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浅析陶瓷3D打印技术
陶瓷3D打印技术的发展使复杂陶瓷产品制备成为可能，3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给陶瓷注入了新的活力。
陶瓷是一种传统的无机材料，精美实用，已经有了上千年的历史。硬而脆的特点使陶瓷材料加工成形尤其困难，传统陶瓷制备工艺只能制造简单三维形状的产品，而且成本高、周期长。陶瓷的发展使复杂陶瓷产品制备成为可能，技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给陶瓷注入了新的活力。国外已有很多研究，出现了3DCeram、Lithoz等专注陶瓷3D打印的公司。目前国内陶瓷3D打印技术还不够成熟，清华大学、西安交通大学等科研单位正在钻研，也涌现出了十维科技等敢于探索的企业。材料及应用陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，是三大固体材料之一。目前陶瓷3D打印制备的主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、磷酸钙陶瓷等。用途广泛的陶瓷材料陶瓷3D打印可以制备结构复杂、高精度的多功能陶瓷，在建筑、工业、医学、航天航空等领域将会得到广泛的应用，在陶瓷形芯、骨科替代物、催化器等方向具有很好的应用前景，将给我们的生活带来巨大改变。配料根据成形技术和最终的性能要求，选择合适的原材料，一般包括陶瓷粉末、粘结剂、添加剂，按一定比例混合均匀。用于3D打印的陶瓷材料形态包括：浆料，陶瓷成分与其他溶剂及添加剂的混合物，通过物理、化学的方式成形；陶瓷丝材，用于熔融堆积工艺；陶瓷粉末，陶瓷粉末、矿化物、粘结剂等的混合物，用于激光烧结、粘接等；陶瓷薄片，片压成形、粘接。3D打印成形使用3D打印技术实现陶瓷零件成形，得到特定形状结构的陶瓷坯体。具体方法见后文对各种陶瓷3D打印成形技术的介绍。坯体后处理对陶瓷坯体进行清洗、表面增强、修复、干燥等后处理，使坯体的强度、精度等性能达到要求，有利于之后的热处理环节。脱脂和烧结将完好的坯体放入炉子中，按照设定好的温度制度、焙烧气氛和压力进行热处理。这个过程分为两个阶段：加热到600多℃脱去坯体中的有机物，这是十分敏感容易出现缺陷的阶段；加热到1000多℃实现致密化、形成陶瓷，这是晶粒长大、晶界形成、实现陶瓷强度的过程，决定着制品的最终性能。烧结完成等冷却后便可得到最终的陶瓷产品了。陶瓷3D打印成形技术目前陶瓷3D打印成形技术主要可以分为喷墨打印技术(IJP)、熔融沉淀技术()、分层实体制造技术(LOM)、选择性激光烧结技术(SLS) 和立体光固化技术()。使用这些技术打印得到的陶瓷坯体经过高温脱脂和烧结后便可得到陶瓷零件。根据成形方法和使用原料的不同，每种打印技术都有自己的优缺点，发展程度也有差距。喷墨打印技术（IJP）主要分为三维打印和喷墨沉积法。 三维打印是由MIT开发出来的，首先将粉末铺在工作台上，通过喷嘴把粘结剂喷到选定的区域，将粉末粘结在一起，形成一个层，而后，工作台下降，填粉后重复上述过程直至做出整个部件。所用的粘结剂有硅胶、高分子粘结剂等。三维打印法可以方便地控制陶瓷坯体的成分和显微结构，但是坯体需要后处理，而且精度低、强度低。喷墨沉积法是由Brunel大学的Evans和Edirisingle研制出来的，它是将含有纳米陶瓷粉的悬浮液直接由喷嘴喷出以沉积成陶瓷件。该工艺的关键是配置出分散均匀的陶瓷悬浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2、Al2O3等。制约其发展的因素主要是陶瓷墨水的配置和喷墨打印头的堵塞。浆料挤出成形技术（类似FDM）与塑料3D打印的熔融沉积成形（FDM）类似，基本都是由供料辊、导向套和喷头３个结构组件相互搭配来实现。首先热熔性丝状材料（混有陶瓷粉末的喷丝）经过供料辊，在从动辊和主动辊的配合作用下进入导向套，利用导向套的低摩擦性质使得丝状材料精准连续地进入喷头。材料在喷头内加热熔化后挤出喷嘴，挤出后的陶瓷高分子复合材料因为温差而凝固，按照设计好的原件造型进行3D打印。也有部分工艺采用高粘度的陶瓷浆料作为原材料，直接通过喷嘴挤出后在空气中干燥固化。本技术虽然可以实现多种材料组合，但挤出最小直径有限，在结构上受到局限，精度较低，比较适用于陶瓷工艺品和多孔材料的生物制造领域。本技术需要设置支撑结构、喷头温度高、对于原料的要求高。