陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研發(fā)趨勢(shì)*

石海信 王廷革 王愛榮 梁彩媚 王曉麗 張瑞瑞

(1 欽州學(xué)院 廣西 欽州 535011)(2 廣西欽州千秋陶業(yè)有限公司 廣西 欽州 535000)

陶瓷3D打印，又稱作陶瓷增材制造，是指將需要的陶瓷制品的三維模型文件通過3D打印機(jī)將陶瓷材料逐層疊加精確堆積，迅速制造成所需陶瓷制品的技術(shù)[1]。陶瓷3D打印技術(shù)是將數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多領(lǐng)域的前沿技術(shù)融入到傳統(tǒng)的陶瓷制作工藝中，拓展了傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)潮流，同時(shí)也彰顯了新時(shí)代個(gè)性化創(chuàng)造的活力和潛力，使古老的陶瓷制造業(yè)換發(fā)出新的活力。材料是陶瓷3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約陶瓷3D打印發(fā)展的瓶頸。本文對(duì)陶瓷3D打印的噴擠堆積成形技術(shù)、分層粘合疊加成形技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)以及相應(yīng)的打印材料進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出陶瓷3D打印技術(shù)的研發(fā)趨勢(shì)，為3D打印技術(shù)在陶瓷行業(yè)推廣應(yīng)用提供參考。

1 陶瓷3D打印成形技術(shù)

1.1 成形原理

3D打印實(shí)際上是一系列快速原型成形技術(shù)的統(tǒng)稱，其基本原理就是疊層制造，由快速原型機(jī)在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地作層面厚度的位移，最終形成3D打印件[2]。圖1給出了3D打印技術(shù)基本工作原理圖。

圖1 3D打印技術(shù)基本工作原理示意圖

從圖1可以看出，與傳統(tǒng)制陶工藝(旋轉(zhuǎn)拉坯、注漿成形、手拍成形等)相比，3D打印技術(shù)是將陶瓷坯體的三維實(shí)體加工變?yōu)橛牲c(diǎn)到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過程，極大地降低了制造復(fù)雜度，突破了傳統(tǒng)制坯技術(shù)在形狀復(fù)雜性方面的技術(shù)瓶頸，能夠快速制造出傳統(tǒng)制坯工藝難以加工、甚至無法加工的復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)特征，極大地拓展了陶瓷工藝美術(shù)大師的想象空間，使得制陶大師及工匠對(duì)三維陶瓷器皿天馬行空般的想象力和創(chuàng)造力變得可能付諸實(shí)踐。

1.2 成形技術(shù)

1.2.1 噴擠堆積成形技術(shù)

該技術(shù)利用擠出式噴頭，在持續(xù)壓力作用下，將噴嘴工作腔內(nèi)的牙膏狀泥料持續(xù)不斷地從噴嘴中擠出，在空氣中固化后逐層堆積，最終得到陶瓷坯體[3]。該種打印模式可以采用多個(gè)噴頭，同時(shí)噴射不同的泥料，能打印出具有多種色彩的陶瓷坯體。該技術(shù)最初來源于建筑行業(yè)的3D打印。1997年美國(guó)學(xué)者JosephPegna提出的一種適用于水泥材料逐層累加并選擇性凝固的自由形態(tài)構(gòu)件的建造方法[4]。2001年，美國(guó)南加州大學(xué)教授BehrokhKhoshnevis提出了稱為“輪廓工藝(Contour Crafting)”的建筑3D打印技術(shù)，通過大型3D擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴實(shí)現(xiàn)混凝土的分層堆積打印[5]。以色列火龍理工學(xué)院的Studio Under工作室開發(fā)了一種彩色陶瓷3D打印技術(shù)，將特制的彩色粉末混入陶瓷粘土中，然后用擠出式的3D打印噴頭打印出來，從而得到彩色陶瓷制品[6]。

1.2.2 分層粘合疊加成形技術(shù)

該技術(shù)是通過噴擠粘結(jié)劑來選擇性粘結(jié)陶瓷泥料以實(shí)現(xiàn)陶瓷器皿的堆積成形[7]。該技術(shù)的具體工藝過程為：上一層粘結(jié)完畢后，成形缸下降一個(gè)距離(等于層厚0.013～0.1 mm)，供粉缸上升一高度，推出若干粉末并被鋪粉輥推到成形缸，鋪平并被壓實(shí)，噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面，鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集，如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結(jié)束后比較容易去除。該技術(shù)操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)品具有高孔隙率、原料應(yīng)用范圍廣、支架表面光滑，其缺點(diǎn)是產(chǎn)品力學(xué)強(qiáng)度不高，產(chǎn)品需進(jìn)行后處理等。2007年，英國(guó)Monolite公司的意大利工程師Enrico Dini提出了一種粘結(jié)劑在設(shè)備外逐層選擇性粘結(jié)砂石粉末累積成形即D型(D-shape)，并于2009年成功打印了一座高為1.6 m的雕塑[8]。

