光固化陶瓷3D打印設(shè)備的主要類(lèi)型及特點(diǎn)，協(xié)同高科分享

來(lái)源：協(xié)同高科

南極熊導(dǎo)讀：陶瓷3D打印，正在成為3D打印行業(yè)的熱點(diǎn)趨勢(shì)，陶瓷屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，作為三大材料之一，其3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域潛力巨大。

光固化陶瓷3D打印設(shè)備的發(fā)展簡(jiǎn)介   

1. 國(guó)外光固化陶瓷3D打印設(shè)備的發(fā)展簡(jiǎn)介
立體光固化3D打印，是增材制造領(lǐng)域最受歡迎和最普遍的技術(shù)之一，它由美國(guó)3D Systems公司開(kāi)發(fā)，該公司由Chuck Hull于1986年創(chuàng)立。Hull在1986年創(chuàng)造了“立體光刻”這一術(shù)語(yǔ)，他將這項(xiàng)技術(shù)定義為通過(guò)連續(xù)印刷紫外線固化的薄層來(lái)制造3D物體的方法，這種技術(shù)最初的用途主要用于對(duì)純光敏樹(shù)脂體系的光固化成型。由于其成型不依賴模具、可以自由設(shè)計(jì)、極易實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜程度樣件的打印，并且具有打印精度高、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，該技術(shù)逐步向陶瓷、金屬等領(lǐng)域拓展。在上世紀(jì)90年代最初開(kāi)展的光固化陶瓷3D打印研究中，一般采用的設(shè)備就是樹(shù)脂型光固化打印機(jī)，例如美國(guó)密歇根大學(xué)的John Halloran、Brady和Griffith 等人[1-2]采用的是3D Systems公司的SLA-250/40型設(shè)備進(jìn)行陶瓷光固化成型研究。而同時(shí)期法國(guó)利摩日大學(xué)的Chartier教授團(tuán)隊(duì)[3-4]在研究中采用的設(shè)備仍然是基于樹(shù)脂光固化3D打印設(shè)備的原理，即采用紫外激光器作為光源，通過(guò)X-Y掃描振鏡來(lái)調(diào)整激光光路，使得激光選擇性的照射在陶瓷漿料表面形成固化層，然后通過(guò)平臺(tái)向下移動(dòng)一個(gè)層厚的距離Δz，再次鋪一層漿料并且完成新一層的固化…，這樣通過(guò)層層固化堆疊的方式完成對(duì)樣件的打印。

而光固化陶瓷3D打印機(jī)真正推向市場(chǎng)，為市場(chǎng)認(rèn)識(shí)并且逐步認(rèn)可主要發(fā)生在2010年之后，這其中具有代表性的陶瓷光固化打印機(jī)廠家國(guó)外主要有3D CERAM(盡管3DCERAM公司2001年成立，然而他們直到2015年才推出首款工業(yè)級(jí)陶瓷3D打印機(jī)[5])、LITHOZ、ADMATEC、Prodways等，這些企業(yè)成立的時(shí)間軸如下圖所示。

△圖1 一些知名光固化陶瓷3D打印廠家的成立時(shí)間軸

2. 國(guó)內(nèi)光固化陶瓷3D打印設(shè)備的發(fā)展簡(jiǎn)介
陶瓷光固化成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步相對(duì)較晚，但是相關(guān)的學(xué)術(shù)研究越來(lái)越多，也誕生了一些以陶瓷光固化設(shè)備為經(jīng)營(yíng)主體的企業(yè)，然而主要局面仍是以院校研究為主體。盡管陶瓷光固化成型是目前國(guó)內(nèi)研究的熱門(mén)方向，但是與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)陶瓷光固化打印技術(shù)/設(shè)備還達(dá)不到真正工業(yè)化應(yīng)用的水平，與國(guó)外的技術(shù)水平還有明顯的差距，特別在高精度高強(qiáng)度陶瓷光固化成型設(shè)備及材料的產(chǎn)業(yè)化方面存在明顯短板。

△協(xié)同高科陶瓷打印設(shè)備

深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “ 協(xié)同高科 ” ）光固化陶瓷團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)始進(jìn)行工業(yè)級(jí)陶瓷光固化漿料配方、工藝應(yīng)用開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)之一，從2016年開(kāi)始至今已有該領(lǐng)域?qū)⒔�十年的技術(shù)累計(jì)，公司的優(yōu)勢(shì)在于將近十年的陶瓷光固化材料配方與工藝的研發(fā)，并且深耕于高純度氧化鋁、高精度高強(qiáng)度氧化鋯等少數(shù)幾種熱門(mén)應(yīng)用陶瓷材料的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體、精密電子等行業(yè)。公司在2023年面向市場(chǎng)推出了XT-C100、XT-C200機(jī)型，這些陶瓷打印機(jī)的推出是公司光固化陶瓷漿料及工藝技術(shù)累積下的裝備定向開(kāi)發(fā)。

