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一篇了解陶瓷3D打印,打破信息茧房后的世界

文章和图片来源:        时间:2024.12.06        点击率: 329

研究公司IDTechEx发布的一份报告指出,预计到2032年,陶瓷增材制造市场的价值将达到4亿美元,是2022年预测值的7倍。


陶瓷的使用最早可追溯至古希腊时期,起初是为了制作盛放食物的罐子或盘子,在高达500ºC的高温下烧制粘土。19世纪后,陶瓷应用到了工业领域,主要用作电机的隔热材料和电绝缘体。陶瓷材料具有传统技术难以企及的机械性能和高分辨率的几何形状,因此陶瓷3D打印技术也逐渐应运而生。


粘土是制造陶瓷材料最常用的原料。粘土是一种在任何环境中都易于获取的天然材料。随着材料的不断发展,目前市面上存在着不同类型的陶瓷,最常见的是在家庭环境中使用的陶瓷:如餐具、瓷砖等。其次是用于建筑的结构陶瓷,如砖瓦、外墙板的耐火陶瓷,以及具有卓越机械、热、化学和电气性能的技术陶瓷。这类陶瓷因不含粘土,在汽车和航空航天等领域中备受重视。



目前,陶瓷3D打印的方法多种多样,其中主要有四种主流技术,粘结剂喷射技术(BJ)、光固化技术(SLA、DLP)、喷墨打印成型技术(Ink Jet Printing,IJP)和熔丝制造3D打印(Fused Filament Fabrication,FFF)。

粘结剂喷射技术/BJ


粘结剂喷射技术是最早开始使用陶瓷粉末的技术之一。这项技术发端于20世纪90年代,最初是麻省理工学院的一个项目。粘结剂喷射技术使用粘结剂将陶瓷粉末在粉末床的横截面上进行逐层粘合,制作全彩模型。不过对于某些工业用途而言,这种模型的耐久性仍有待提高。


*陶瓷粘结剂喷射示意图

光固化技术/SLA、DLP


早在增材制造技术初期,光固化技术(SLA、DLP)就已出现并不断发展,但直到多年后,才将陶瓷材料纳入其中。法国公司3DCeram便是陶瓷增材制造行业的先驱之一。

3DCeram首席执行官Richard Gaignon在被问及公司发展起源时表示:“2005年,Christophe Chaput决定研究增材制造与陶瓷相结合的可能性。他开始打印生物医学零件、颅骨植入物……2009年,我们俩收购了Cerampilot,并决定将公司更名为3DCeram,同时改变业务模式,仅通过3D打印制造零件。”

2014年开始,3DCeram在机器中加入了紫外激光器,整合DLP技术。

DLP是一种基于掩膜的面曝光SLA技术,也称为投影微立体光刻。光源通过掩膜整体曝光到光敏树脂表面进行层层固化形成三维结构。可用于高精度高质量陶瓷件的打印。

*3DCeram的增材制造解决方案(来源:3DCeram)


除3DCeram的发展成果,拥有丰富产品线的3D Systems、专注于桌面SLA 3D打印的Formlabs等公司也开始提供陶瓷树脂材料。

*桌面级3D打印机提供陶瓷树脂选项(来源:Formlabs)


SLA使用紫外线源(激光或光投影仪)非常精确地定向到光敏树脂上,光在接触时使树脂硬化,并一层又一层地形成零件。在陶瓷3D打印中,树脂是富含陶瓷粉末的感光材料的混合物。

DLP技术跟SLA技术有很多相似之处,工艺过程也比较接近,在产品特性、应用类别等方面基本无差别。但是两者在光源上都有一定的区别,DLP是采用高分辨率的数码光处理器投影仪对液体光聚合物进行逐级照射,每一层都以滑片的形式固化。而SLA加工工艺则是激光束由点到线,由线到面扫描固化。所以DLP比同类SLA立体平版打印机的速度更快。

喷墨打印成型技术/IJP


喷墨打印成型技术是将陶瓷纳米颗粒以悬浮液的方式制成墨水,通过喷墨3D打印机的数百个或数千个喷嘴,将材料沉积到加热的平台上,利用平台的热量将溶剂蒸发获得零件。

*喷墨打印成型技术示意图

喷墨打印成型技术是最精确的陶瓷增材制造技术,但也是最昂贵的一种。该过程本身相当缓慢,并且无法打印大型零件。特别适用于3D打印电子产品或具有精密细节的零件,例如具有微小内部复杂结构的手术工具。

