陶器文化歷史悠久，在新石器時(shí)代就已初見(jiàn)簡(jiǎn)單粗糙的陶器制品。陶瓷的發(fā)明更是人類最早利用化學(xué)變化改變天然性質(zhì)的開(kāi)端，是人類社會(huì)由舊石器時(shí)代發(fā)展到新石器時(shí)代的標(biāo)志之一。

硬而脆的特點(diǎn)使陶瓷材料加工成型尤其困難，傳統(tǒng)陶瓷制備工藝只能制造簡(jiǎn)單三維形狀的產(chǎn)品，而且成本高、周期長(zhǎng)。陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展使復(fù)雜陶瓷產(chǎn)品制作成為可能，3D打印技術(shù)所具有的操作簡(jiǎn)單、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)給陶瓷注入了新的活力。

陶瓷3D打印市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?/span>

據(jù)知名市場(chǎng)研究公司MARKETS AND MARKETS(M&M)發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告顯示，3D打印陶瓷市場(chǎng)的全球規(guī)模有望從2016年的2780萬(wàn)美元增長(zhǎng)至2021年的1.315億美元，期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將高達(dá)29.6%。該報(bào)告還顯示，截至目前，3D打印陶瓷市場(chǎng)份額最大的地區(qū)仍是北美，并有望繼續(xù)領(lǐng)跑；歐洲其次，而亞太地區(qū)則有望后來(lái)居上，在未來(lái)5年里坐擁全球最高的增長(zhǎng)率。主要包含3D打印用陶瓷粉末材料市場(chǎng)、3D打印陶瓷產(chǎn)品市場(chǎng)和相關(guān)設(shè)備、技術(shù)市場(chǎng)等的陶瓷3D打印市場(chǎng)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋科研、醫(yī)療、工業(yè)、建筑及首飾等，尤其是具有許多有利性能的高級(jí)陶瓷材料更是航空航天及國(guó)防等領(lǐng)域需要的材料，而3D打印的陶瓷產(chǎn)品能保證良好的表面質(zhì)量及各種良好性能。近日，科技部發(fā)布的《“十三五”先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》指出，強(qiáng)化制造核心基礎(chǔ)件和智能制造關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，在增材制造、激光制造等領(lǐng)域掌握一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心關(guān)鍵技術(shù)與裝備產(chǎn)品，形成以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的創(chuàng)新發(fā)展模式，促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，以推進(jìn)智能制造為方向，強(qiáng)化制造基礎(chǔ)能力，提高綜合集成水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的跨越。

陶瓷3D打印成型技術(shù)

目前陶瓷3D打印成型技術(shù)主要可以分為噴墨打印技術(shù)(ink-jet printing，IJP)、熔融沉淀技術(shù)(fuseddepositionmodeling，F(xiàn)DM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(laminatedobjectmanufacturing，LOM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(selectivelasersintering，SLS) 和立體光固化技術(shù)(stereolithography apparatus，SLA)。

使用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過(guò)高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件。根據(jù)成型方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展程度也有差距。

01噴墨打印技術(shù)（IJP）

噴墨打印技術(shù)主要分為三維打印和噴墨沉積法。

三維打印是由MIT開(kāi)發(fā)出來(lái)的，首先將粉末鋪在工作臺(tái)上，通過(guò)噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個(gè)層，而后，工作臺(tái)下降，填粉后重復(fù)上述過(guò)程直至做出整個(gè)部件。所用的粘結(jié)劑有硅膠、高分子粘結(jié)劑等。三維打印法可以方便地控制陶瓷坯體的成分和顯微結(jié)構(gòu)，但是坯體需要后處理，而且精度低、強(qiáng)度低。

噴墨沉積法是由Brunel大學(xué)的Evans和Edirisingle研制出來(lái)的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。該工藝的關(guān)鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制約其發(fā)展的因素主要是陶瓷墨水的配置和噴墨打印頭的堵塞。

02漿料擠出成型技術(shù)（類似FDM）

與塑料3D打印的熔融沉積成型（FDM）類似，基本都是由供料輥、導(dǎo)向套和噴頭３個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先熱熔性絲狀材料（混有陶瓷粉末的噴絲）經(jīng)過(guò)供料輥，在從動(dòng)輥和主動(dòng)輥的配合作用下進(jìn)入導(dǎo)向套，利用導(dǎo)向套的低摩擦性質(zhì)使得絲狀材料精準(zhǔn)連續(xù)地進(jìn)入噴頭。材料在噴頭內(nèi)加熱熔化后擠出噴嘴，擠出后的陶瓷高分子復(fù)合材料因?yàn)闇夭疃?，按照設(shè)計(jì)好的原件造型進(jìn)行3D打印。

