精心整理史上最全的陶瓷材料3D打印技术解析
南极熊3D打印网2017-07-11现在已经陆续出现一些陶瓷3D打印机，价格100万到500万人民币的都有。

南极熊希望下文可以给读者带来全面的认识。

“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。

传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余
体模型，而后用分层软件对其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层的信息传送到成型机，通过材料的逐层添加得到三维实体制件。

跟传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势：1.制作精度高。

经过20年的发展，3D打印的精度有了大幅度的提高。

目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以控制在0.3mm以下；2.制作周
期短。

传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期长。

而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印；3.可以实现个性化制作。

3D打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来，这个优势为3D打印开
陶瓷材料烧结性能非常重要，陶瓷颗粒越小，表面越接近球形，陶瓷层的烧结质量越好。

陶瓷粉末在激光直接快速烧结时，液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多的微裂纹。

目前，陶瓷直接快速成型工艺尚未成熟，国内外正处于研究阶段，还没有实现商品化。

目前，比较成熟的快速成型方法有如下几种：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，层与层间的粘结依靠加热和加压来实现。

LOM最初使用的材料是纸，做出的部件相当于木
和
面LOM
LOM
ABS
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FDM设备做出陶瓷件生胚，通过粘结剂的去除和陶瓷生胚的烧结，得到较高密度的陶瓷件。

适用于FDC工艺的丝状材料必须具备一定的热性能和机械性能，黏度、粘结性能、弹性模量、强度是衡量丝状材料的四个要素。

基于这样的限制条件，Rutgers大学的陶瓷研究中心开放出称为RU系列的有机粘结
剂。

这种粘结剂由四中组元组成：高分子、调节剂、弹性体、蜡。

Agarwala 等人用FDC制备了Si3N4陶瓷件，所用的陶瓷粉为GS-44氮化硅，体积分数为55%。

由于RU粘结剂是由四中具有不同热解温度的组元组成，生胚中粘结剂的去除分为两步进行。

第一步从室温加热到450℃，在此阶段大部分粘结剂被去除。

第二步是将生胚放入氧化铝坩埚加热至500℃，粘结剂
外，
CNC 用
件也具有较高的表面光洁度。

目前已采用Mold-SDM制备出Si3N4，Al2O3材质的涡轮、手柄、中心孔、喷嘴等样品。

其中，Si3N4样品的最大弯曲强度为800MPa。

2.4喷墨打印法喷墨打印法主要分为三维打印和喷墨沉积法。

三维打印是由MIT开发出来的，首先将粉末铺在工作台上，通过喷嘴把粘结剂喷到选定的区域，将粉末粘结在一起，形成一个层，而后，工作
台下降，填粉后重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。

三维打印法可以方便地控制部件的成分和显微结构。

喷墨沉积法是由Brunel大学的Evans和Edirisingle研制出来的，它是将含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的陶瓷悬浮液，目前，使用的陶瓷材料有
体
Brady SLS）SLS
将选定区域内的粉末烧结以做出部件的每一个层。

对于塑料件，激光完全烧结高分子粉末，得到最终成型件。

陶瓷的烧结温度很高，很难用激光直接烧结，可以将难熔的陶瓷粒子包覆上高分子粘结剂，应用在SLS设备上，激光熔化粘结剂以烧结各个层，从而制出陶瓷生坯，通过粘结剂去除及烧结等后处理过程，就得到最终的陶瓷件。

SLS是最先用来制备陶瓷件的快
速成型工艺，选用的陶瓷材料有SiC、Al2O3。

3陶瓷3D打印主要材料3.1硅酸铝陶瓷硅酸铝是一种硅酸盐，其化学式为Al2SiO5，密度为2.8到2.9克/立方厘米。

具有广泛的用途：1.用于玻璃、陶器、颜料及油漆的填料；
2.是涂料中的钛白粉和优质高岭土的理想替代品，与颜料配合广泛用于油漆、皮革、印染、油墨、造纸、塑料、橡胶等方面；
3.用来制作耐高温防
4.
用于°C)、
CAD。

其硬度表现为各向异性，垂直于基面的硬度是平行于基面硬度的三倍。

近年来，Ti3SiC2三元层状碳化物因其兼具陶瓷和金属的优异性能而成为研究热点。

与超合金相比，Ti3SiC2具有优异的高温性能和疲劳损伤性能。

在Ti3SiC2晶胞中，共棱的Ti6C八面体被紧密堆积的Si原子层所分隔，其中Ti与C之间为典型的强共价键，而Si原子层平面与Ti之间为类似于
石墨层间的弱结合。

Ti3SiC2熔点高达3000℃，在1700℃以下真空及惰性气氛中不分解。

Ti3SiC2结构中存在的层间弱结合力价键使其具有平行于基面的开裂能力，在断裂时表现出R曲线行为，韧性可达
16MPa·m1/2.Ti3SiC2陶瓷的制备方法通常有自蔓延高温反应法、等离子放电烧结法、反应热压法等。

以上工艺都需要采用成型模具，这些模具的
约了
W．
50
Ti、
粉体
率大以及后处理工艺线收缩率大的不足成为研究的重点。

3.3Ti3SiC2增韧TiAl3-A1203复合材料TiAl3金属间化合物具有低密度(3．3g／cm3)、高弹性模量(157GPa)、高熔点(1350～1400℃)和良好的抗氧化性能等优点，有望用于航空、航天工业热结构领域。

但是，TiAl3的室温断裂韧性低(2MPa·m1/2)、难于成型的特点限制了其应用。

A1203具有高硬度(18GPa)
和高模量(杨氏模量386GPa，剪切模量175GPa)，具有作为弥散相增强增韧的功能。

而A1203增韧TiAl3复合材料(TiAl3-A1203)具有密度低、硬度高，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入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。

将熔体铝渗入多孔氧化钛陶瓷中可反应合成TiAl3-A1203复合材料。

复合
度为
简称
成了复
韧性很难进一步提高，并且抗热震性能差，这成为制约TiAl3-A1203复合材料广泛应用的瓶颈。

4总结与展望3D打印在医学、航天科技、考古文物、制作业、建筑等行业得到广泛应用。

未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势，可以在多方面进行改善：可提升3D打印的速度效率很精度，提高成品的表面质量、力学和物理性
能；可开发更为多样的3D打印材料。

编辑：南极熊作者：王秀峰王旭东（陕西科技大学机电工程学院）。