熔丝制造3D打印/FFF


熔丝制造3D打印类似于普通桌面级FFF3D打印机,但丝材是一种含有高含量陶瓷的复合聚合物。

*熔丝制造3D打印示意图


熔丝制造3D打印不仅是经济实惠的陶瓷增材制造技术,而且速度极快,同时打印的零件密度与SLA或喷墨方法打印的零件一样密实。在脱脂和烧结后,陶瓷零件致密度可达99%。

此外,与SLA或粘合剂喷射等其他技术相反,熔丝制造3D打印几乎不需要准备或清洁。但是,它提供的精度低于SLA(100微米差异),并且无法像粘合剂喷射那样打印大型零件。


将技术陶瓷材料引入不同行业将为市场带来长期利益。3D打印陶瓷的目标行业包括:医学应用、牙科应用、熔模铸造、化学工程、艺术与设计以及其他新兴应用。不同行业的现状和市场潜力有所不同,这可以从商业化和市场渗透两个方面来考量。

*3D打印陶瓷细分领域的现状和市场潜力


XJet等公司认为陶瓷3D打印是一种最终生产方式。近年来,最初采用塑料或金属增材制造技术的医疗、能源和汽车等领域,已经开始开发陶瓷技术。陶瓷3D打印有望作为一种有效、必要甚至首选的制造方法获得全面认可。陶瓷3D打印起步落后,但发展迅速。这背后的主要驱动力是对零部件更高的温度耐受性、强度和韧性的需求,在金属的性能达到极限时,技术陶瓷在这方面表现却极为出色。



陶瓷3D打印技术的发展已成为不争的事实。但与其他3D打印技术一样,各行各业的应用方式不尽相同。正如金属3D打印技术在航空航天和汽车领域得到认可一样,陶瓷3D打印技术也必须找到自己的位置。陶瓷3D打印技术的成熟需要10年左右的时间。其中,材料起着关键作用。

陶瓷3D打印材料则可分为粉末、颗粒、浆料和线材。主要有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化硼、TCP、羟基磷灰石等。

*升华三维使用PEP陶瓷3D打印技术打印氮化硅壳体结构


从发展趋势来看,多材料和混合3D打印——陶瓷基复合打印正在兴起,成为了陶瓷3D打印的新材料趋势。目前,市场上已经有许多多材料打印机,其中两种能够同时打印多种材料;有几种打印机能够打印陶瓷以外的材料,人们对能够在一次打印中打印多种材料(如陶瓷和金属)的打印机也越来越感兴趣。

以Lithoz的DLP打印机为例,多材料打印机有两槽光敏树脂,将打印件浸入其中,然后通过紫外线选择性固化。3D Ceram的C900 Flex则是一款SLA打印机,配有4根树脂分配管。对于每一层,所需材料的树脂都会被泵出,用刮刀将其均匀地涂在打印机表面,然后刮除器擦掉多余的树脂,由紫外线选择性固化树脂。


陶瓷3D打印是3D打印技术中一个新兴的细分市场,但在进入这一技术之前,制造商、服务商和用户仍需注意一些细节。尽管陶瓷3D打印目前已在空间反射镜、高温炉具、热交换器、晶圆载具、天线罩、过滤催化器、人工骨等应用方面有着较成熟的案例,但要实现陶瓷3D打印技术增长,必须克服一些重要挑战,例如陶瓷工程师和专业人员的教育计划,以及让陶瓷市场的主要参与者,包括制造商、服务商和终端用户采用这项技术才是取得进展的重要一步。

*技术沉淀将是陶瓷3D打印技术的关键


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作为新兴技术,陶瓷3D技术已逐渐成为几乎所有年轻的设计工坊和着重创新工业设计的大厂会考虑的一个选择,并且已经在学术研究中使用陶瓷3D技术进行数字建模和打印。

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TCT Shenzhen 2025





























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9月10日 09:00 - 17:30
9月11日 09:00 - 17:30
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深圳会展中心(福田)

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