1.2.3 選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)

該技術(shù)是將陶瓷粉末和某種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物，通過3D打印成形后，利用激光使熔點(diǎn)較低的粘結(jié)劑粉末熔化，從而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起[9]。具體成形工藝為：3D打印機(jī)送料筒上升，移動(dòng)鋪粉滾筒，在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后由激光器發(fā)出激光束，在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對(duì)部分選定區(qū)域的粉末進(jìn)行燒結(jié)，將有粘結(jié)劑的粉末熔化形成一體化的打印層；第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)將下降一截面層的高度，同時(shí)鋪粉滾筒在已有的打印層上鋪下一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成3D打印產(chǎn)品。該技術(shù)非常適合于以高分子聚合物為基礎(chǔ)，復(fù)合陶瓷、玻璃、纖維、金屬等粉末的復(fù)合材料打印制品的成形。

2 陶瓷3D打印材料

2.1 噴擠堆積成形泥料

2.1.1 稠度

噴擠堆積成形所采用的泥料通常要配制成泥漿，此泥漿要有恰到好處的稠度，因?yàn)榇蛴r(shí)泥料要通過輸送管道輸出，通過3D打印頭擠出成形。稠度過大，則泥漿流動(dòng)性差，容易造成打印輸送管道的堵塞；稠度過小，泥漿流動(dòng)性過大，在打印過程中無法打印堆疊。最好是通過試驗(yàn)尋找合適的泥料配方，使泥料具有剪切稀化性能，泥料在剪切下從噴嘴中平滑擠出，擠出后外力消除泥料恢復(fù)其原有的力學(xué)性能以保持其形狀，并承受后擠出泥料的質(zhì)量。為了保證打印泥料滿足稠度要求，可考慮在泥料中添加減水劑，以使泥漿具有合適的稠度。Wang等[10]利用3D打印技術(shù)進(jìn)行了陶瓷部件的漿料打印成形實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了鈦酸鋇陶瓷在不同剪切速率和不同溫度下的粘度值，發(fā)現(xiàn)在不同溫度下鈦酸鋇漿料的粘度值沒有顯著差別。研究表明，鈦酸鋇陶瓷具有很好的耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性，有利于陶瓷材料在3D打印中的應(yīng)用。

2.1.2 凝結(jié)時(shí)間

泥料需要有較短的凝結(jié)時(shí)間，因?yàn)?D打印過程迅速，在打印過程中新疊加的上層泥料會(huì)對(duì)下層泥料產(chǎn)生重力作用，當(dāng)上層泥料堆積過多而下層泥料還沒有完全凝結(jié)硬化，就沒有足夠的支撐強(qiáng)度，則已成形的坯體就會(huì)發(fā)生變形?？煽紤]在泥料中添加速凝劑，以調(diào)節(jié)或縮短泥漿的凝結(jié)時(shí)間。

2.1.3 力學(xué)性能

傳統(tǒng)陶瓷制品多數(shù)是以拉坯工藝制作的、以圓形器物為主的整體為曲線圓滑過渡，有利于消除坯品應(yīng)力，減少因泥料收縮率大而造成燒制過程中棱角處開裂現(xiàn)象[11]。而3D打印作品可具有更靈活的創(chuàng)新，能隨意可打印出多棱角產(chǎn)品，此類產(chǎn)品應(yīng)力較大，極容易造成制成品因應(yīng)力作用而開裂。所以，在改良傳統(tǒng)陶瓷泥料時(shí)，要設(shè)法減少泥料收縮率，以避免應(yīng)力對(duì)陶瓷制品整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

2.2 粘合類成形泥料

粘合類泥料由陶瓷粉末，如氧化鋁(Al2O3)、硅酸鋁(Al2SiO5)、氧化鋯(ZrO2)、羥基磷灰石(HAP)以及粘合劑等構(gòu)成[12]，不同泥料與粘合劑組合時(shí)，要嚴(yán)格控制陶瓷粉末和粘合劑粉末比例，因?yàn)椴煌呐浔葧?huì)影響到陶瓷零部件的性能，如粘合劑含量較少時(shí)，難以燒結(jié)成形，粘合劑含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致后處理過程中陶瓷產(chǎn)品出現(xiàn)較大收縮，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使陶瓷制品表面開裂。同時(shí)還應(yīng)控制陶瓷顆粒的尺寸大小，陶瓷顆粒越小，表面越接近球形，燒結(jié)效果越好[13]。

