浅述光固化3D打印应用于陶瓷制造的研究进展

姚青山

（佛山众陶联供应链服务有限公司，佛山 528000）

1 发展现状

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨、隔热性好、密度低这五大主要优势，关于传统的陶瓷胶态金属成型工艺方法一般因为需要大量加工模具，而难以获得各种形状非常复杂的金属工件，所以大量加工制造模具生产成本相对较高，且产品生命周期也相对较长，而此次陶瓷3D数码印刷工艺技术有效克服了这一疑难问题，其中的陶瓷光固化树脂成型工艺技术也因为生产精度较高而获得了不少人的重视，使用3D数码印刷技术及光固化金属成型技术生产的蜡消失模，在替代人工蜡模使用此技术时则可缩短模型生产过程的周期，提高陶瓷型模金属构件的生产效益，本文主要介绍了3D打印机生产陶瓷及消失模的研究进展。

2 3D陶瓷打印技术主要种类

2.1 熔融沉积成型技术

熔融物质沉积固体打印模型技术也被广泛称为一种熔融固体沉积打印模型。开始时，热融微型丝状介质材料流体通过转动送料辊，在从前被动辊与主动辊的共同动力运送下自动进入一个导向送料套，导套的导向摩擦阻力系数相对较低，使热融丝状介质物料准确自动进入送料喷嘴。根据专用计算机自动输出的各种数字模型即可进行物料打印。熔融热和堆积材料激光打印印刷技术，不用再需要任何传统激光印刷技术的直接支持，而且具有技术成本低的优势。熔融材料沉积热打印机的工作机理相对简单，生产流程也比较简单且易于控制，但热打印机生产过程中往往要求通过较高的高温下将热印刷后的材料充分熔融，这就必须需要打印材料在高温的热工水力中，熔融后材料不易产生热分解，且可以保证适当的高温流动性，为完全适应打印制品在结构上和机械性能上的需要，印刷机的材质一定要确保具备相应的耐热抗压性以及相应的高刚性。

2.2 分层实体制造技术

分层材料实体切割制造生产技术是一种以薄层固体为主要原材料，通过固体材料的逐层切割叠加加工来直接实现实体成型的一种生产方式，因此该制造技术也被广泛称为基于薄层固体材料的非选择性实体切割。该打印技术和传统常规3D无线打印机的技术特点有所不同，传统常规3D无线打印机不管我们采用了何种的打印材质，在产生打印体的过程中都主要由线至点和线至点之间的层次互相重叠，然后再由于从层至点重叠而产生体。分层印刷的实体材质制造打印技术是指使用雷射激光技术通过照射透过实体材质和激光胶粘剂将第一层材质刻蚀，可以通过提升材料升降台高度对新的第一层薄膜采用激光技术切割，新的一层激光薄膜实体材料和前一层薄膜材料在热能和引发型激光胶粘剂耦合作用下紧密贴合形成粘结，这样就完全省去了从一点点打到底一层的实体打印制作过程。分层打印实体材料制造打印技术由于有激光刀片切割打印技术作为辅助，因此大大减少了激光打印的操作步骤，降低了企业生产复杂的小零件过程所需的生产时间。

2.3 光固化成型技术

光固化是指金属单体、低温二聚体或其它聚合体金属基质在光诱导效应作用下的一种固化成型过程，其中的成型工艺技术也被广泛称为立体化或光刻成型技术。目前，光固化三维技术已广泛应用推广到许多化工行业中，例如利用光固化三维胶粘剂、光刻胶、激光三维变形成像、三维成型造型等，其中利用光固化三维成型激光技术在3D级光打印设备方面的技术应用也日益广泛增多。这项创新技术所用的化学原料主要成分是光敏弹性树脂，在3D的可打印光敏陶瓷材料中可以看到使用光敏陶瓷树脂粉末和其它光敏陶瓷树脂进行混合后所形成的“浆料”。光固化新型成型工艺技术仍然存在许多技术挑战，目前主要用于改进光固化新型成型工艺技术的各种光敏感性树脂产品存在一定的光毒性，而且产品需要定期进行高温避光长期保存，因此在日常用于光固化成型技术3D激光打印时应注意保持良好的采光通风和处于避光保存工作区的环境。

3 光固化技术的陶瓷3D打印工艺流程

传统的烧结方式中只有陶瓷通过热成型打印烧结工艺的生产而能成型，而现代陶瓷3D加热印刷烧结技术也就等于完全取代了目前传统的加热干压、注射热成型等陶瓷成型烧结工艺技术。打印后未完工的粉状生坯依然可能要进行多次高温软硬化处理，以去除存在于生坯过程中的各种有机物，粉末粉碎粒子内部将会出现有机粘结现象，压坯的粘接强度提高，将所有粉末粉碎粒子的有机聚合体都转变成被称为颗粒的有机聚合粘接体，从而可以获得打印所需的各种物理、机械和高性能的打印制品。

（1）光成型打印工艺成型：将第二层陶瓷压坯浆材被安装在一台紫外光热凝固树脂机器下，通过使用光固化机的成型打印工艺自动将第一层陶瓷浆材再次凝固，生成第一层陶瓷压坯，之后再通过利用光打印固化机身上自带的陶瓷刮刃剑自动将第二层陶瓷浆材覆盖在第一层陶瓷压坯模具上，并经逐层凝固后再成型为第二层陶瓷压坯，在重复以上二个过程之后即使将陶瓷浆材经逐步凝固并叠加后再累积光打印成型，最后就可获得第二层陶瓷浆材生坯。

（2）洗涤：洗净，除去尚未凝固的陶瓷浆料。

（3）脱脂：结合剂含量较高的注射产品，包括例如激光玻璃和微晶陶瓷的液体注射脱脂成型才更有可能同时需要专门的注射技师们来进行注射脱脂和热处理工艺。在进行打印加工时形成的塑料制件，由于比正在从生坯中生产所含塑料有机物的一些化学元素高且其浓度也就会更高，因此在一般化的状况下进行脱脂的运行过程中所以时间也就有可能会更长，并且升温的过程速率也较慢，或者在保护性的升温气氛下要进行二次脱脂，而如此做法将会直接导致它的基本类型更加缓慢地稳定，从而防止在进行脱脂运行过程中所形成的塑料制件而迅速发生断裂。

(4)高温空气烧结：不同的材料对高氧化物烧结的温度以及烧结的气氛不尽相同，但基本和陶瓷相对应的采用传统高温烧结方法形成的工艺也和陶瓷相似，一般氧化铝、氧化锆等高氧化物的陶瓷通常使用高温空气在保护性气氛下进行烧结，而非高温氧化的陶瓷通常在保护性的气氛下进行烧结。

4 3D光固化打印技术的发展趋势

3D光固化打印陶瓷产品的制造技术所需要体现的光固增材料方法及路径与其传统的方式完全不同，在复杂的构架产品通过一体化的生产制造，在降低成本和缩短研发周期等方面都有着独到的特点和优势。而具体运用到光固化陶瓷3D打印产品制造技术，从降低制造成本的方面和生产的效率两个方面的考虑很难完全取代其传统，而最好的制造技术研发就是对于传统的制造工艺方法的一种有效补充。而从目前实际研究和应用的情况分析来看，光固化打印技术与光固化陶瓷打印技术的相互应用及结合已经是相对成熟的，且在未来有着广泛的发展前景。