的陶瓷材料3D打印技术解析

史上最全的陶瓷材料打印技术解析3D南极熊打印网目前已经陆续出现某些陶瓷打印3D-07-113D机，价格万到万人民币日勺均有南极熊但愿下文可以100500给读者带来全面的认识“增材制造”日勺理念区别于老式的“清除型”制造老式数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等措施，清除多出材料，得到零部件，再以拼接、焊接等措施组合成最终产品而“增材制造”与之不一样，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的措施生成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产生日勺研制周期，提高效率并降低成本陶瓷材料具有优良高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性，使用其在航天航空、汽车、生物等行业得到广泛应用而陶瓷难以成型的特点又限制了它的使用，尤其是复杂陶瓷制件的成型均借助于复杂模具来实现复杂模具需要较高的加工成本和较长的开发周期，而且，模具加工完毕后，就无法对其进行修改，这种状况越来越不适应产品的改善即更新换代采用迅速成型技术制备陶瓷制件可以克服上述缺陷迅速成型也叫自由实体造型，是世纪年代中期兴起的2060快乐技术.陶瓷打日勺应用，而三维打印成型工艺可克服13D以上工艺的局限性等人的研究表明，采用三维打印制备的陶瓷件W.Sun ITi3SiC2孔隙率高达而三维打印结合冷等静压和烧结工艺可制50%〜60%,备出致密的陶瓷，致密度可达制备过程为先采Ti3SiC299%用反应热压法将、石墨和反应生成然后研磨成Ti SiCTi3SiC2,粉体；粉体与水溶基粘结剂混合干燥后球磨过Ti3SiC2Ti3SiC2筛，粉体颗粒表面被粘结剂包覆，过筛后的颗粒直径为Ti3SiC240um；在三维打印过程中，水基溶液喷射在包覆粘结剂的颗粒粉体上,ITi3SiC2,颗粒被粘结成具有特定形状的颗粒预制体；在冷等静压Ti3SiC2过程中颗粒预制体被致密化；烧结过程中，致密化的Ti3SiC2颗粒预制体被烧结成致密日勺陶瓷以上复合工艺具有Ti3SiC2明显的长处，在制备新型陶瓷部件方面极具潜力不过这种工艺的线收缩率较大，高达因此，怎样克服三维打印工27%〜32%艺制备材料孔隙率大以及后处理工艺线收缩率大日勺局限性成为研究的重点增韧

3.3Ti3SiC2复合材料金属间化合物具有低密度TiA13-A1203TiA

133.3g、高弹性模量、高熔点和良好的抗/cm3157GPa1350〜1400C氧化性能等长处，有望用于航空、航天工业热构造领域不过，日勺室温断裂韧性低、难于成型日勺特点限TiA132MPa-ml/2制了其应用具有高硬度和高模量杨氏模量A120318GPa剪切模量具有作为弥散相增强增韧的功能而386GPa,175GPa,增韧复合材料具有密度低、硬度高，A1203TiA13TiA13-A1203抗腐蚀，抗磨损以及良好的高温抗氧化性能熔体渗透法是将低熔点金属熔化渗透多孔陶瓷中制备陶瓷一金属以及陶瓷基复合材料的通用工艺将熔体铝渗透多孔氧化钛陶瓷中可反应合成复合材料目前，多孔陶瓷制备措施重要有冷压成TiA13-A1203型结合高温预烧结，熔体渗透工艺包括挤压铸造和气压渗透工艺采用由构成的多孔陶瓷进行挤压铸造或30v

01.%TiO2-70v

01.%A1203气压渗透所制备的复合材料具有相互穿插的网AL TiA13-A1203络构造，各相结合致密、取向随机分布，其抗弯强度为、543Mpa断裂韧性、硬度假如在渗透过程中仅靠毛

