圖文并茂！一網(wǎng)打盡陶瓷3D打印技術(shù)
時(shí)間：2018-12-28 22:16 來(lái)源：粉體網(wǎng) 作者：中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀：次
據(jù)知名市場(chǎng)研究公司MARKETS ANDMARKETS(M&M)發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告顯示，3D打印陶瓷市場(chǎng)的全球規(guī)模有望從2016年的2780萬(wàn)美元增長(zhǎng)至2021年的1.315億美元，期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將高達(dá)29.6%。
該報(bào)告還顯示，截至目前，3D打印陶瓷市場(chǎng)份額最大的地區(qū)仍是北美，并有望繼續(xù)領(lǐng)跑；歐洲其次，而亞太地區(qū)則有望后來(lái)居上，在未來(lái)5年里坐擁全球最高的增長(zhǎng)率。主要包含3D打印用陶瓷粉末材料市場(chǎng)、3D打印陶瓷產(chǎn)品市場(chǎng)和相關(guān)設(shè)備、技術(shù)市場(chǎng)等的陶瓷3D打印市場(chǎng)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
陶瓷3D打印技術(shù)詳解
陶瓷件的3D打印包括配置陶瓷漿料、繪制三維模型并切片、3D打印成型、燒結(jié)等流程，其無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)生的研制周期，提高效率并降低成本。
1熔融沉積造型（FDM）
熔化沉積造型法由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功，其以熱塑性絲狀為原料，絲通過(guò)可在X-Y方向上移動(dòng)的液化器熔化后噴嘴噴出，根據(jù)所涉及部件的每一層形狀，逐條線、逐個(gè)層的堆積出部件。FDM使用的原材料有聚丙烯、ABS鑄造石蠟等。
FDM具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原材料的利用效率高且沒(méi)有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染等優(yōu)勢(shì)，但也具有制備出的原型表面有較明顯的條紋、與截面垂直的方向強(qiáng)度小、成型速度相對(duì)較慢、噴頭容易發(fā)生堵塞，不便維護(hù)的劣勢(shì)。
2直寫(xiě)自由成型（DIW）
直寫(xiě)自由成型技術(shù)，將陶瓷制備成具有固化特性的陶瓷懸浮液，計(jì)算機(jī)控制的Z軸上的漿料輸送裝置在X-Y平面內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)從針頭擠出陶瓷懸浮液，其在pH值、光照、熱輻射等固化因素作用下實(shí)現(xiàn)固化，逐層堆積形成陶瓷零件毛坯。
DIW具有無(wú)需紫外光和激光的輻射，常溫下成型；可制備高致密化的燒結(jié)體的優(yōu)勢(shì)，但也具有水基陶瓷懸浮液穩(wěn)定性較差，保存周期短；有機(jī)物基陶瓷漿料穩(wěn)定性高，保存周期長(zhǎng)，但需增加低溫排膠過(guò)程，制造成本高的劣勢(shì)。
3噴墨打印技術(shù)（IJP）
噴墨打印法是由Brunel大學(xué)的Evans和Edirisingle研制出來(lái)的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。
IJP具有成型原理簡(jiǎn)單，打印頭成本低，易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢(shì)；但噴墨打印頭堵塞，另外打印高度受限且不能打印內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)模型，還要求粉末粒徑分布均勻，流動(dòng)性好且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
4三維印刷工藝（3DP）
三維打印是由MIT開(kāi)發(fā)出來(lái)的，首先將粉末鋪在工作臺(tái)上，通過(guò)噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個(gè)層，而后，工作臺(tái)下降，填粉后重復(fù)上述過(guò)程直至做出整個(gè)部件。目前，以氧化鋯、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等陶瓷粉體為原材料。
3DP具有能夠大規(guī)模成型出陶瓷部件，成本較低的優(yōu)勢(shì)，但也具有黏結(jié)劑黏合強(qiáng)度受限導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限，難以獲得機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷器件的劣勢(shì)。
5激光選區(qū)燒結(jié)/熔融（SLS/SLM)
SLM 的思想最初由德國(guó)Fraunhofer研究所于1995年提出，SLS和SLM原理與三維印刷技術(shù)較類似，將粘接劑換為激光束。在高功率密度激光器激光束開(kāi)始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層的輪廓，然后調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。
SLS/SLM工藝使用的一般是塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復(fù)合物的粉末，其具有無(wú)需支撐即可制備復(fù)雜陶瓷零件的優(yōu)點(diǎn)，但也存在因受到粘接劑鋪設(shè)密度的限制導(dǎo)致陶瓷制品致密度不高的問(wèn)題。
6光固化快速成型技術(shù)（SLA)
SLA技術(shù)是通過(guò)激光的掃描曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化。通過(guò)紫外激光束，按照設(shè)計(jì)好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹(shù)脂混合液體，逐點(diǎn)固化，由點(diǎn)及線，由線到面。通過(guò)xy方向固化成面后，通過(guò)升降臺(tái)在z軸方向的移動(dòng)，層層疊加完成三維打印陶瓷零件。
