深度、全面 ┃ 解析陶瓷3D打印工藝與裝備

作者：陳張偉——深圳大學(xué)增材制造研究所(AMI-SZU)  博士|教授|執(zhí)行所長(zhǎng)

先進(jìn)陶瓷材料與成型加工
先進(jìn)陶瓷材料

應(yīng)用方向
高溫陶瓷
半導(dǎo)體陶瓷
絕緣陶瓷
介電陶瓷
發(fā)光陶瓷
感光陶瓷
吸波陶瓷
激光陶瓷
核能陶瓷
推進(jìn)劑陶瓷
儲(chǔ)能陶瓷
電池電極陶瓷
阻尼陶瓷
生物支架陶瓷
催化載體陶瓷
功能薄膜陶瓷

我等國(guó)先進(jìn)陶瓷產(chǎn)值及預(yù)測(cè)

先進(jìn)陶瓷成型與加工

陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

制造業(yè)的大變革

• ΔM=0(等材) 材料成形(鑄、鍛、焊等) 3000多年前
• ΔM<0(減材) 材料去除(車、銑、磨等) 300多年前
• ΔM>0(增材) 材料累加(3D打印技術(shù)等) 30多年前

3D打印技術(shù)原理

3D打印:又稱為增材制造(Additive Manufacturing)、快速成型(Rapid Prototyping)、無(wú)模成型(Freeform Fabrication)等，以智能化處理后的3D數(shù) 字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層增加材料的方式來(lái)構(gòu)造任意復(fù)雜的3D實(shí)體形狀

3D打印應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

3D打印具有實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造、定制化設(shè)計(jì)制造 兩大絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具有:成本低、周期短兩大相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

定制化設(shè)計(jì)制造超復(fù)雜跨尺度結(jié)構(gòu)
 設(shè)計(jì)自由度更大，開(kāi)創(chuàng)基 于功能設(shè)計(jì)的新時(shí)代
 通過(guò)原型快速驗(yàn)證，反復(fù) 迭代，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

成本低
 提高材料利用率，近100%， 特別是戰(zhàn)略昂貴資源
 無(wú)需模具，降低原型制造與 模型開(kāi)發(fā)的成本

周期短

 直接由設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體，所想即所得

 一體化制造，減少或無(wú)需 組裝環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率

3D打印技術(shù)發(fā)展歷程

陶瓷3D打印流程圖

陶瓷3D打印技術(shù)分類

SL陶瓷3D打印技術(shù)

設(shè)備:桌面級(jí)、工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)
材料:聚合光敏樹脂+陶瓷粉末/前驅(qū)體陶瓷
特點(diǎn):精度高，成型尺寸大，材料用量較多
難點(diǎn):陶瓷粉末對(duì)光的吸收和散射

DLP陶瓷3D打印技術(shù)

◼設(shè)備:桌面級(jí)、工業(yè)級(jí)，也有CLIP 3D打印機(jī)
◼ 材料:聚合光敏樹脂+陶瓷粉末/前驅(qū)體陶瓷
◼ 特點(diǎn):精度高，速度快，節(jié)約材料
◼ 難點(diǎn):尺寸有限，精度提升空間不夠

TPP陶瓷3D打印技術(shù)

◼ 設(shè)備:桌面級(jí)、工業(yè)級(jí)
◼ 材料:前驅(qū)體陶瓷(透明)
◼ 特點(diǎn):精度高，速度慢，尺寸小 ◼ 難點(diǎn):尺寸，速度

IJP陶瓷3D打印技術(shù)

◼ 設(shè)備:桌面級(jí)、工業(yè)級(jí)
◼ 材料:溶劑+陶瓷粉末
◼ 特點(diǎn):定位精度高，速度慢，厚度薄 ◼ 難點(diǎn):無(wú)法制作懸臂梁或中空件

DIW陶瓷3D打印技術(shù)

◼ 設(shè)備:桌面級(jí)，自制
◼ 材料:溶劑+陶瓷粉末/前驅(qū)體陶瓷
◼ 特點(diǎn):精度低，速度慢，厚度小，藝術(shù)創(chuàng)作 ◼ 難點(diǎn):無(wú)法制作懸臂梁

3DP陶瓷3D打印技術(shù)

