶瓷3D打印技術(shù)的研究方向可以致力于：
●軟硬件的提供：適應(yīng)不同場景的打印設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)或者定制化的耗材
●前沿探索：科研項目支撐
●交鑰匙項目：針對特定產(chǎn)品的工藝開發(fā)，全套交鑰匙工程

三、熱熔融擠出陶瓷3D打印方式



△FDM陶瓷3D打印工藝過程

在FDM陶瓷3D打印種，由于采用的打印線材為高分子聚合物、陶瓷粉末以及其他添加劑混合而成，因此需要通過后處理工藝中的溶劑脫脂、熱脫脂、高溫?zé)Y(jié)三個步驟，以去除坯體中的有機(jī)成分，獲得性能優(yōu)異的陶瓷產(chǎn)品。

與其它陶瓷3D打印技術(shù)相比，F(xiàn)DM陶瓷3D打印的優(yōu)勢如下：
●完全自由塑性
●整套設(shè)備性價比高
●較高打印成型速度
●可選擇打印的陶瓷材料種類多
●穩(wěn)定的陶瓷3D打印工藝
●適用環(huán)境簡單便捷，后期維護(hù)成本低
●不同材料的陶瓷脫脂燒結(jié)工藝技術(shù)成熟


△碳化硅反射鏡


△中空結(jié)構(gòu)件

周飛介紹了FDM陶瓷3D打印解決方案——MAT線材打印機(jī)：打印機(jī)具有低擠壓力，但仍有足夠的扭矩來克服粘度，以推動細(xì)絲通過小直徑噴嘴。適合噴嘴的耐磨材料。減少陶瓷零件內(nèi)應(yīng)力的切片算法，可以實現(xiàn)完美的打印密度、質(zhì)量和穩(wěn)定性。


△FDM陶瓷3D打印機(jī)

FDM工藝具有很好的兼容性，打印頭可以選擇螺桿式擠出頭，非常適合顆粒打??；也可以使用DIW直寫式擠出頭，可以用于低粘度材料打??；甚至可以使用CNC減材刀具，可以進(jìn)行后加工處理。

未來，F(xiàn)DM陶瓷3D打印的研究聚焦點如下：
●MAT設(shè)備平臺及各種選配打印頭
●各種特種線材或顆粒料的研發(fā)
●圍繞產(chǎn)品的定制化項目