8.6MPa-ml/

25.7GPa,细管力使渗透过程自发进行，则称之为无压反应熔体渗透工艺简称反应熔俸渗透渗透速度取决于熔体在多孔陶瓷表面日勺润湿性，一般伴随渗透温度的升高润湿性有所改善采用粉体混合.成型，烧结工艺制备陶瓷或陶瓷基复合材料时，材料体积收缩高达20%；而反应熔体渗透法成本低，可实现构件的近尺寸制备以及多孔体的致密化近来，等人采用三维打印工艺制备氧化Yin钛多孔陶瓷，并采用无压反应熔体法渗透铝，合成了TiA13-A1203复合材料，建立了近尺寸制备复杂形状复合材料部TiA13-A1203件的工艺基础和都是脆性材料，复合材料日勺断A1203TiA13裂韧性很难进一步提高，并且抗热震性能差，这成为制约复合材料广泛应用的瓶颈总结与展望打印在TiA13-A120343D医学、航天科技、考古文物、制作业、建筑等行业得到广泛应用未来，打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及3D便捷化等重要趋势，可以在多方面进行改善可提高打印的3D I速度效率很精度，提高成品的表面质量、力学和物理性能；可开发更为多样的打印材料编辑南极熊作者王秀峰王旭东3D（陕西科技大学机电工程学院）印迅速成型技术日勺本质是采用积分法制造三维实体，在成型过程中，先用三维造型软件在计算机生成部件的三维实体模型，而后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型提成一系列日勺层，将每一层的信息传送到成型机，通过材料日勺逐层添加得到三维实体制件跟老式模型制作相比，打印具有老式模具制作3D所不具有的优势制作精度高

1.通过的发展，打印的精度有了大幅度的提高目前市面上日勺3D打印成型日勺精度基本上都可以控制在如下;制作3D

0.3mm

2.周期短老式模型制作往往需要通过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期长而打印则清除了模具3D的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几种小时甚至几十分钟就可以完成一种模型的打印；可以实现个性化制作

3.打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一种还是多种都可以3D以相似的成本制作出来，这个优势为打印开拓新的市场奠定3D了坚实的基础；制作材料的多样性一种打印系统往往可以

4.3D实现不一样材料的打印，而这种材料的多样性可以满足不一样领域的需要例如金属、石料、高分子材料都可以应用于打印3D制作成本相对低虽然目前打印系统和打印材料比较贵，

5.3D3D但假如用来制作个性化产品，其制作成本相对就比较低了加上目前新日勺材料不停出现，其成本下降将是未来日勺一种趋势有人说在此后的十年左右，打印将会走进3D一般百姓家里陶瓷打印日勺重要技术分类23D3D打印用时陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所构成日勺混合物由于粘结剂粉末的熔点较低，激光烧结时只是将粘结剂粉末熔化而使陶瓷粉末粘结在一起在激光烧结之后，需要将陶瓷制品放入到温控炉中，在较高的温度下进行后处理陶瓷粉末和粘结剂粉末日勺配比会影响到陶瓷零部件的性能粘结剂分量I越多，烧结比较轻易，但在后处理过程中零件收缩比较大，会影响零件日勺尺寸精度，粘结剂分量少，则不易烧结成型颗粒的表面形貌及原始尺寸对陶瓷材料烧结性能非常重要，陶瓷颗粒越小，表面越靠近球形，陶瓷层的烧结质量越好陶瓷粉末在激光直接迅速烧结时，液相表面张力大，在迅速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多日勺微裂纹目前，陶瓷直接迅速成型工艺尚未成熟，国内外正处在研究阶段，还没有实现商品化目前，比较成熟的迅速成型措施有如下几种分层实体制造（简称LOM）；熔化沉积造型（简称FDM）；形状沉积成型（简称SDM）；立体光刻（简称SLA）；选区激光烧结（简称SLS）；喷墨打印法（简称IJM）

2.1分层实体制造（LOM）分层实体制造采用背面涂有热熔胶的薄膜材料为原料，用激光将薄膜依次切成零件的各层形状叠加起来成为实体件，层与层间欧粘结依托加热和加压来实现I最初使用的材料是纸,做出的部件相称于木模，可用于产品LOM设计和铸造行业美国企业、和Lone PeakWestern Reserve大学等已经用措施制备陶瓷件，采用的原料为陶瓷Dayton LOM膜，陶瓷膜是用老式的流延法制备的采用法制备的陶瓷LOM材料有等法制备时陶瓷件一A12O3,Si3N4,AlNSiC,ZrO2LOM般是用平面陶瓷膜相叠加而成的，目前已开发出以曲面陶瓷膜相叠加的成型工艺，这一工艺是根据制备曲面陶瓷/纤维复合材料的需要生产的，等人采用曲面法制备了纤Klostnman LOMSiC/SiC维复合材料，与平面工艺相比，曲面工艺可保证曲面LOM LOM上纤维的持续性，而到达最佳的力学性能此外，曲面I LOM工艺制备的陶瓷件还有无阶梯效应、表面光洁度高、加工速度快、省料的等长处熔化沉积造型

