3D打印陶瓷在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

周俊良 常鴻祥 陳相序

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100029 )

陶瓷材質(zhì)具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。但其也具有難于加工成復(fù)雜形狀，制作周期長，尤其不適合制作復(fù)雜幾何形體的缺點(diǎn)。如制作鏤空的球體，或者是特殊的幾何形體，在設(shè)計(jì)中某些部分往往不適合機(jī)械加工，需要復(fù)雜的后期處理手段(特定花紋或造型必須使用昂貴的碳化物或鉆石等工具才能加工)。近年來，隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)越來越成熟，人們對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注也在逐步增加，3D打印技術(shù)現(xiàn)已可以實(shí)現(xiàn)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[2]。 首先通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，再利用配套的自動(dòng)化裝備進(jìn)行3D逐層打印，使陶瓷材料能夠快速成形，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、數(shù)碼產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

陶瓷3D打印技術(shù)能使陶瓷生產(chǎn)比傳統(tǒng)方法節(jié)省90%的時(shí)間。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以節(jié)約時(shí)間，還可以讓設(shè)計(jì)人員突破傳統(tǒng)陶瓷的形狀束縛，展開更為廣泛的想象空間，還可以使用多種多樣的陶瓷材料，從硬度較低的氧化鋁陶瓷到非常堅(jiān)硬抗磨的氧化鋯陶瓷。這些陶瓷可耐受1 500～1 700 ℃的高溫，介電強(qiáng)度可達(dá)150 V/mm。氧化鋁陶瓷材料不僅耐磨、耐腐蝕，并且是較為理想的機(jī)械制造原料。

1 3D打印陶瓷材料

目前我國可應(yīng)用于3D打印的陶瓷材料還十分有限，尚處于研制狀態(tài)的3D打印陶瓷材料主要有：

1)氧化鋁陶瓷(Al2O3)。它具有高強(qiáng)度、高硬度、致密的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕度高、硬度高、耐磨性好、出色的介電強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)量最大的陶瓷材料。 它主要在高磨擦環(huán)境(如噴砂處理)中用作噴頭；在高溫環(huán)境(如焊接設(shè)備)中用作氣槍保護(hù)蓋；在腐蝕環(huán)境(如汽車制造的敲擊感應(yīng)器安裝)中用作基座。如果采用傳統(tǒng)的工藝，則過程繁瑣，耗時(shí)耗力，成本昂貴，采用3D打印技術(shù)，將氧化鋁陶瓷作為打印材料制作零部件，將會(huì)具有使生產(chǎn)成本下降、生產(chǎn)周期縮短、大規(guī)模量產(chǎn)、造型豐富等優(yōu)點(diǎn)。

2)磷酸三鈣陶瓷(可控性微結(jié)構(gòu)多孔生物陶瓷)。它是一種多孔生物陶瓷，具有生物相容性、親水性好，原料的化學(xué)成分接近骨的無機(jī)成分，無毒無致癌不良反應(yīng)，生命力學(xué)強(qiáng)度佳，體內(nèi)降解吸收，組織傳導(dǎo)作用等特點(diǎn)。將其作為3D 打印材料，制作人工骨骼作為骨修復(fù)三維支架，在醫(yī)療領(lǐng)域里具有較好的應(yīng)用前景(見圖1)。

圖1 多孔生物陶瓷

3)有機(jī)前驅(qū)體基陶瓷材料。該材料不但能夠承受較高的使用溫度(>2 000 ℃)，而且還具有低密度、優(yōu)異的抗氧化抗燒蝕性能、良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，從而成為制備陶瓷材料的新方法。

4)碳硅化鈦陶瓷(Ti3SiC2)。它具有層狀的六方晶體結(jié)構(gòu)，在生物、醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用，兼具金屬材料的高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、良好的延展性、塑性和陶瓷材料的高強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對(duì)碳硅化鈦陶瓷的制備已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。