2.3 復(fù)合材料

陶瓷3D打印所用的復(fù)合材料主要由陶瓷與光敏樹脂復(fù)配而成。美國(guó)Tethon 3D公司推出的Porcelite材料，就是一種結(jié)合了陶瓷材料的光敏樹脂[14]，它既可以像其他光敏樹脂一樣，在立體光造型(SLA)打印機(jī)中通過UV光固化工藝成形，而在3D打印出來之后，又可以像陶坯那樣放進(jìn)窯爐里通過高溫煅燒變成100%的瓷器。最重要的是，這樣處理之后的成品不僅具有瓷器所特有的表面光澤度，而且還保持著光固化3D打印所賦予的高分辨率細(xì)節(jié)。

3 研發(fā)趨勢(shì)

陶瓷3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)陶瓷制作工藝與現(xiàn)代智能制造技術(shù)的完美結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)提供了智能陶瓷制造的新方法、新工藝及新技術(shù)，給傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)注入新的活力。誠(chéng)然，由于該技術(shù)在陶瓷行業(yè)應(yīng)用時(shí)間較短，還存在著諸如變形開裂等問題。為了更好地利用與發(fā)展陶瓷3D打印技術(shù)，未來可從以下3個(gè)方面加強(qiáng)研究。

3.1 打印材料與成形工藝?yán)碚撗芯?/h3>

國(guó)外3D打印技術(shù)是基于理論基礎(chǔ)的打印工藝控制，而國(guó)內(nèi)更多的是依賴于經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致我國(guó)增材制造工藝關(guān)鍵技術(shù)整體上落后于國(guó)外先進(jìn)水平。對(duì)于陶瓷3D打印技術(shù)來說，要根據(jù)陶瓷材料特點(diǎn)，深入開展成形工藝與泥料組成之間關(guān)系的理論研究，尋找陶瓷3D打印泥料組成-打印工藝參數(shù)-產(chǎn)品性能指標(biāo)的“關(guān)系數(shù)據(jù)鏈”[15]，開發(fā)泥料質(zhì)量測(cè)試程序和方法，建立陶瓷3D打印產(chǎn)品性能(質(zhì)量)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)陶瓷3D打印技術(shù)的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、綠色化。

3.2 智能化打印裝備研究

目前陶瓷3D增材制造裝備在軟件功能和復(fù)雜器皿一體化打印方面還有許多問題需要優(yōu)化。例如，陶瓷制品中的壺類(如提樑壺上方的抓手、茶壺邊上的把手及壺嘴等)采用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印時(shí)，如何添加工藝支撐等結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)抓手、壺嘴等懸臂類組件的制備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷3D坯體在質(zhì)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、翹曲變形方面的控制，并使打印完成后的粉料或支撐物自動(dòng)地智能化去除。再如，利用復(fù)合材料進(jìn)行陶瓷產(chǎn)品打印時(shí)，如何將復(fù)合材料組織設(shè)計(jì)與外觀形狀設(shè)計(jì)能在微觀到宏觀尺度上同步制造，以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷產(chǎn)品“材料-設(shè)計(jì)-制造”的-體化生產(chǎn)[16～17]。諸如此類問題的攻克將會(huì)使陶瓷智能化3D打印設(shè)備得以走向普及。

3.3 外觀設(shè)計(jì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)研究

陶瓷3D打印技術(shù)的意義，不僅在于改變了傳統(tǒng)陶瓷制作所必須經(jīng)歷的原料煉制、坯體成形、坯體裝飾、燒制成形等工藝，而且也在一定程度上影響了陶瓷產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)規(guī)則。該技術(shù)的出現(xiàn)，使陶瓷行業(yè)的成功不再取決于生產(chǎn)規(guī)模，而取決于創(chuàng)意。然而，單靠創(chuàng)意也是很危險(xiǎn)的，由于3D打印直接從圖形到實(shí)物的特點(diǎn)，無論是創(chuàng)作者還是模仿者，均可以在不需要了解產(chǎn)品技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下，僅憑借對(duì)產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)的描述，就能制造出相應(yīng)的產(chǎn)品[18]，創(chuàng)作者競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的獲得和保持將變得前所未有的困難，從而嚴(yán)重地打擊創(chuàng)作者創(chuàng)新的積極性。因此，陶瓷3D打印成形工藝設(shè)計(jì)或產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)需要研究相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方案，以使陶瓷3D打印作品能有經(jīng)典之作傳承下來，從知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)角度助推陶瓷3D打印技術(shù)健康有序發(fā)展。