SLA具有成型精度極高陶瓷件燒結(jié)后致密度高的優(yōu)勢(shì)；但存在后處理麻煩，以及二次固化問(wèn)題，另外，SLA難以加工折射率較高的陶瓷材料。
7疊層實(shí)體制造（LOM）
在層片疊加制造工藝中，將單面涂有熱溶膠的箔材通過(guò)熱輥加熱，由紙、陶瓷箔、金屬箔等構(gòu)成的材料就會(huì)粘接在一起。然后上方的激光器按照CAD模型分層數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，再鋪上新的一層箔材，重復(fù)上述過(guò)程，直至整個(gè)零部件打印完成。
LOM具有成形速度快，適合用于制造層狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，后期處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但也存在不可避免的產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用率有待提高，同時(shí)打印過(guò)程采用的激光切割增加了打印成本。
綜述與展望
陶瓷3D打印技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化制造、降低成本和縮短研制周期等方面極具潛力，打破了陶瓷傳統(tǒng)加工工藝的限制，受到了眾多學(xué)者和企業(yè)家的關(guān)注。
目前國(guó)外陶瓷基3D打印材料制造商主要包括美國(guó)的3DSystems、Tethon 3D和Viridis3D以及澳大利亞Lithioz公司。國(guó)內(nèi)知名企業(yè)有北京太爾時(shí)代、湖南華曙高科、武漢三維、北京十維、浙江迅實(shí)、深圳長(zhǎng)朗、中航邁特等。
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)從事3D打印的企業(yè)接近200家，70%集中在桌面打印領(lǐng)域，而從事工業(yè)打印機(jī)生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)有四五十家，從事金屬打印的企業(yè)有三十家，從事生物打印的企業(yè)大概接近十家，從事材料打印的企業(yè)大概有二三十家。雖然在企業(yè)數(shù)量上，我國(guó)已經(jīng)可以媲美國(guó)外企業(yè)，但是在綜合實(shí)力方面，仍有很大的差距。
目前，國(guó)內(nèi)外3D打印發(fā)展的差距：
1)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，市場(chǎng)需求不足;
2)美國(guó)3D打印產(chǎn)品的快速制造水平比國(guó)內(nèi)高;
3)燒結(jié)的材料尤其是金屬材料，質(zhì)量和性能比我們好;
4)激光燒結(jié)陶瓷粉末、金屬粉末的工藝方面還有一定差距;
5)國(guó)內(nèi)企業(yè)的收入結(jié)構(gòu)單一，主要靠賣3D打印設(shè)備，而美國(guó)的公司是多元經(jīng)營(yíng)，設(shè)備、服務(wù)和材料基本各占銷售收入的1/3。
展望未來(lái)，3D打印是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，以個(gè)性化、短流程為特征，實(shí)現(xiàn)直接制造、桌邊制造和批量定制的新的制造方式，相信在不久的將來(lái)，3D打印技術(shù)一定會(huì)在陶瓷領(lǐng)域大有作為。
該報(bào)告還顯示，截至目前，3D打印陶瓷市場(chǎng)份額最大的地區(qū)仍是北美，并有望繼續(xù)領(lǐng)跑；歐洲其次，而亞太地區(qū)則有望后來(lái)居上，在未來(lái)5年里坐擁全球最高的增長(zhǎng)率。主要包含3D打印用陶瓷粉末材料市場(chǎng)、3D打印陶瓷產(chǎn)品市場(chǎng)和相關(guān)設(shè)備、技術(shù)市場(chǎng)等的陶瓷3D打印市場(chǎng)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
陶瓷3D打印技術(shù)詳解
陶瓷件的3D打印包括配置陶瓷漿料、繪制三維模型并切片、3D打印成型、燒結(jié)等流程，其無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)生的研制周期，提高效率并降低成本。
3D打印陶瓷過(guò)程
目前陶瓷3D打印成型技術(shù)主要可以分為噴墨打印技術(shù)(IJP)、熔融沉淀技術(shù)(FDM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 和立體光固化技術(shù)(SLA)等。 使用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過(guò)高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件。根據(jù)成型方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展程度也有差距。1熔融沉積造型（FDM）
熔化沉積造型法由美國(guó)學(xué)者Scott Crump于1988年研制成功，其以熱塑性絲狀為原料，絲通過(guò)可在X-Y方向上移動(dòng)的液化器熔化后噴嘴噴出，根據(jù)所涉及部件的每一層形狀，逐條線、逐個(gè)層的堆積出部件。FDM使用的原材料有聚丙烯、ABS鑄造石蠟等。
FDM具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原材料的利用效率高且沒(méi)有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染等優(yōu)勢(shì)，但也具有制備出的原型表面有較明顯的條紋、與截面垂直的方向強(qiáng)度小、成型速度相對(duì)較慢、噴頭容易發(fā)生堵塞，不便維護(hù)的劣勢(shì)。
2直寫(xiě)自由成型（DIW）
