高精尖領(lǐng)域驅(qū)動下陶瓷增材制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

來源：高分子循環(huán)再利用

隨著航空航天、半導(dǎo)體、核能等高精尖領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，對材料性能的要求日益嚴(yán)苛，耐高溫、耐腐蝕、高剛性與高強度已成為關(guān)鍵性能指標(biāo)。作為復(fù)雜陶瓷部件制造的核心手段，增材制造（AM）技術(shù)正受到研究人員和工業(yè)界的高度關(guān)注。然而，當(dāng)前的陶瓷增材制造技術(shù)在形狀精度、尺寸穩(wěn)定性及性能調(diào)控方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，變形、開裂和顯著的收縮問題尤為突出，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。

一、陶瓷增材制造工藝分類與挑戰(zhàn)
根據(jù)是否需要后處理，陶瓷增材制造技術(shù)可分為間接增材制造和直接增材制造兩大類：

（一）陶瓷直接增材制造
陶瓷直接增材制造利用高能量密度激光束直接熔化陶瓷粉末，實現(xiàn)陶瓷零件成型與燒結(jié)同步完成。根據(jù)送粉形式，可分為鋪粉式（SLM）和送粉式（LENS/DED）兩種技術(shù)路徑。

（二）陶瓷間接增材制造
間接增材制造，也稱為“多步”成型法，其主要流程包括：
1.生坯制備：利用光固化（SLA、DLP、TPP）、激光燒結(jié)（SLS）、粘結(jié)劑噴射（Binder Jetting）、材料噴射（NPJ）以及擠出成型（FDM/PEP）等技術(shù)，無需模具即可制備陶瓷生坯。

2.高溫處理：通過高溫脫脂和燒結(jié)工藝，實現(xiàn)陶瓷部件的高致密化。

按原料形態(tài)分類，間接增材制造可分為漿料、粉末、粒料和絲材等類型。然而，該工藝存在以下主要問題：

變形與收縮：輔助材料（如樹脂和聚合物）在打印、脫脂和燒結(jié)過程中易引發(fā)顯著變形，包括固化收縮導(dǎo)致的翹曲和燒結(jié)過程中的體積收縮。盡管合理設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)可在一定程度上降低變形和坍塌風(fēng)險，但無法完全消除。

坯體強度不足：打印過程中，粉末擴(kuò)散和刮刀移動產(chǎn)生的剪切力易導(dǎo)致薄壁或細(xì)長結(jié)構(gòu)損壞。

懸垂結(jié)構(gòu)問題：與金屬部件制造類似，陶瓷增材制造中的懸垂結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)分層、缺陷和翹曲，進(jìn)而導(dǎo)致部件變形或打印失敗。脫脂和燒結(jié)工序進(jìn)一步加劇了變形和開裂風(fēng)險。

因此，精心設(shè)計的支撐結(jié)構(gòu)對于克服陶瓷部件打印和燒結(jié)難題、保障部件質(zhì)量至關(guān)重要。

二、陶瓷部件的支撐設(shè)計
當(dāng)前，支撐設(shè)計研究主要集中在支撐結(jié)構(gòu)、分布和連接形式等方面。常見的支撐結(jié)構(gòu)包括實心、樹狀等類型。然而，陶瓷增材制造中，不同的打印和燒結(jié)工藝給固體支撐的拆除帶來了挑戰(zhàn)，單靠樹狀或晶格支撐有時難以充分承載部件。

基于支撐類型、材料形態(tài)、制造工藝以及支撐與組件的相互作用，現(xiàn)有研究成果將支撐方案分為以下幾類：

1.接觸支撐：提供直接的機械支撐，但可能導(dǎo)致原材料損耗。

2.非接觸式支撐：通過優(yōu)化設(shè)計減少支撐與部件的直接接觸，降低損耗。

3.無支撐技術(shù)：

自支撐結(jié)構(gòu)：通過優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具備自支撐能力。

非結(jié)構(gòu)性支撐：利用原材料（如粉末床、漿料）或外部介質(zhì)（如磁場）的特性，在無結(jié)構(gòu)支撐下完成打印。

4.組合支撐：結(jié)合多種支撐技術(shù)，以實現(xiàn)最佳支撐效果。

三、陶瓷3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域
（一）工業(yè)領(lǐng)域
陶瓷3D打印在工業(yè)制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，尤其在航空航天和汽車工業(yè)中，陶瓷材料憑借其卓越的耐高溫和耐腐蝕性能，能夠從容應(yīng)對極端工況，為精密零部件的制造提供有力支撐。

（二）醫(yī)療領(lǐng)域
醫(yī)療行業(yè)廣泛采用陶瓷3D打印技術(shù)。鑒于陶瓷材料良好的生物相容性，其在醫(yī)學(xué)植入物制造方面優(yōu)勢明顯，如人工骨骼、牙科修復(fù)體等。該技術(shù)能夠根據(jù)患者個體需求，精準(zhǔn)定制醫(yī)療產(chǎn)品，助力提升醫(yī)療效果和患者生活質(zhì)量。

（三）藝術(shù)與設(shè)計領(lǐng)域
藝術(shù)創(chuàng)作與設(shè)計領(lǐng)域也積極引入陶瓷3D打印技術(shù)。藝術(shù)家和設(shè)計師利用這一技術(shù)，能夠突破傳統(tǒng)工藝限制，充分發(fā)揮創(chuàng)意，打造獨一無二的陶瓷藝術(shù)品和裝飾品，為藝術(shù)表達(dá)和設(shè)計創(chuàng)新注入新活力。

（四）半導(dǎo)體領(lǐng)域
陶瓷3D打印在半導(dǎo)體領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力，涵蓋精密零部件制造、熱管理、絕緣封裝、晶圓處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。德國Alumina Systems GmbH公司采用Lithoz的LCM技術(shù)，為半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)大型陶瓷組件，并成功制造出世界上最大的3D打印氣體分配環(huán)。該分配環(huán)直徑達(dá)530毫米，由氧化鋁制成，用于半導(dǎo)體晶圓的原子層沉積工藝。

四、相關(guān)企業(yè)
1.博世先進(jìn)陶瓷（Bosch Advanced Ceramics）：提供定制化陶瓷組件，融合注射成型與3D打印技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜陶瓷組件的高效生產(chǎn)。
2.俐陶智（Lithoz）：專注于光固化陶瓷3D打印技術(shù)，提供設(shè)備、漿料和綜合解決方案，推動技術(shù)升級和應(yīng)用拓展。
3.廣東君璟科技有限公司：提供陶瓷與金屬材料光固化3D打印技術(shù)及整體解決方案，涵蓋多種陶瓷漿料和3D打印設(shè)備。
4.深圳升華三維科技有限公司：其粉末擠出3D打印（PEP）工藝結(jié)合3D打印與粉末冶金工藝優(yōu)勢，開發(fā)多種自定義“晶格填充結(jié)構(gòu)”模式，提升打印件性能。
5.深圳協(xié)同創(chuàng)新高科技發(fā)展有限公司：專注于工業(yè)級陶瓷光固化漿料配方與工藝開發(fā)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。
6.深圳市奇遇科技有限公司：提供“陶瓷3D打印設(shè)備+打印材料+燒結(jié)工藝”整體解決方案，推動陶瓷增材制造技術(shù)在多領(lǐng)域的應(yīng)用。