制備碳硅化鈦陶瓷的方法主要有自蔓延高溫合成法 (SHS)、熱等靜壓法 (HIP)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、固相反應(yīng)(SR)、放電等離子燒結(jié)(SPS)和熱壓法(HP)等。但是采用這些制備方法都需要在前期制作相應(yīng)的成形模具，其成本高、制作周期長、靈活性差，不利于制作性狀復(fù)雜、中空的零件。利用3D打印技術(shù)制備Ti3SiC2陶瓷則可以有效地克服上述缺點(diǎn)[4]。

綜合上述幾種材料性能可以得出，3D打印陶瓷技術(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)陶瓷技術(shù)所不能達(dá)到的，可以形成一種更為高效的方式，如使成本下降、周期縮短、大規(guī)模量產(chǎn)、造型豐富等。

2 陶瓷在現(xiàn)在產(chǎn)品中的運(yùn)用

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，材質(zhì)是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，它可以直接影響產(chǎn)品本身的使用觸感。什么類型的產(chǎn)品，適合什么類型的材質(zhì)，在什么樣的情景模式下與使用者發(fā)生怎樣的關(guān)系，這都是一個(gè)產(chǎn)品材質(zhì)誕生需要的考慮的因素。一件好的陶瓷產(chǎn)品是由功能效用、工藝技術(shù)和形式美3方面構(gòu)成其基礎(chǔ)評(píng)判體系[5]。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，材質(zhì)主要分為金屬、塑料、木竹、陶瓷、纖維、皮革、玻璃等，而陶瓷產(chǎn)品在人們心中的印象，往往是以藝術(shù)品為主，這是因?yàn)樘沾僧a(chǎn)品價(jià)格昂貴，所需要的人工成本比較高、制作過程繁瑣、周期長等，還因其材質(zhì)所能達(dá)到的韌性、抗摔性、抗腐蝕性、厚度等都受制約，所以陶瓷材質(zhì)的科技產(chǎn)品并不多見。

隨著塑料材質(zhì)在手機(jī)市場的逐漸被淘汰，金屬機(jī)身不能進(jìn)行無線充電，玻璃機(jī)身的一體性又較差，因此陶瓷手機(jī)(見圖2)的優(yōu)越性能突顯，但目前小米公司所做的陶瓷手機(jī)是“Unibody全陶瓷”，簡單來說就是一體成形機(jī)身工藝，是一種將陶瓷擠壓成板材，然后通過數(shù)控機(jī)床一體成形的機(jī)械加工技術(shù)。這種技術(shù)對(duì)機(jī)床精度要求高，初期設(shè)備投入大。每一塊“Unibody全陶瓷”都要經(jīng)過1 400 ℃高溫 7 d燒結(jié)；兩層樓高的設(shè)備，240 t沖壓成形；金剛砂刀頭0.01 mm反復(fù)雕琢，每加工一部手機(jī)，都要更換刀頭。它雖然較傳統(tǒng)陶瓷有了突破，但是周期還是較長，抗摔性也較差。

近年來，陶瓷材質(zhì)取得了進(jìn)一步發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐步變成了可消費(fèi)的技術(shù)，3D打印陶瓷可以更廣泛地進(jìn)入人們的生活，如3D打印陶瓷材質(zhì)的手機(jī)，逃脫了傳統(tǒng)陶瓷的多種步驟(練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、彩繪、釉色變化等)，只需要將產(chǎn)品數(shù)字建模出來，使用我們前面所說的材質(zhì)進(jìn)行3D打印，很快一個(gè)產(chǎn)品就可以出現(xiàn)在我們的面前，不需要傳統(tǒng)的燒制、晾曬等多個(gè)步驟，即可得到所需要的形狀，并且這個(gè)形狀可是有機(jī)、精確的，設(shè)計(jì)師可以反復(fù)修改的。

圖2 使用陶瓷材料作后蓋的手機(jī)

3D打印陶瓷還可應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，可以根據(jù)人體的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行私人訂制植入型的骨骼或者牙齒等。通過3D打印個(gè)體化制備的植入物進(jìn)行組織缺損的修復(fù)，可以大大提高外科手術(shù)的精確性與安全性。

