陶瓷3D打印技術目錄頁陶瓷3D打印概述01陶瓷3D打印工藝02產品案例03學習目的了解陶瓷3D打印的應用領域。了解陶瓷3D打印的成型原理和種類。了解陶瓷3D打印的材料。會進行陶瓷3D打印產品的設計。陶瓷3D打印概述壹01

陶瓷3D打印概述1.陶瓷3D打印概述

為什么要研發陶瓷3D打印呢？普通陶瓷材料采用天然原料如長石、粘土和石英等燒結而成，是典型的硅酸鹽材料，主要組成元素是硅、鋁、氧，這三種元素占地殼元素總量的90%，普通陶瓷來源豐富、成本低、工藝成熟。具有優良高溫性能、高強度、高硬度、低密度、好的化學穩定性，使用其在航天航空、汽車、生物等行業得到廣泛應用。而陶瓷難以成型的特點又限制了它的使用，尤其是復雜陶瓷制件的成型均借助于復雜模具來實現。復雜模具需要較高的加工成本和較長的開發周期，而且，模具加工完畢后，就無法對其進行修改，這種狀況越來越不適應產品的更新換代。采用快速成型技術制備陶瓷制件可以克服上述缺點。1.陶瓷3D打印概述01

陶瓷3D打印概述經濟效益傳統的制造模式（注塑成型）是一個啟動成本很高的過程，模具的制造成本很高，而第一步對于某些小型企業而言可能是無法克服的障礙。但是，一旦制造出模具，每次注入的“注射料”的成本就非常低。注塑成型與3D打印經濟效率陶瓷3D打印的不同之處在于，它不同于注塑成型，它是一個一步的過程。無需工具，成品零件直接從打印機中取出。這意味著沒有阻礙性的啟動成本。少量的3D打印比注射成型便宜，而大量的注射成型比3D打印便宜。從邏輯上講，這也意味著“最佳值”選項從3D打印切換到注塑成型時有特定數量。1.陶瓷3D打印概述01

