3D打印陶瓷技術(shù)：從材料革新到跨領(lǐng)域應(yīng)用

來源：ARTHOME 藝家

技術(shù)原理與核心工藝
3D打印陶瓷技術(shù)的核心在于通過逐層堆積的方式將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體，其工藝體系主要分為光固化、粉末床熔融和粘合劑噴射三大類。光固化技術(shù)（SLA/DLP）以光敏樹脂為基體，通過紫外光逐層固化含有陶瓷顆粒的漿料，形成高精度坯體。例如，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所開發(fā)的柔性水凝膠前驅(qū)體技術(shù)，將丙烯酰胺單體與磷酸二氫鋁溶膠結(jié)合，制備出具有光固化性能的陶瓷漿料，成功實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超低收縮（<5%）和無裂紋成型。該技術(shù)的關(guān)鍵突破在于水凝膠的“柔”與陶瓷的“剛”結(jié)合，通過干燥、脫脂和高溫?zé)Y(jié)（1200-1600℃）完成材料相變。

粉末床熔融技術(shù)（SLS/SLM）則利用激光或電子束直接燒結(jié)陶瓷粉末，適用于制造高密度耐高溫部件。該工藝對(duì)粉末的流動(dòng)性、粒徑分布（通常需控制在10-50μm）和熱穩(wěn)定性要求極高。而粘合劑噴射技術(shù)通過逐層噴射粘結(jié)劑固化陶瓷粉末，優(yōu)勢(shì)在于打印速度快（每小時(shí)可達(dá)數(shù)厘米高度）、成本低，尤其適合多孔陶瓷或梯度材料的制造。

材料體系的多樣性與創(chuàng)新
3D打印陶瓷材料已形成四大體系：

氧化物陶瓷：以氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鋯（ZrO₂）為代表，憑借高硬度（氧化鋯維氏硬度≥1200）和耐腐蝕性，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室（耐溫達(dá)1600℃）和牙科種植體。

氮化物與碳化物陶瓷：如氮化硅（Si₃N₄）和碳化硅（SiC），其斷裂韌性可達(dá)6-8 MPa·m¹/²，用于核反應(yīng)堆屏蔽件和火箭噴嘴。

生物陶瓷：羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）通過仿生多孔結(jié)構(gòu)（孔隙率70-90%），促進(jìn)骨細(xì)胞長(zhǎng)入，已實(shí)現(xiàn)個(gè)性化顱骨修復(fù)體的臨床轉(zhuǎn)化。

復(fù)合陶瓷：如碳納米管增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料，抗彎強(qiáng)度提升40%，應(yīng)用于超高頻電子器件。

△3D打印陶瓷花瓶

全流程工藝解析
漿料制備：需平衡固含量（通常50-60 vol%）與流變性。以磷酸二氫鋁溶膠為分散介質(zhì)，添加納米陶瓷粉體（粒徑<100nm）和光引發(fā)劑（如LAP），通過真空攪拌消除氣泡，確保漿料在25℃下的粘度穩(wěn)定在2000-5000 mPa·s。

成型階段：光固化設(shè)備的XY軸精度達(dá)1-5μm，層厚控制在25-100μm。例如，托托科技的織雀系列設(shè)備支持多材料打印，最小料池體積僅15ml，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)電路基板制造。

后處理工藝：脫脂階段需在500-800℃緩慢升溫（1-5℃/min）以去除有機(jī)物；燒結(jié)階段采用兩步法——先在1400℃預(yù)燒消除孔隙，再于1600℃終燒實(shí)現(xiàn)致密化（密度≥99%）。

表面改性：通過等離子噴涂在氧化鋁表面形成Al₂O₃-TiO₂涂層，耐磨損壽命提升3倍。

跨領(lǐng)域應(yīng)用突破
生物醫(yī)療：多孔羥基磷灰石支架實(shí)現(xiàn)骨缺損修復(fù)，孔隙連通性>85%，抗壓強(qiáng)度達(dá)15MPa；氧化鋯義齒通過口內(nèi)掃描建模，咬合面精度誤差<50μm。

航空航天：SLM成型的SiC/SiC復(fù)合材料渦輪葉片，比傳統(tǒng)鎳基合金減重60%，耐溫提升300℃。

電子器件：光固化制備的氧化鋁基板介電常數(shù)9.2@1MHz，用于5G毫米波濾波器，尺寸公差±0.1mm。

建筑藝術(shù)：粘合劑噴射成型的鏤空陶瓷幕墻單元，抗風(fēng)壓性能達(dá)3.5kPa，同時(shí)實(shí)現(xiàn)30%的透光率；

能源環(huán)保：梯度孔隙SiC過濾器（孔徑50-500μm）使柴油機(jī)顆粒物捕集效率達(dá)99.7%；

技術(shù)瓶頸與未來方向

當(dāng)前主要挑戰(zhàn)包括：

收縮率控制：燒結(jié)收縮率差異導(dǎo)致變形，如氧化鋯的線收縮達(dá)15-20%，需通過拓?fù)鋬?yōu)化算法補(bǔ)償。

多材料兼容性：陶瓷-金屬界面易產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，需開發(fā)梯度燒結(jié)工藝。

設(shè)備成本：工業(yè)級(jí)SLM設(shè)備價(jià)格超200萬美元，限制中小企業(yè)應(yīng)用。

未來發(fā)展趨勢(shì)聚焦：

智能化制造：AI驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)打印系統(tǒng)可實(shí)時(shí)調(diào)整激光功率（±5%）、掃描速度（100-2000mm/s），將廢品率從15%降至3%以下。

綠色工藝：水基粘結(jié)劑體系使有機(jī)揮發(fā)物排放減少80%，低溫?zé)Y(jié)（<1300℃）技術(shù)節(jié)能40%

跨尺度制造：納米壓印與3D打印結(jié)合，實(shí)現(xiàn)10nm級(jí)陶瓷微結(jié)構(gòu)，用于量子器件。

3D打印陶瓷技術(shù)正突破傳統(tǒng)制造的物理邊界，從分子級(jí)的漿料設(shè)計(jì)到宏觀結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，推動(dòng)著材料科學(xué)向“設(shè)計(jì)即制造”的范式轉(zhuǎn)變。隨著多學(xué)科交叉（如AI、納米技術(shù)）的深化，該技術(shù)有望在未來十年內(nèi)使定制化陶瓷部件的成本降低50%，開啟從微電子到深空探測(cè)的全新應(yīng)用維度