分层实体制造技术（LOM）一种薄片材料叠加工艺，又称为薄形材料选择性切割。直接通过激光切割薄膜材料（含粘结剂），移动升降工作台，切割新的一层薄膜材料叠加在之前的一层材料上，在热粘压部件的作用下粘结成形，是一种直接由层到立体零件的过程。成形速度快，适合用于制造层状复杂结构零件；不需要设置支撑结构，后期处理过程比较简单。陶瓷薄片材料可以利用流延法制备得到，国内外对流延法制备陶瓷薄片材料的技术也已经比较成熟，原料的获取方便快捷。但是，由于采用的薄膜材料需要进行切割叠加，不可避免地产生大量材料浪费的现象，利用率有待提高。同时打印过程采用的激光切割增加了打印成本。不适合打印复杂、中空的零件，层与层之间存在较为明显的台阶效应，最终成品的边界需要进行抛光打磨处理。激光选区烧结技术（SLS）主要通过压辊、激光器、工作台３个结构组件相互搭配来实现陶瓷3D打印。通过压辊将粉末铺在工作台上，电脑控制激光束扫描规定范围的粉末，粉末中的粘结剂经激光扫描熔化，形成层状结构。扫描结束后，工作台下降，压辊铺上一层新的粉末，经激光再次扫描，与之前一层已固化的片状陶瓷粘结，反复操作同一步骤，最终打印出成品。由于直接对陶瓷进行烧结比较困难，需在陶瓷粉中加入粘结剂或者将原料制成覆膜陶瓷的结构。粘结剂的种类、用量以及加入粘结剂后的陶瓷密度低、力学性能差等方面的问题一直制约着该技术的发展，难以得到高精度、高强度、高致密度的陶瓷零件。同时，由于使用激光，该技术打印陶瓷零件成本高、后期维护较为繁琐。
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SLS（选择性激光烧结）技术详解(1)
　　SLS技术是高端制造领域普遍应用的技术。最初由美国德克萨斯大学的研究生C.R.
Dechard提出，并于1989年研制成功。凭借这一核心技术，他组建了DTM公司，之后一直成为SLS技术的主要领导企业，直到2001年被3D
Systems公司完整收购。几十年来，德克萨斯大学的DTM公司的科研人员在SLS领域做了大量的研究工作，并在设备研制、工艺和材料研发上取得了丰硕的成果。　　国内方面，已有多家单位开展了对SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、以及北京和湖南的3D打印企业，取得了许多重大成果。今天就跟你分享3D打印领域中的SLS技术。　　1 SLS原理　　选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)技术由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.
Dechard发明，主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。　　SLS的工作过程与3DP相似，都是基于粉末床进行的，区别在于3DP是通过喷射粘结剂来粘结粉末，而SLS是利用红外激光烧结粉末。先用铺粉滚轴铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。　　　　SLS激光烧结成型工艺原理图　　　　SLS工艺原理　　激光烧结技术是成型原理最复杂，条件最高，设备及材料成本最高的3D打印技术之一，但也是目前对3D打印技术发展影响最为深远的技术。从理论上来说，任何加热后能够形成原子间黏结的粉末材料都可以被用来作为SLS的成型材料，目前，已可成熟运用于SLS设备打印的材料主要有石蜡、尼龙、金属、陶瓷粉末和它们的复合材料。　　　　SLS打印内部演示　　2 SLS优势&技术限制　　SLS优势：　　1.可使用材料广泛。可使用的材料包括尼龙、聚苯乙烯等聚合物，铁、钛、合金等金属、陶瓷、覆膜砂等;　　2.成型效率高。由于SLS技术并不完全熔化粉末，而仅是将其烧结，因此a制造速度快;　　3.材料利用率高。未烧结的材料可重复使用，材料浪费少，成本较低;　　4.无需支撑。由于未烧结的粉末可以对模型的空腔和悬臂部分起支撑作用，不必像FDM和SLA工艺那样另外设计支撑结构，可以直接生产形状复杂的原型及部件;　　5.应用面广。由于成型材料的多样化，可以选用不同的成型材料制作不同用途的烧结件，可用于制造原型设计模型、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。　　SLS技术限制：　　1. 原材料价格及采购维护成本都较高。　　2.
机械性能不足。SLS成型金属零件的原理是低熔点粉末粘结高熔点粉末，导致制件的孔隙度高，机械性能差，特别是延伸率很低，很少能够直接应用于金属功能零件的制造。　　3.