陶瓷3D打印概述1.陶瓷3D打印概述01

陶瓷3D打印概述陶瓷3D打印工藝貳02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝光固化陶瓷3D打印技術（LCD）低溫3D打印成形的先進陶瓷制備方法，可以在基板上成形復雜的幾何形狀，可用于制造高性能陶瓷的復雜構件。適配材料多樣,包括氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氮化鋁、氮化硅、羥基磷灰石等陶瓷材料與光敏樹脂的混合液體。國內的主要研發公司為北京十維科技。打印流程：（1）漿料制備漿料制備是一個比較復雜的過程。先將陶瓷樹脂和陶瓷粉體按比例稱取，然后與球磨珠一起倒入球磨罐中，根據設定的轉速與時間球磨，得到陶瓷漿料。（2）打印成型將調配好的陶瓷漿料倒入陶瓷3D打印機的打印材料槽中，進行光固化成型。（3）脫脂排膠將打印完成的陶瓷模型在低溫爐中排除樹脂(環境空氣脫脂、埋粉脫脂)。（4）燒結排完樹脂的模型放入高溫爐燒結致密，得到成品陶瓷模型。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝分層實體制造（LOM）分層實體制造采用背面涂有熱熔膠的薄膜材料為原料，用激光將薄膜依次切成零件的各層形狀疊加起來成為實體件，層與層間的粘結依靠加熱和加壓來實現。LOM最初使用的材料是紙，做出的部件相當于木模，可用于產品設計和鑄造行業。用LOM方法制備陶瓷件，采用的原料為陶瓷膜，陶瓷膜是用傳統的流延法制備的。采用LOM法制備的陶瓷材料有Al2O3,Si3N4,AlNSiC,ZrO2等。LOM法制備的陶瓷件一般是用平面陶瓷膜相疊加而成的，現在已開發出以曲面陶瓷膜相疊加的成型工藝，這一工藝是根據制備曲面陶瓷/纖維復合材料的需要生產的，Klostnman等人采用曲面LOM法制備了SiC/SiC纖維復合材料，與平面LOM工藝相比，曲面LOM工藝可保證曲面上纖維的連續性，而達到最佳的力學性能。另外，曲面LOM工藝制備的陶瓷件還有無階梯效應、表面光潔度高、加工速度快、省料的等優點。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝選取激光燒結（SLS）SLS以堆積在工作平臺上的粉末為原料，高能CO2激光器從粉末上掃描，將選定區域內的粉末燒結以做出部件的每一個層。對于塑料件，激光完全燒結高分子粉末，得到最終成型件。陶瓷的燒結溫度很高，很難用激光直接燒結，可以將難熔的陶瓷粒子包覆上高分子粘結劑，應用在SLS設備上，激光熔化粘結劑以燒結各個層，從而制出陶瓷生坯，通過粘結劑去除及燒結等后處理過程，就得到最終的陶瓷件。SLS是最先用來制備陶瓷件的快速成型工藝，選用的陶瓷材料有SiC、Al2O3。噴墨打印法（IJP）噴墨打印法主要分為三維打印和噴墨沉積法。三維打印是由MIT開發出來的，首先將粉末鋪在工作臺上，通過噴嘴把粘結劑噴到選定的區域，將粉末粘結在一起，形成一個層，而后，工作臺下降，填粉后重復上述過程直至做出整個部件。所用的粘結劑有硅膠、高分子粘結劑等。三維打印法可以方便地控制部件的成分和顯微結構。噴墨沉積法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。該工藝的關鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前，使用的陶瓷材料有ZrO2,TiO2,Al2O3等。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝形狀沉積成型（SDM）SDM是由斯坦福大學（StanfordUniversity）和卡內基梅隆（CarnegieMellon）大學開發的，它是一種材料添加和去除相結合的反復過程。成型過程中，每一層材料首先沉積成近成型形狀，在下一層材料添加前，采用傳統的CNC技術將其加工成凈成型形狀。采用SDM和凝膠注模成型（Gel-casting）相結合的方法可以制備陶瓷件，這種工藝叫Mold-SDM。即先用SDM做出模具，然后澆注陶瓷漿料，將模具融化掉，取出陶瓷生胚，經燒結處理后就得到最終的陶瓷件。用Mold-SDM制備陶瓷有以下優點：SDM能做出復雜幾何形狀的模具；Mold-SDM制備的陶瓷是整體件，因此陶瓷件不存在層與層間的邊界和缺陷；模具的表面由機加工方法獲得，具有很好的光潔度，因此制備的陶瓷件也具有較高的表面光潔度。目前已采用Mold-SDM制備出Si3N4，Al2O3材質的渦輪、手柄、噴嘴等樣品。其中，Si3N4樣品的最大彎曲強度為800MPa。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝熔化沉積造型（FDM）采用FDM工藝制備陶瓷件叫FDC。這種工藝是將陶瓷粉末和有機粘結劑相混合，用擠出機或毛細血管流變儀做成絲后用FDM設備做出陶瓷件生胚，通過粘結劑的去除和陶瓷生胚的燒結，得到較高密度的陶瓷件。適用于FDC工藝的絲狀材料必須具備一定的熱性能和機械性能，黏度、粘結性能、彈性模量、強度是衡量絲狀材料的四個要素。基于這樣的限制條件，羅格斯大學（Rutgers）的陶瓷研究中心開放出稱為RU系列的有機粘結劑。這種粘結劑由四種組元組成：高分子、調節劑、彈性體、蠟。Agarwala等人用FDC制備了Si3N4陶瓷件，所用的陶瓷粉為GS-44氮化硅，體積分數為55%。由于RU粘結劑是由四種具有不同熱解溫度的組元組成，生胚中粘結劑的去除分為兩步進行。第一步從室溫加熱到450℃，在此階段大部分粘結劑被去除。第二步是將生胚放入氧化鋁坩堝加熱至500℃，粘結劑中剩余的碳被去除掉。不同階段的加熱速度和保溫時間根據零件的尺寸和形狀來確定。經過這兩步處理后，陶瓷生胚變成多孔狀，對生胚進行氣壓燒結處理，生胚中所含的氧化物熔化并為多孔生胚的致密化提供液相。此外，Bandyopadhyny等人用FDC工藝制備出3-3連通的PZT/高分子壓電復合材料。02

陶瓷3D打印工藝2.陶瓷3D打印工藝陶泥擠出式盤筑成型（CDM）廈門斯瑪特集團研制的陶泥CDM擠出式盤筑成型機，采用原生態粘土材料，不需任何添加劑，從其易學、成本低的優點來說，更適用于廣大陶藝愛好者進行3D打印體驗創作，平均每分鐘約1cm高度的打印成型速度，對使用者來說，體驗感更強。3D打印過程中層與層之間的縫隙在其應用中也許是一種“缺陷”，需要彌補或改進。而楊德安認為當前所有的3D打印機一直處在精度論下，非精度也是一種藝術美。陶泥3D打印機恰恰是反其道而行之，將這種“缺陷”強調出來，通過對3D打印機的打印軌跡的控制，在陶器表面創造出各種意想不到的肌理效果。產品案例叁03

產品案例3.產品案例03

產品案例3.產品案例用于治療骨缺損的磷酸三鈣顱骨植入物。嚴重創傷或腫瘤切除后的骨替換仍然是醫生的主要挑戰。一方面，需要盡快恢復骨骼的穩定性和保護功能，另一方面應實現對身體自身骨細胞的良好愈合和定植。為此目的，使用可生物吸收的陶瓷（如磷酸三鈣），可以制造患者個性化植入物，例如用于嚴重顱腦損傷后的顱骨植入物、用于骨結構的支架。這是由奧地利組織再生機構、路德維希玻爾茲曼實驗研究所、臨床創傷學/AUVA聯合研發項目。03

產品案例3.產品案例3D打印的陶瓷定制接骨板。林茨開普勒大學醫院的項目是應用LCM工藝生產患者特異性骨縫合板。骨縫合板用于手術修復骨