◼ 設(shè)備:桌面級(jí)，工業(yè)級(jí)
◼ 材料:溶劑+陶瓷粉床/前驅(qū)體陶瓷
◼ 特點(diǎn):用料較多，精度低，粗糙度大，致密度低 ◼ 難點(diǎn):粗糙度大，致密度較低

SLS陶瓷3D打印技術(shù)
◼ 設(shè)備:工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)
◼ 材料:陶瓷粉床+低熔點(diǎn)粘接材料
◼ 特點(diǎn):精度高，近乎無(wú)限復(fù)雜結(jié)構(gòu)
◼ 難點(diǎn):致密度的提高需更多后處理

SLM陶瓷3D打印技術(shù)
◼ 設(shè)備:工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)
◼ 材料:陶瓷粉床
◼ 特點(diǎn):設(shè)備貴，精度低，表面粗糙度大，致密度低
◼ 難點(diǎn):應(yīng)力集中導(dǎo)致的缺陷

LOM陶瓷3D打印技術(shù)
◼ 設(shè)備:工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)
◼ 材料:陶瓷薄板
◼ 特點(diǎn):精度高，速度快，材料利用率低
◼難點(diǎn):層間粘接差，各向異性

FDM陶瓷3D打印技術(shù)
◼ 設(shè)備:工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)
◼ 材料:陶瓷絲材
◼ 特點(diǎn):精度低，表面粗糙度大
◼ 難點(diǎn):層間控制

陶瓷3D打印技術(shù)對(duì)比

陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展

陶瓷3D打印應(yīng)用與設(shè)備

主流3D打印用先進(jìn)陶瓷材料

3D打印技術(shù)應(yīng)用概述

陶瓷3D打印裝備-光固化

陶瓷3D打印裝備-其他原理

陶瓷3D打印裝備-擠出直寫

結(jié)論與展望

陶瓷3D打印產(chǎn)值預(yù)測(cè)

有機(jī)物前驅(qū)體陶瓷用于3D打印
2016年美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室采用光固化3D打印技術(shù)制備出任意形 狀超強(qiáng)前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷SiOC等結(jié)構(gòu)件，論文發(fā)表在Science上

CLIP連續(xù)光固化3D打印技術(shù)
連續(xù)打印，速度提升100倍，表面無(wú)臺(tái)階現(xiàn)象，制造微結(jié)構(gòu)

真正的一次性成形3D打印技術(shù)

總結(jié)與展望
◼ 工業(yè)級(jí)陶瓷3D打印技術(shù)和設(shè)備門檻較高，成本也較高，需要從設(shè)備、原材料、燒結(jié)、 后處理等多方緊密配合研究;
◼ 打印效率還需進(jìn)一步提升，生產(chǎn)流程更加簡(jiǎn)單化、自動(dòng)化和一體化;
◼ 光固化和粘接劑噴射3D打印工藝為目前較優(yōu)的陶瓷打印工藝，特別是光固化工藝具 有較好的成型效果;
◼ 目前3D打印陶瓷還存在表面質(zhì)量不夠理想，精度較低等問(wèn)題。可從陶瓷材料成型理 化規(guī)律入手，研究新型陶瓷3D打印工藝予以解決;
◼ 針對(duì)新興應(yīng)用，研發(fā)新型3D打印用高性能陶瓷材料。

解決方案
陶瓷DLP光固化、高分子、金屬等工業(yè)級(jí)3D打印機(jī);

陶瓷材料:ZrO2/Al2O3/SiO2/羥基磷灰石/陶瓷電極漿料及前驅(qū)體材料等
成型幅面:57.632.4-14481mm，像素30-75μm
成型精度:10μm，達(dá)到與國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品相當(dāng)?shù)乃��?
產(chǎn)品優(yōu)勢(shì):自動(dòng)智能支撐/亞像素曝光算法/尺寸收縮補(bǔ)償

高性價(jià)比FDM/LCD光固化消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī);
航空航天/生物醫(yī)療/汽車模具/珠寶首飾等應(yīng)用。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)
金屬、陶瓷、高分子等低成本高速批量化3D打印; 材料、軟件、控制、設(shè)備協(xié)同優(yōu)化。

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