光固化陶瓷3D打印機(jī)的種類(lèi)及其特點(diǎn)   
光固化陶瓷技術(shù)方面目前主要有逐點(diǎn)掃描式光固化和面曝光固化兩種[6]，相應(yīng)的打印設(shè)備分別是以紫外激光器為光源的點(diǎn)-線掃描式的光固化陶瓷3D打印機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)此方式為SLA）和以數(shù)字光源（Digital Light Procession）進(jìn)行面曝光的光固化陶瓷3D打印機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)此方式為DLP），兩者的示意圖如下[7]：

△圖2 SLA成型方式與DLP成型方式[7]

而紫外光源的放置位置又決定了成型平臺(tái)的運(yùn)行方式，其中將光源置于成型平臺(tái)下方從而向上出光進(jìn)行成型的情況下，平臺(tái)運(yùn)行的方式是逐步向上提拉的（提拉式）；將光源置于成型平臺(tái)上方從而向下出光進(jìn)行成型的情況下，平臺(tái)運(yùn)行的方式是逐步向下移動(dòng)的（下沉式）。一般SLA陶瓷打印機(jī)少有將紫外激光器置于成型平臺(tái)下方，因此市面上常見(jiàn)的SLA陶瓷打印機(jī)的成型平臺(tái)運(yùn)行方式一般是下沉式的；而DLP陶瓷打印機(jī)則大多數(shù)是將紫外光源置于成型平臺(tái)下方，進(jìn)而采用成型平臺(tái)提拉式的運(yùn)行方式。

△圖3 下沉式（左）[8]與提拉式（右）[9]成型方式的對(duì)比

之所以在光源的選擇及成型平臺(tái)的運(yùn)行方式上衍生出不同類(lèi)型的光固化陶瓷3D打印機(jī)，根本的原因一方面是對(duì)產(chǎn)品打印精度、打印速度、產(chǎn)品大�。ù蛴》�面）的定位不同，另一方面則取決于光固化陶瓷材料的狀態(tài)。SLA設(shè)備采用紫外激光（波長(zhǎng)一般355nm~405nm）進(jìn)行線掃描，激光光斑尺寸細(xì)微到30μm，因而能夠制造出微米級(jí)分辨率的高表面質(zhì)量零件，這樣SLA的成型方式能同時(shí)在保證較高的精度的同時(shí)覆蓋到更大的打印幅面，例如目前市面上已有打印幅面600×600×300mm的SLA機(jī)型。

而DLP則運(yùn)用了美國(guó)德州儀器公司的數(shù)字微鏡元件（Digital Micromirro Device)，DMD是由與顯示圖像像素相對(duì)應(yīng)的數(shù)百萬(wàn)個(gè)微鏡矩形陣列組成的芯片。通過(guò)靜電力驅(qū)動(dòng)微鏡，可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)±(10~12)°，起到控制超快速光開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)[10]。超快速的光線切換和整體投影使DLP打印處理時(shí)間比傳統(tǒng)的SLA點(diǎn)－線－面掃描過(guò)程明顯縮短，而且可以獲得微米級(jí)的特征分辨率[11]。

△協(xié)同高科陶瓷打印樣件     

然而芯片精度與打印幅面存在著一個(gè)矛盾的關(guān)系，盡管目前有些DLP打印機(jī)已經(jīng)采用了4K分辨率的芯片，但由于DLP采用的投影式出光方式，當(dāng)打印樣品的尺寸越大時(shí)，其切片投影面也越大，這樣造成了DLP在成型大尺寸樣品時(shí)其打印精度會(huì)大幅降低。為了使DLP陶瓷打印機(jī)能同時(shí)滿足高精度以及大幅面的需求，目前的解決方案主要有兩種，一種是可移動(dòng)式光機(jī)的方式；另外一種則是多個(gè)光機(jī)拼接的方式，這種功能使該過(guò)程能夠在整個(gè)構(gòu)建平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)極高的分辨率和25至150µm的層厚度，并且同時(shí)設(shè)備幅面可高達(dá)≥300×445mm的規(guī)模。

小結(jié)   
根據(jù)Market Digits 2024年4月發(fā)布的市場(chǎng)研究報(bào)告，2023年陶瓷3D打印市場(chǎng)價(jià)值為2.7億美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到26億美元，在分析期間增長(zhǎng)28.6%。3D打印是一種不斷發(fā)展的制造技術(shù)，與聚合物或金屬工藝相比，陶瓷3D打印仍然是一個(gè)利基市場(chǎng)。在光固化陶瓷設(shè)備的市場(chǎng)化應(yīng)用方面，國(guó)外公司走在工業(yè)化應(yīng)用的前列，已經(jīng)在醫(yī)療、半導(dǎo)體晶圓、電子等工業(yè)應(yīng)用中取得了矚目的成績(jī)，而國(guó)內(nèi)面向工業(yè)化應(yīng)用仍未鋪展開(kāi)來(lái)，多是應(yīng)用于科研院所等單位。盡管如此，越來(lái)越多的高校、相關(guān)廠家均在此領(lǐng)域布局，也表明了光固化陶瓷設(shè)備的應(yīng)用前景較為光明、潛力巨大。

*聲明：本文為協(xié)同高科員工原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)正確標(biāo)明來(lái)源。部分圖片源于網(wǎng)絡(luò)，侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系刪除。

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