直寫(xiě)自由成型技術(shù)，將陶瓷制備成具有固化特性的陶瓷懸浮液，計(jì)算機(jī)控制的Z軸上的漿料輸送裝置在X-Y平面內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)從針頭擠出陶瓷懸浮液，其在pH值、光照、熱輻射等固化因素作用下實(shí)現(xiàn)固化，逐層堆積形成陶瓷零件毛坯。
3噴墨打印技術(shù)（IJP）
噴墨打印法是由Brunel大學(xué)的Evans和Edirisingle研制出來(lái)的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。
IJP具有成型原理簡(jiǎn)單，打印頭成本低，易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢(shì)；但噴墨打印頭堵塞，另外打印高度受限且不能打印內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)模型，還要求粉末粒徑分布均勻，流動(dòng)性好且高溫化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
4三維印刷工藝（3DP）
三維打印是由MIT開(kāi)發(fā)出來(lái)的，首先將粉末鋪在工作臺(tái)上，通過(guò)噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個(gè)層，而后，工作臺(tái)下降，填粉后重復(fù)上述過(guò)程直至做出整個(gè)部件。目前，以氧化鋯、鋯英砂、氧化鋁、碳化硅和氧化硅等陶瓷粉體為原材料。
3DP具有能夠大規(guī)模成型出陶瓷部件，成本較低的優(yōu)勢(shì)，但也具有黏結(jié)劑黏合強(qiáng)度受限導(dǎo)致部件強(qiáng)度有限，難以獲得機(jī)械性能優(yōu)良的陶瓷器件的劣勢(shì)。
5激光選區(qū)燒結(jié)/熔融（SLS/SLM)
SLM 的思想最初由德國(guó)Fraunhofer研究所于1995年提出，SLS和SLM原理與三維印刷技術(shù)較類似，將粘接劑換為激光束。在高功率密度激光器激光束開(kāi)始掃描前，水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上，然后激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性地熔化基板上的粉末，加工出當(dāng)前層的輪廓，然后調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工，如此層層加工，直到整個(gè)零件加工完畢。
6光固化快速成型技術(shù)（SLA)
SLA技術(shù)是通過(guò)激光的掃描曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化。通過(guò)紫外激光束，按照設(shè)計(jì)好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹(shù)脂混合液體，逐點(diǎn)固化，由點(diǎn)及線，由線到面。通過(guò)xy方向固化成面后，通過(guò)升降臺(tái)在z軸方向的移動(dòng)，層層疊加完成三維打印陶瓷零件。
7疊層實(shí)體制造（LOM）
在層片疊加制造工藝中，將單面涂有熱溶膠的箔材通過(guò)熱輥加熱，由紙、陶瓷箔、金屬箔等構(gòu)成的材料就會(huì)粘接在一起。然后上方的激光器按照CAD模型分層數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，再鋪上新的一層箔材，重復(fù)上述過(guò)程，直至整個(gè)零部件打印完成。
綜述與展望
陶瓷3D打印技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化制造、降低成本和縮短研制周期等方面極具潛力，打破了陶瓷傳統(tǒng)加工工藝的限制，受到了眾多學(xué)者和企業(yè)家的關(guān)注。
目前國(guó)外陶瓷基3D打印材料制造商主要包括美國(guó)的3DSystems、Tethon 3D和Viridis3D以及澳大利亞Lithioz公司。國(guó)內(nèi)知名企業(yè)有北京太爾時(shí)代、湖南華曙高科、武漢三維、北京十維、浙江迅實(shí)、深圳長(zhǎng)朗、中航邁特等。
2012-2017全球及中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模
（單位：億美元）
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)從事3D打印的企業(yè)接近200家，70%集中在桌面打印領(lǐng)域，而從事工業(yè)打印機(jī)生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)有四五十家，從事金屬打印的企業(yè)有三十家，從事生物打印的企業(yè)大概接近十家，從事材料打印的企業(yè)大概有二三十家。雖然在企業(yè)數(shù)量上，我國(guó)已經(jīng)可以媲美國(guó)外企業(yè)，但是在綜合實(shí)力方面，仍有很大的差距。
目前，國(guó)內(nèi)外3D打印發(fā)展的差距：
1)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，市場(chǎng)需求不足;
2)美國(guó)3D打印產(chǎn)品的快速制造水平比國(guó)內(nèi)高;
3)燒結(jié)的材料尤其是金屬材料，質(zhì)量和性能比我們好;
4)激光燒結(jié)陶瓷粉末、金屬粉末的工藝方面還有一定差距;
5)國(guó)內(nèi)企業(yè)的收入結(jié)構(gòu)單一，主要靠賣3D打印設(shè)備，而美國(guó)的公司是多元經(jīng)營(yíng)，設(shè)備、服務(wù)和材料基本各占銷售收入的1/3。
展望未來(lái)，3D打印是以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，以個(gè)性化、短流程為特征，實(shí)現(xiàn)直接制造、桌邊制造和批量定制的新的制造方式，相信在不久的將來(lái)，3D打印技術(shù)一定會(huì)在陶瓷領(lǐng)域大有作為。
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