2.2熔化沉积造型法以热塑性丝状为原料，丝通过可在FDM X-Y方向上移动的液化器熔化后喷嘴喷出，根据所波及部件的每一层形状，逐条线、逐一层的堆积出部件使用的原材料有聚丙FDM烯、铸造石蜡等采用工艺制备陶瓷件叫这种ABS FDMFDC0工艺是将陶瓷粉末和有机粘结剂相混合，用挤出机或毛细血管流变仪做成丝后用设备做出FDM陶瓷件生胚，通过粘结剂的清除和陶瓷生胚日勺烧结，得到较高密度的陶瓷件合用于工艺的丝状材料必须具有一定的热FDC性能和机械性能，黏度、粘结性能、弹性模量、强度是衡量丝状材料日勺四个要素基于这样的限制条件，大学的陶瓷研Rutgers究中心开放出称为系列的有机粘结剂这种粘结剂由四中组RU元构成高分子、调整剂、弹性体、蜡等人用Agarwala FDC制备了陶瓷件，所用的陶瓷粉为氮化硅，体积分Si3N4GS-44数为由于粘结剂是由四中具有不一样热解温度的组元55%RUO构成，生胚中粘结剂的清除分为两步进行第一步从室温加热到在此阶段大部分粘结剂被清除第二步是将生胚放入氧化450℃,铝用烟加热至粘结剂中剩余时碳被清除掉不一样阶段的500℃,加热速度和保温时间根据零件的尺寸和形状来确定通过这两步处理后，陶瓷生胚变成多空状，对生胚进行气压烧结处理，生胚中所含的氧化物熔化并为多孔生胚的致密化提供液相此外，等人用工艺制备出连通日勺Bandyopadhyny FDC3-3PZT/高分子压电复合材料

2.3形状沉积成型（SDM）SEM是由大学和大学开发日勺，它是一种材料Stanford CarnegieMellon添加和清除相结合日勺反复过程成型过程中，每一层材料首先沉积成近成型形状，在下一层材料添加前，采用老式的技术将其加工成净成型形状采用和相结CNC SDMGel-casting合的措施可以制备陶瓷件，这种工艺叫即先用Mold-SDMo SDM做出模型，然后浇注陶瓷浆料，将模型融化掉，取出陶瓷生胚，经烧结处理后就得到最终的陶瓷件用制备陶瓷有如Mold-SDM下长处能做出复杂几何形状的模型；制备的SDM Mold-SDM陶瓷是整体件，因此陶瓷件不存在层与层间日勺边界和缺陷；模型的表面由机加工措施获得，具有很好的光洁度，因此制备的陶瓷件也具有较高的表面光洁度目前已采用制备出Mold-SDM材质的涡轮、手柄、中心孔、喷嘴等样品其中，Si3N4,A12O3样品的最大弯曲强度为喷墨打印法喷Si3N4800MPa

2.4墨打印法重要分为三维打印和喷墨沉积法三维打印是由开MIT发出来的首先将粉末铺在工作台上，通过喷嘴把粘结剂喷到选I,定日勺区域，将粉末粘结在一起，形成一种层，而后，工作台下降，填粉后反复上述过程直至做出整个部件所用的粘结剂有硅胶、高分子粘结剂等三维打印法可以以便地控制部件的成分和显微构造喷墨沉积法是由大学的和研Brunel EvansEdirisingle制出来日勺，它是将具有纳米陶瓷粉的悬浮液直接由喷嘴喷出以沉积成陶瓷件该工艺的关键是配置出分散均匀日勺陶瓷悬浮液，目前，使用日勺陶瓷材料有等立体光刻是最早的一种迅ZrO2,TiO2,A12O