需要比较复杂的辅助工艺。由于SLS所用的材料差别较大，有时需要比较复杂的辅助工艺，如需要对原料进行长时间的预处理(加热)、造成完成后需要进行成品表面的粉末清理等。
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揭秘SLS粉末选择性激光烧结3D打印技术
南京?小不点 3D 打印揭秘 SLS 粉末选择性激光烧结 3D 打印技术SLS 技术概念 SLS 技术，全称为粉末材料选择性激光烧结（Selected Laser Sintering） ，是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，以逐层添加方式成形三 维零件的一种快速成型方法。一、SLS 技术历史SLS 分层制造技术是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 C.R. Dechard 于 1989 年研制成功。目前德国 EOS 公司推出了自己的 SLS 工艺成形机 EOSINT， 分为适用于金属、 聚合物和砂型三种机型。我国的北京隆源自动成形系统有限公 司和华中科技大学也相继开发出了商品化的设备。二、SLS 技术的成型原理SLS 技术的成型原理是：在开始加工前，需要把充有氮气的工作室升温，并 保持在粉末的熔点以下。成型时，送料桶上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上 铺一层粉末材料， 然后激光束在计算机的控制下按照截面轮廓对实心部分所在的 粉末进行烧结，使粉末融化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作太 下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，依次循环，从而形成 所打印的模型。三、SLS 技术所需耗材SLS 技术目前可以使用的打印耗材有尼龙粉末、PS 粉末、PP 粉末、金属粉 末、陶瓷粉末、树脂砂和覆膜砂。四、SLS 技术应用范围SLS 技术不光可以运用于快速模型的制造， 而且还可用于产品的小批量生产。五、SLS 技术的优缺点南京?小不点 3D 打印1.SLS 技术的优点 ①能生产较硬的模具; ②可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等; ③零件的构建时间短，可达到 1in/h 高度; ④无需设计和构造支撑。 2.SLS 技术的缺点 ①有激光损耗，需要专门实验室环境，使用及维护费用高昂; ②需要预热和冷却，后处理麻烦； ③成型表面受粉末颗粒大小及激光光斑的限制; ④加工室需要不断充氮气，加工成本高; ⑤成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。六、SLS 技术打印过程SLS 工艺因为材料不同，具体的烧结工艺也是不同的。 1.高分子粉末材料烧结工艺 高分子粉末材料为例， 此材料的烧结工艺过程可以分为前处理、粉层烧结叠 加和后处理三个阶段： ①前处理主要是利用设计软件设计出三维 CAD 造型， 静 STL 数据转换后输 入到粉末激光烧结快速成型系统中。 ②第二阶段就是粉层激光烧结叠加：设备根据原型的结构特点，设定具体的 制造参数， 设备自动完成原型的逐层粉末烧结叠加过程。当所有叠层自动烧结叠 加完成之后就需要把制造的原型在成型缸中冷却至 40℃一下，把原型捞出进行 后期处理。 ③后期处理： 因为制造出的模型强度很弱，所以在整个后期处理过程中需要 进行渗蜡或者渗树脂进行补强处理。 2.金属零件间接烧结工艺 金属零件间接烧结工艺分为三个阶段：SLS 原型件的制作、粉末烧结件的制 作、金属熔渗后处理。 SLS 原型件的制作包括 CAD 建模、分层切片、激光烧结、原型。此阶段的南京?小不点 3D 打印关键在于， 如何选用合理的粉末配比和加工工艺参数实现原型件的制作。 “褐件” 制作阶段过程为二次烧结 （800℃） ――三次烧结 （1080℃） ， 此阶段的关键在于， 烧失原型件中的有机杂质获得具有相对准确形状和强度的金属结构体。 金属熔渗 阶段过程为二次烧结（800℃）――三次烧结（1080℃）――金属熔渗――金属 件。 此阶段的关键在于， 选用合适的熔渗材料及工艺， 以获得较致密的金属零件。 3.SLS 工艺的金属零件直接制造工艺 SLS 工艺的金属零件直接制造工艺流程为：CAD 模型――分层切片――激 光烧结（SLS）――RP 原型零件――金属件。七、SLS 工艺中影响模型精度的因素在利用 SLS 工艺制造原型件的过程中， 容易影响原型件精度的因素有很多， 比如 SLS 设备精度误差、 CAD 模型切片误差、 扫描方式、 粉末颗粒、 环境温度、 激光功率、扫描速度、扫描间距、单层层厚等。其中烧结工艺参数对精度和强度 的影响是很大的。另外，预热不均也会导致原型件精度变差。 ①激光功率：随着激光功率的增加，尺寸误差正方向增大，并且厚度方向的 增大趋势要比宽度方向的尺寸误差大。 ②扫描速度： 当扫描速度增大时， 尺寸误差向负向误差方向减小， 强度减小。 ③烧结间距：随着扫描间距的增大，尺寸误差向负差方向减小。 ④单层厚度：随着单层厚度的增加，强度减小，尺寸误差向复查方向减小。八、SLS 技术发展前景SLS 工艺自发明以来，十几年的时间里，在各个行业得到了快速的发展，其 主要是用于快速制造模型，利用制造出来的模型进行测试，以提高产品的性能， 同时，SLS 技术还用于制作比较复杂的零件。虽然，SLS 技术得到了一些行业广 泛的应用， 但在未来发展中， SLS 技术还应该加强成型公寓和设备的开发与改进， 寻找更有利 SLS 技术的新材料、研究 SLS 技术制造模型的新手段以及 SLS 技术 的后处理工艺的优化。随着 SLS 技术的发展，新的工艺以及材料的发现，会对 未来的制造业产生巨大的推动作用的。
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