陶瓷3D打印技術特點及PEP與DLP的差異

來源： 升華三維

陶瓷3D打印技術及應用材料

陶瓷以其較高的機械強度和硬度、良好的化學穩(wěn)定性以及優(yōu)異的聲光電磁熱等特性，被廣泛應用于化工、機械、電子、航空航天和生物醫(yī)學等領域。傳統(tǒng)陶瓷制造工藝通常將陶瓷粉末和粘結劑等混合，通過注射成型、模壓、流延、凝膠注模等方法制成所需形狀。制得的生坯再經(jīng)過高溫脫脂和燒結等工藝進一步致密化。但傳統(tǒng)制造工藝需要模具、整體生產(chǎn)周期較長，且無法成型具有高度復雜結構的陶瓷零件。此外，由于陶瓷具有極高硬度和脆性，使其加工異常困難。而3D打印技術具有智能、無模、精密、高復雜度的制造能力，為陶瓷零件制造提供了全新思路。

▲陶瓷3D打印技分類術 @Journal of the European Ceramic Society，有補充

根據(jù)不同的陶瓷3D打印成型原理，可分為基于擠出成型原理的線材熔融沉積造型技術（FDM）、粉末擠出打印技術（PEP）和漿料直寫技術（DIW）；基于光敏聚合成型原理的立體光固化技術（SLA）、數(shù)字光處理技術（DLP）和雙光子聚合技術（TPP）；基于粉末粘接成型原理的噴墨打印技術（IJP）和三維印刷技術（3DP）；基于粉末燒結成型原理的選擇性激光燒結技術（SLS）和選擇性激光熔化技術（SLM）。

▲陶瓷3D打印技術細節(jié)對比 @Journal of the European Ceramic Society，有補充

而陶瓷3D打印材料則可分為粉末、顆粒、漿料和線材。主要有氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、氮化硼、TCP、羥基磷灰石等。陶瓷3D打印在航空航天、核能、半導體制造、醫(yī)療植入、光學傳感及高溫耐磨件等領域都有著非常廣泛的應用。

▲采用PEP工藝制備的不同陶瓷材料應用樣品 @升華三維

PEP與DLP的技術特點及差異

本文選擇DLP與PEP兩種不同陶瓷打印工藝進行梳理，旨在充分挖掘不同技術潛力，形成優(yōu)勢互補，探尋應用增長點。嚴格來說，3D打印僅僅是陶瓷零件制造工藝中的一個成形過程。最終零件性能還要有賴于材料制備和脫脂燒結等工藝。為了獲得更高零件性能，可能還需要跟后處理工藝（如滲透和等靜壓）等結合起來。而基于光敏聚合成型的3D打印技術在成型精度、零件表面質量和機械性能等方面均表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，因此通常被認為是各種陶瓷3D打印工藝中具有廣闊前景的一類工藝。

目前在市面上出現(xiàn)的商業(yè)化陶瓷3D打印設備中，主要以DLP打印機的的應用較為普及。其在設備成本及制備精密陶瓷件方面相比SLM等需要高能量激光器的設備都具有顯著優(yōu)勢。而PEP則是由升華三維推出的一種3D打印結合傳統(tǒng)燒結工藝的間接增材技術，其發(fā)揮了3D打印靈活成型與傳統(tǒng)粉末冶金成熟后處理工藝優(yōu)勢，通過3D打印機制備復雜結構形狀，再通過脫脂燒結工藝進行后處理，最終獲得致密且性能一致性好的陶瓷結構件。DLP與PEP都具有其獨特的優(yōu)勢，但也存在著明顯的差異點，主要體現(xiàn)在：

DLP與PEP的技術的差異點

成型原理：PEP技術基于粉末擠出，而DLP技術基于光固化，兩者在成型原理上存在本質區(qū)別；

材料選擇：PEP技術可適用于金屬和陶瓷粉末材料，DLP技術則適用于以光敏樹脂材料作為基料，可選擇的材料有限；

成本和維護：PEP技術設備成本較低，維護方便，而DLP技術可能需要更復雜的光源和光學系統(tǒng)，維護相對復雜；

打印速度和精度：PEP采用點-線-面方式成型，而DLP技術采用數(shù)字光逐層固化方式成型，在打印速度和精度上具有優(yōu)勢，特別適合精細細節(jié)的打��；

應用范圍：PEP技術適合復雜形狀的大尺寸陶瓷結構件制造，DLP技術則更適合精細結構陶瓷部件的快速制造。

PEP在陶瓷3D打印的應用優(yōu)勢及前景
不同路線的陶瓷3D打印技術在應用側重點也會存在不同。如使用IJP和3DP適合制造致密或多孔陶瓷零件，DIW和FDM工藝則適用于打印鏤空點陣陶瓷結構。DLP技術在細微結構、尺寸精度和表面質量方面表現(xiàn)優(yōu)異，適合對這些特征要求較高的應用，如在齒科、電子器件、首飾、玩具等都具有應用優(yōu)勢。而PEP技術在成本效益、材料適應性、和與傳統(tǒng)工藝契合方面更具優(yōu)勢，特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的大尺寸結構件的增材。不過需要補充說明的是，應用場景除了成型技術的影響外，材料才是關鍵，不論哪種技術路線，最終都可以定義成是在為不同陶瓷材料的應用場景提供工藝支持。

▲PEP制備輕量化設計的碳化硅反射鏡燒結件 @升華三維

▲采用PEP工藝制備的大尺寸碳化硅反射鏡成品 @上海硅酸鹽所

PEP技術在大尺寸的高性能結構陶瓷、內(nèi)部多孔復雜結構陶瓷和陶瓷基復合材料等應用開發(fā)方面獨具優(yōu)勢。此外，PEP技術的一個顯著特點是在于能夠靈活地使用各種陶瓷粉末原料，有望在航空裝備、空間技術、核工業(yè)、國防、光伏半導體、生物醫(yī)療等領域的更多陶瓷材料上得以深度開發(fā)和應用拓展。盡管打印件表面光潔度有限，但精度低和表面質量低等缺點在生物陶瓷支架應用方面，也許可能轉變?yōu)閷�這些部件有利的結構特性。

PEP技術目前已在空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過濾催化器、人工骨等陶瓷應用方面有著較成熟的案例。同時PEP技術因其綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性，有助于減少能源消耗和環(huán)境污染，符合當前制造業(yè)的環(huán)保趨勢，市場潛力巨大。