陶瓷3D打印模型设计技术回顾与展望

彭子钧 ，罗旭东 ,，谢志鹏

(1.辽宁科技大学 高温材料与镁资源工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.清华大学 材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084)

0 引 言

先进陶瓷的设计和开发最早从汽车领域开始，并逐渐向高性能领域发展。现阶段先进陶瓷在航空航天、国土防御、能源及生物医学领域都得到了发展与应用。陶瓷制品需经过原料粉体处理、坯体制备成型、固体制品烧结和最终加工处理四个主要环节。其中，陶瓷制品的成型是一个耗时且较为昂贵的过程。节约制备材料、缩短加工周期、降低制造成本及实现制品量产化是先进陶瓷所面临的问题。为解决先进陶瓷面临的问题，无模陶瓷成型制造技术应运而生。

近年来，3D打印(也称为增材制造(Additive Manufacturing，AM)或快速成型技术(Rapid Prototyping，RP) )作为一种无模成型技术受到国内外学者的广泛关注。以逐层堆积或分层打印方式将3D模型通过可固化粘合的原料制备成型[1]。理论上，通过3D打印技术可将任意物品实现产品化。故3D打印技术被认为是第三次工业革命的重要标志之一[2]。

3D打印发展可追溯至上世纪80年代。1986年3月11日，以立体光刻技术为基础理论的3D打印技术的专利“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography”正式发布。随着3D 打印技术不断创新发展，衍生出熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)和选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)成型技术[3]，为3D打印技术的发展和创新奠定了理论基础。此后，3D打印技术不断更新、发展和应用，在国防军事、汽车制造、航天航空和机械加工等领域[4]以及生物工程方面均发挥着极大的作用[5]。

相比于传统的制造技术，3D打印技术具有高效率、制造快、无模化和可复杂化等优势[6-7]。3D打印技术成型工艺多种多样，其不同点在于将每一层材料制备成整体部件的方式技术不同[8]。常见的陶瓷3D打印技术成型工艺有：熔融沉积成型、激光选区烧结成型、光固化的立体光刻成型、三维打印成型、喷墨打印成型技术、热压分层实体成型等工艺[9-10]。但是无论哪种3D打印成型技术都需要依赖可以成功打印的3D模型。设计符合成型技术的3D模型是能否成功打印的重要一环。所以在打印之前必须了解每一种陶瓷3D打印成型技术的原理、特点及注意事项，设计出符合所使用的成型工艺的3D模型。

本文主要阐述现阶段几种常见的陶瓷3D打印技术的成型工艺的原理和特点，并针对不同的成型工艺下陶瓷3D模型的建立进行了综述。

1 常见陶瓷3D打印成型技术及3D模型建立介绍

3D模型建立软件常用maya和3dsmax。设计的3D模型都需要转换成3D打印机通用的stl文件格式[11-13]。然而，并非所有的3D模型都能成功地被打印出来。由于陶瓷3D打印成型技术区别于传统的3D打印技术，所以对陶瓷3D模型的建立需要有新的要求并且不断优化[14]。以下结合不同成型工艺介绍建立3D模型的设计要求。

1.1 陶瓷熔融沉积成型技术及其模型设计

陶瓷熔融沉积成型技术(简称FDC)于1995年首次提到[15]，该技术是以熔融堆积成型技术为基础。在20世纪90年代美国Argonne国家实验室和Rutgers大学首次将陶瓷材料与计算机融合并在机械装置内进行沉积打印。与传统的熔融沉积成形相比，陶瓷熔融沉积成型技术的特点是将陶瓷粉体掺入有机结合剂中，并加入无定性基料结合剂，将复合材料放入挤出机中在稍高于其熔点的温度下熔化，通过计算机控制制备陶瓷生坯。通过脱脂处理后，在适宜的高温条件下烧制成部件。适用于FDC工艺的材料须具备一定的热性能和机械性能。现阶段可以进行小规模订购生产，如过滤器、小型精密实验仪器、催化剂载体等。未来可向生物材料、光子带隙结构和电磁带隙结构领域发展[16]。