32.5SLA SLA速成型技术，它以能在紫外光下固化的液相树脂为原料，通过紫外光逐层固化液相树脂制出整个部件制备陶瓷件有如下两SLA种方式，包括直接法和间接法直接法是以在紫外线下固化的液相树脂为粘结剂，调制出具有体积分数的液相树脂悬浮液，50%I应用到装置上，就能制备出陶瓷生坯，经粘结剂清除及烧结SLA等后处理过程，得到最终的陶瓷件在该工艺中，紫外光能固化的厚度一般为纳米，它与陶瓷体积分数和陶瓷与树脂I200-300难熔指数差值的平方成反比，因此只有与树脂难熔指数差值较小的陶瓷材料适合于直接法目前，已采用该措施制备出SLA Si3N4,的构造陶瓷件及羟基磷灰石的生物陶瓷件间接法是先A12O3I用做出模型，而后浇入陶瓷浆制得陶瓷件该工艺适合于与SLA树脂难熔指数差值较大日勺陶瓷材料，等用间接法制Brady SLA备了材料的压电陶瓷选用激光PZT

2.6烧结以堆积在工作平台上的粉末为原料，高能激SLS SLSCO2光器从粉末上扫描，将选定区域内日勺粉末烧结以做出部件的每一种层对于塑料件，激光完全烧结高分子粉末，得到最终成型件陶瓷日勺烧结温度很高，很难用激光直接烧结，可以将难熔日勺陶瓷粒子包覆上高分子粘结剂，应用在设SLS备上，激光熔化粘结剂以烧结各个层，从而制出陶瓷生坯,通过粘结剂清除及烧结等后处理过程，就得到最终日勺陶瓷件是SLS最先用来制备陶瓷件时迅速成型工艺，选用的陶瓷材料有、SiC陶瓷打印重要材料硅酸铝陶瓷硅酸铝是一种硅A12O3o33D

3.1酸盐，其化学式为密度为到克/立方厘米具有A12SiO5,

2.

82.9广泛的用途.用于玻璃、陶器、颜料及油漆日勺填料；.是涂12料中的钛白粉和优质高岭土的理想替代品，与颜料配合广泛用I于油漆、皮革、印染、油墨、造纸、塑料、橡胶等方面；.用来3制作耐高温防火隔音隔热棉、板、管、缝毡、防火隔热布、耐高温纸、耐火保温绳、带、防火保温针刺毯（有甩丝、喷吹）、砖，无机防火装饰板无机防火卷帘等；.用作胶黏剂和密封剂的填4充剂，可以提高硬度、白度、耐磨性、耐候性、贮存稳定性不过老式的制造工艺，生产效率低，复杂制件难以成型，限制了其在其他领域内的广泛使用，运用打印技术，将硅酸铝陶瓷粉3D体用于打印陶瓷产品打印的该陶瓷制品不透水、耐热（可3D3D达）、可回收、无毒，但其强度不高,可作为理想的炊具、600C餐具（杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫）和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料英国布里斯托日勺西英格兰大学日勺UWE研究人员开发出了一种改善型日勺打印陶瓷技术，该技术可用3D于定制陶瓷餐具，例如漂亮的茶杯和复杂的装饰物根据CAD数据可直接进行打印、烧制、上釉和装饰，消除了先前陶瓷产品原型没法过火或测试釉质日勺问题陶瓷在年，

3.2Ti3SiC221972等人采用化学气相沉积法制备单晶时，发现了尤其Nicki CVD软的碳化物其硬度体现为各向异性，垂直于基面的硬度Ti3SiC20是平行于基面硬度的三倍近年来，三元层状碳化物因Ti3SiC2其兼具陶瓷和金属的优秀性能而成为研究热点与超合金相比，具有优秀的高温性能和疲劳损伤性能在晶胞Ti3SiC2Ti3SiC2中，共棱日勺八面体被紧密堆积的原子层所分隔，其中Ti6C Si与之间为经典的强共价键，而原子层平面与之间为类Ti CSi Ti似于石墨层间的弱结合熔点高达在如Ti3SiC23000C,1700℃下真空及惰性气氛中不分解构造中存在日勺层间弱结合力价键使其具有平行于基面Ti3SiC2的开裂能力，在断裂时体现出曲线行为，韧性可达R16MPa-ml/

2.陶瓷的制备措施一般有自蔓延高温反应法、等离子放电Ti3SiC2烧结法、反应热压法等以上工艺都需要采用成型模具，这些模具的制导致本高且周期长，假如部件形状太复杂，则可操作性差这些原因制约了陶瓷Ti3SiC2。