奧地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印設(shè)備可以打印出滿足這一醫(yī)療需求的骨骼植入體?；谠霾闹圃焖枷耄琇ithoz公司研發(fā)了獨(dú)特而優(yōu)秀的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的方法。LCM技術(shù)(基于光刻技術(shù)的陶瓷3D打印)，使快速經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)高性能陶瓷功能件成為可能，材料性能不低于使用傳統(tǒng)模式大批量生產(chǎn)的部件。Lithoz公司的LCM技術(shù)3D陶瓷打印設(shè)備可以制備出多種孔尺度與復(fù)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷制品，如可以制備出作為骨骼植入體的生物陶瓷支架磷酸三鈣樣件，也具有很好的生物相容性，且在各種性能上可達(dá)到傳統(tǒng)工藝制造出的同樣部件。

在歐洲，奧地利Lithoz公司與蘇黎世醫(yī)科大學(xué)合作研究，打印用于治療骨腫瘤的可降解的TCP支架，并進(jìn)行植入實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物體內(nèi)的支架在植入10 d后被結(jié)締組織包裹，沒有炎癥產(chǎn)生。骨質(zhì)缺損患者將會(huì)看到康復(fù)的希望。通過高精度陶瓷3D打印設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)高精度(最小特征尺寸：<150 μm)、高純度(>99,4% T D) 、高強(qiáng)度、高時(shí)效高性價(jià)比；可以實(shí)現(xiàn)沒有工具成本和成形成本，可達(dá)到快速生產(chǎn)的目的。這不僅成功地解決了傳統(tǒng)3D打印生物陶瓷支架的孔尺度與孔結(jié)構(gòu)可控性不高的問題，而且可以通過設(shè)備軟件精確的計(jì)算出需要放大的燒結(jié)尺寸，以保證樣品進(jìn)行燒結(jié)收縮后，達(dá)到符合原始設(shè)計(jì)的尺寸。LCM技術(shù)對(duì)于陶瓷打印制品的形狀沒有限制，不僅可以實(shí)現(xiàn)新的形狀設(shè)計(jì)和產(chǎn)品功能蜂窩細(xì)胞結(jié)構(gòu)，也可生產(chǎn)薄壁結(jié)構(gòu)(低于150 μm)。

3 3D陶瓷的未來發(fā)展方向

目前，雖然3D 打印陶瓷市場發(fā)展前景較好，但在我國在處于起步階段，原創(chuàng)技術(shù)缺乏、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)鏈不健全等因素制約了國內(nèi)3D 打印陶瓷市場的進(jìn)一步發(fā)展，在技術(shù)與設(shè)備上還不如一些發(fā)達(dá)國家。 但是國內(nèi)的企業(yè)與高校正在積極地研制適用于3D陶瓷打印機(jī)和打印的專用原料，在向國內(nèi)外客戶提供服務(wù)的同時(shí)，自身也取得飛速的發(fā)展。因此，3D陶瓷打印正在成為熱門產(chǎn)業(yè)，3D技術(shù)與陶瓷之間的連接關(guān)系將會(huì)越來越緊密，我們也應(yīng)該將傳統(tǒng)的工藝與材質(zhì)進(jìn)行新的思路解析，通過創(chuàng)新使我國在產(chǎn)品材質(zhì)上有更進(jìn)一步的飛躍。除此之外，相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)也不容忽視。

4 結(jié)語

筆者從3個(gè)方面分析了目前我國3D打印陶瓷，在材質(zhì)方面，目前某一種材質(zhì)只能打印應(yīng)用于某一個(gè)打印設(shè)備，尚未有適合各種打印設(shè)備的材質(zhì)出現(xiàn)，而且進(jìn)入消費(fèi)者手中的3D打印陶瓷產(chǎn)品較少。3D陶瓷的未來發(fā)展需要的是更加尖端的設(shè)備、材料，但最需要的是創(chuàng)造和設(shè)計(jì)這些的人才，政府還應(yīng)該牽頭企業(yè)與高校聯(lián)合培養(yǎng)人才計(jì)劃，為其提供更多的基金支持。掌握了3D打印技術(shù)的核心就等于抓住了未來制造業(yè)的命脈，3D打印帶我們邁向新的工業(yè)時(shí)代，我們應(yīng)抓住這個(gè)機(jī)遇，結(jié)合自身優(yōu)勢大力發(fā)展3D打印技術(shù)。