陶瓷熔融沉积成型技术(FDC)的3D模型需设计注意模型不能过于小巧，内部不能过于致密。一般可设计为高孔隙率、管状支撑的多孔3D模型[17]。因为在FDM成型中，当前打印层在其下面的打印层上堆积而成，同时前一层打印层对当前打印层提供定位和支撑的作用。在建立模型时尽量减少悬空部位，若缺少有效支撐会导致打印失败。由于该技术需要先加热后冷却成型，若3D模型设计过于小巧或设计成小巧的实心物体时，很容易出现前一层打印层未完全冷却，但当前打印层已经打印上去的情况，由于当前打印层为高温层会使前一层打印层出现二次融化的现象，导致3D打印的制备发生变形导致打印失败。因此FDM技术对3D模型设计的要求是模型需要有骨骼支架，同时模型不宜过于小巧、内部不宜过于致密以便能正常打印。

1.2 陶瓷立体光刻成型技术及模型设计介绍

立体光刻(SLA)是基于用UV激光或另一类似电源固化光反应树脂的3D印刷技术，并且以其高精度和优异的表面精加工而闻名[18-20]。陶瓷立体光刻(CSL)是一种扩展的立体光刻方法。在直接CSL中，固化填充有大量陶瓷填料的光固化液体，并且将所得生坯体热处理以产生用于所需陶瓷结构的生坯体[21-25]。CSL自20世纪90年代面世以来已经变得越来越重要。如今，CSL用于牙科和骨愈合应用的医学、微机电系统(MEMS)、传感器、压电元件和光子晶体的微技术，并大规模应用于涡轮叶片或机械耐用结构中[25-30]。

在CSL领域的最新研究发现，光固化的生坯由诸如氦镉气体激光器，氩离子激光器或固态激光器的UV激光器形成。然而，Griffith和Halloran[31]证明当应用掩模在光固化液体上转印所需图案时，可以用LED或卤素灯代替激光器[32-33,29]。与UV照射下的光固化活性相比，光固化液体的光固化活性(或量子产率)降低。

光固化和热处理之后要求成品陶瓷结构具有机械稳定性，表面光滑并且与原始3D模型相匹配。故在3D模型的建立上要根据所制备的陶瓷产品的性能在参数上进行一些缩放。多个固化的轨迹模型建立必须彼此重叠，以便在多个固化轨迹之间产生均匀的连接。横向重叠称为线宽补偿，而垂直重叠确定固化结构的层厚度。然而，在3D模型的建立上要考虑固化轨道轮廓对部件设计施加的影响。在3D模型建立时也要考虑固化层和固化结构的光滑表面之间的互连，以便于二者达到最佳互联效果[34]。

1.3 选择性激光烧结(SLS)及模型设计介绍

选择性激光烧结由Beaman[35]于20世纪80年代在德克萨斯大学发表专利。这是一种基于3D建模数据使用粉体床与激光束选择性地熔合在一起的成型过程。将3D模型切成厚度通常在100 mm范围内的层，但也取决于所使用的材料及其与激光束的相互作用进行逐层地构建，制造非常复杂形状的部件。第一个通过SLS生产的制造部件为塑料部件，理论上可以使用任何可获得的粉末形式的材料。热塑性材料和低熔点金属由于其低熔点均可用于SLS技术。但将SLS技术应用到高熔点的材料时还有一定难度，例如高熔点金属和陶瓷。通常，这些材料的致密化是固态扩散主导工艺，需要高温和时间来实现致密化。另一个问题是在使用SLS期间由于加热速率高和冷却速率快而引起的热应力。由于陶瓷材料的耐热冲击性有限，故在SLS中的热应力会导致烧结部件中的裂纹形成。Wilkes[36]发现粉末床预热可以减少热应力，从而减少使用SLS生产的陶瓷部件中的裂纹形成。尽管激光与材料之间相互作用时间短，但在直接SLS致密化过程中仍存在诸多限制条件。

SLS是由激光与材料在短时间的相互作用，从而获得制品。现阶段通过提高粉末密度和液相辅助烧结法来提高制品的致密度。所以在建立3D模型的时应该尽量避免出现网格结构以便保证其机械性能[37]。若是采用固态扩散法进行SLS时，由于其致密化程度不高，3D的外壳不易设计过薄以保证其强度便于打印成功。未来SLS领域的制品分辨率从约100微米增加到几十微米，通常采用亚微米陶瓷粉末和近红外激光器来完成[38]。所以未来3D模型设计需符合上述要求，便于部件可以吸收近红外光谱实现成功打印。