也有部分工藝采用高粘度的陶瓷漿料作為原材料，直接通過(guò)噴嘴擠出后在空氣中干燥固化。

本技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)多種材料組合，但擠出最小直徑有限，在結(jié)構(gòu)上受到局限，精度較低，比較適用于陶瓷工藝品和多孔材料的生物制造領(lǐng)域。而且需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)、噴頭溫度高，對(duì)于原料的要求高。

03分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）

一種薄片材料疊加工藝，又稱為薄形材料選擇性切割。直接通過(guò)激光切割薄膜材料（含粘結(jié)劑），移動(dòng)升降工作臺(tái)，切割新的一層薄膜材料疊加在之前的一層材料上，在熱粘壓部件的作用下粘結(jié)成型，是一種直接由層到立體零件的過(guò)程。

成型速度快，適合用于制造層狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件；不需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，后期處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單。陶瓷薄片材料可以利用流延法制備得到，國(guó)內(nèi)外對(duì)流延法制備陶瓷薄片材料的技術(shù)也已經(jīng)比較成熟，原料的獲取方便快捷。但是，由于采用的薄膜材料需要進(jìn)行切割疊加，不可避免地產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用率有待提高。同時(shí)打印過(guò)程采用的激光切割增加了打印成本。不適合打印復(fù)雜、中空的零件，層與層之間存在較為明顯的臺(tái)階效應(yīng)，最終成品的邊界需要進(jìn)行拋光打磨處理。

04激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（SLS）

主要通過(guò)壓輥、激光器、工作臺(tái)３個(gè)結(jié)構(gòu)組件相互搭配來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷3D打印。通過(guò)壓輥將粉末鋪在工作臺(tái)上，電腦控制激光束掃描規(guī)定范圍的粉末，粉末中的粘結(jié)劑經(jīng)激光掃描熔化，形成層狀結(jié)構(gòu)。掃描結(jié)束后，工作臺(tái)下降，壓輥鋪上一層新的粉末，經(jīng)激光再次掃描，與之前一層已固化的片狀陶瓷粘結(jié)，反復(fù)操作同一步驟，最終打印出成品。

由于直接對(duì)陶瓷進(jìn)行燒結(jié)比較困難，需在陶瓷粉中加入粘結(jié)劑或者將原料制成覆膜陶瓷的結(jié)構(gòu)。粘結(jié)劑的種類、用量以及加入粘結(jié)劑后的陶瓷密度低、力學(xué)性能差等方面的問(wèn)題一直制約著該技術(shù)的發(fā)展，難以得到高精度、高強(qiáng)度、高致密度的陶瓷零件。同時(shí)，由于使用激光，該技術(shù)打印陶瓷零件成本高、后期維護(hù)較為繁瑣。

05立體光刻技術(shù)（SLA）

又稱光固化成型技術(shù)。根據(jù)光源種類及作用方式的不同，分為激光掃描固化（SLA）和DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）面固化工藝。

SLA技術(shù)是通過(guò)激光的掃描曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化。通過(guò)紫外激光束，按照設(shè)計(jì)好的原件層截面，聚焦到工作槽中的陶瓷光敏樹(shù)脂混合液體，逐點(diǎn)固化，由點(diǎn)及線，由線到面。通過(guò)xy方向固化成面后，通過(guò)升降臺(tái)在ｚ軸方向的移動(dòng)，層層疊加完成三維打印陶瓷零件。

DLP技術(shù)是通過(guò)面光源的投影曝光實(shí)現(xiàn)單層的固化。以能在紫外光下固化的液態(tài)樹(shù)脂為粘結(jié)劑，與陶瓷粉體等原料混合配制出陶瓷漿料，計(jì)算機(jī)根據(jù)每個(gè)截面的輪廓線控制紫外光照射相應(yīng)區(qū)域，漿料很快固化形成一層輪廓，逐層疊加，新固化的一層粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至成型完畢。

光固化成型技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)較為成熟，適用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件，已有公司研發(fā)出光固化3D打印設(shè)備。