1.4 三维打印及模型设计介绍

三维打印技术分为三维打印成型(简称为3DP)技术和喷墨打印成型(简称为 IJP)技术。三维打印成型(简称为3DP)以微滴喷射形式的制备部件，主要由美国麻省理工学院和Soligen公司开发。通过计算机输出模型，将粉体通过结合剂层层堆积制备成型。现阶段适用于陶瓷、金属、复合材料及高分子材料的成型。成型的陶瓷坯体以粉末状结合，结构较为松散，致密度较低难以直接烧结，需要进行后续处理使其致密化烧结。

喷墨打印成型(简称为 IJP) 技术以三维打印成型技术为基础发展而来，该技术预先将陶瓷粉体与有机物溶剂配制成陶瓷浆料，通过计算机控制打印喷头将陶瓷浆料逐层喷打到工作面上，制备成陶瓷坯体。目前，陶瓷浆料的配制是喷墨打印技术的关键，要求陶瓷粉体在浆料中具有良好的均匀分散度，合适的张力、黏度，以及快速干燥的能力。

3DP技术与IJP技术成型过程非常相似。3DP技术是由粉体层层堆积成最终产物，而IJP技术是以陶瓷浆料逐层打印层层堆积为主。由于部件都是一层一层建造出来，故部件很容易产生空洞和悬臂结构。因此在建立3D模型时必须要有支撑结构以便打印成功。IJP技术由于陶瓷浆料本身为液体，所以在打印时可能会出现局部坍塌的现象。故设计成为螺旋状结构的3D模型不易在IJP技术中打印出来。提高空间分辨率和准确性是这两种技术未来的发展目标，未来在3D模型的设计上也要符合这一目标。

1.5 层压实体成型技术及模型设计介绍

层压实体成型(简称为LOM)技术于1986年由Helisys 公司开发并应用于纸张、塑料和金属领域。而后转移到陶瓷加工领域时，主要用于陶瓷建筑和陶瓷齿轮等方面。该工艺利用激光或刀具切割陶瓷薄片，在成型过程中，首先将片状材料用激光切割系统切割成自定义的截面作为第一层截面，之后工作台下降一级再送进新的片材，然后对新层进行激光切割，重复过程依次对片材进行切割。最后用热压机将切割层紧压并粘合起来，直至完成。现阶段层压实体成型技术主要以Al2O3和SiO2陶瓷为主。

与其它四种陶瓷3D打印成型技术不同，层压实体成型技术以层层压制为主，不需要设计支撑结构[39]。由于是激光切割，激光能量会导致临界倾角增大，在每一层模型设计上应尽量平整，避免两个层的切口重叠区域增大，保持陶瓷制品的机械性能。层压实体成型技术还可以制造具有角表面或者中空结构的复杂部件，在模型设计上要避免出现倾斜激光和阶梯效应。层压实体成型技术未来将会向氮化物陶瓷和聚合物陶瓷方向发展，对3D模型的建立还会有更高的设计要求。

2 展 望

设计精准的3D模型与陶瓷材料组合为3D打印陶瓷提供了可能性，既可以缩短制造时间又可以降低成本。此外，3D打印陶瓷不仅可以控制陶瓷部件的形状，而且可以控制整个部件的组成、微观结构和性质。但在它替代常规技术以前，仍存在一些技术难点。目前，虽然已开发出多种适合陶瓷3D打印的工艺，并且也在材料成型方面取得了一定程度的发展。但现阶段的陶瓷成型工艺还存在些许不足需要加以完善，基于成型工艺建立的3D模型也需要不断改进完善。

提高陶瓷3D打印部件的精度、效率和速度也是现阶段陶瓷3D打印技术有待解决的问题，而解决这些问题就需要改进现有成型工艺、建立合理的3D模型。并且3D模型的设计也要紧跟3D打印陶瓷的最新发展方向。以便于实现精准、高效和快速打印。众所周知，现阶段陶瓷3D打印技术距离大规模产业化、工程化应用还有一定距离。未来还需要进一步提升3D打印技术在陶瓷领域的应用，以便实现陶瓷产品的直接制造。

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