陶瓷3D打印：制造業的一場革命？

魔猴君  知識堂   120天前

陶瓷的使用可以追溯到古希臘，最初是為了開發食品用的罐子或盤子而創建的，通常由在高達500度的溫度下燒制的粘土制成。到19世紀末，這些材料的特性在工業中被發現：它們特別為電機提供有趣的熱絕緣和電絕緣。由于其悠久的歷史，陶瓷3D打印在市場上備受期待，因為陶瓷材料具有傳統技術無法利用的機械性能和高分辨率幾何形狀。

根據MarketDigits 2024年4月發布的市場研究報告，2023年陶瓷3D打印市場價值為2.7億美元，預計到2032年將達到26億美元，在分析期間增長28.6%。這是一種不斷發展的制造技術，與聚合物或金屬工藝相比，仍然是一個利基市場。但陶瓷3D打印使得獲得精確、耐用和技術性的零件成為可能，具體取決于所選材料。我們邀請您回顧陶瓷增材制造的基礎知識及其在該領域的地位。

圖片1

不同類型的陶瓷

從歷史上看，在談論陶瓷材料制造時，粘土是最常用的材料，特別是因為它是一種天然材料，幾乎在任何環境中都很容易找到。隨著材料的發展，新的制造可能性已經出現。目前陶瓷有多種類型：最常見的是我們日常環境中使用的陶瓷，如餐具、瓷磚等。另一方面，我們有用于建筑的結構陶瓷，例如瓷磚或磚塊；涂料用耐火陶瓷；最后是技術陶瓷，它匯集了具有高機械、耐熱、化學和電阻性能的材料。

最后一個系列在增材制造領域特別受歡迎，因為它為使用它的行業提供了非常有趣的特性。必須考慮兩個主要類別：氧化物和非氧化物，它們因其化學成分而具有不同的特性。這些技術陶瓷有多種形式：長絲、粉末、樹脂，這將影響打印工藝的選擇。其中最受歡迎的是氧化鋁，它因其硬度和耐高溫性而備受推崇。和氧化鋯具有非常好的機械性能。

圖片2：粘土在3D打印中被大量使用（照片來源：Femke Rijerman）

陶瓷3D打印工藝

粉末與陶瓷的粘接

20世紀90年代初，麻省理工學院發明了粉末粘合技術，隨后被Z Corporation接管，Z Corporation于2012年被3D Systems收購。該技術包括使用粘合劑固化粉末-該技術的優點之一是能夠生產完整的粉末。-沒有打印支撐的彩色部件。粉末可以是陶瓷的，一層一層地形成所需的部件。

Tecnalia Research&Innovation是Destkop Metal粘合劑噴射機的用戶，主要生產碳化硅零件。項目經理兼小組負責人I?igo Agote證實：“燒結后，我們獲得的零件密度與傳統制造的商業零件相當。此外，材料的硬度和斷裂強度也相似。”

陶瓷材料的立體光刻和光聚合

立體光刻技術是增材制造領域的另一種流行技術。她很晚才開始對陶瓷表現出興趣，但現在已被廣泛使用，提供了高水平的精度和細節。如果我們拓寬范圍，DLP技術（使用視頻投影儀而不是激光作為熱源）也與陶瓷兼容。

就市場參與者而言，與粉末粘合工藝相比，還有更多——僅在法國，我們就可以引用光聚合陶瓷3D打印先驅之一的3DCeram，甚至Prodways。在工業機器領域，Lithoz、Admatec和3D Systems提供陶瓷樹脂3D打印解決方案。最后，桌面3D打印機領域目前發展良好，我們可以談論像Formlabs或Tethon 3D這樣的制造商。目標是讓陶瓷零件的設計變得更加簡單且更加經濟實惠。

圖片3：3DCeram C3600 ULTIMATE機器的平臺（照片來源：Dominique FONTENAT）

材料擠出

材料擠出無疑是市場上應用最廣泛的陶瓷3D打印技術之一。它包括沉積陶瓷材料層以形成零件或模型，遵循FDM技術的基礎知識，但使用適合該材料的擠出機。它包括沉積陶瓷材料層以形成零件或模型，遵循FDM技術的基礎知識，但使用適合該材料的擠出機。這些通常是為機器提供動力的聚合物或粘土，這使得它成為比前面提到的技術更實惠的技術。

如果我們觀察粘土的使用，我們會發現各種各樣的解決方案，從3D Potter提供的辦公機器到Lynxter提供的技術性更高的機器，或者WASP提供的大幅面機器。選擇取決于最終應用，就像增材制造中的通常情況一樣。

在聚合物方面，您可以選擇使用法國Nanoe提供的長絲的解決方案，或與顆粒兼容的機器。在這兩種情況下，請考慮脫脂和燒結等后處理步驟。

圖片4：WASP開發的技術

納米粒子噴射?

該技術由以色列XJet公司開發，包括在含有陶瓷納米顆粒的打印板上沉積數千個液滴。“NanoParticle Jetting?的關鍵始于其獨特的液體分散方法。將包含構建和支撐材料的固體納米粒子的液體懸浮液噴射到構建臺上，以逐層制造詳細的零件。Hanan Gothait解釋說，液體懸浮液在密封盒中的交付和安裝沒有任何問題。我們的打印頭的精度以及超薄層的使用創造了非常高的Z分辨率，可以輕松獲得非常清晰的零件。如果我們希望3D打印陶瓷實現出色的尺寸形狀和最佳公差，這一點非常重要。”

陶瓷3D打印的應用

陶瓷3D打印在許多行業中占有一席之地，并且已經證明了其優勢。正如我們之前所解釋的，某些技術陶瓷因其機械性能和熱分布而特別令人感興趣。事實上，根據所選擇的陶瓷，您將能夠獲得比金屬更耐高溫的零件，同時優化重量。因此，它對于航空航天領域來說是一項經過驗證的技術，但在溫度方面受到嚴格的限制。此外，一些陶瓷非常耐腐蝕或具有良好的電絕緣性能。在應用方面，陶瓷3D打印使得設計衛星等通信系統的射頻濾波器成為可能；用于制造渦輪機的更耐用的模具；工具和衛星零件。

圖片5：照片來源：Lithoz

陶瓷3D打印在醫療領域占有一席之地，它提供了設計定制植入物甚至精密手術器械的可能性。某些陶瓷實際上具有生物相容性和生物可吸收性，因此非常適合個性化植入物的設計。舉例來說，3DCeram解釋道：“增材制造可以控制陶瓷替代品孔隙的位置和幾何形狀，這與通過添加有機泡沫或致孔劑制成多孔的植入物不同。三維結構孔隙率和完全互連的孔的恒定直徑促進了替代品的骨整合和機械強度。抗壓縮機械阻力比傳統多孔結構高三到五倍。植入物處理和定位過程中因微碎片脫落而導致術后炎癥的風險顯著降低。“

陶瓷3D打印的應用列表并不詳盡：我們可以談論它對藝術和雕塑的影響，這要歸功于擠出機，它允許以精確和復雜的方式沉積粘土。在研究和開發中，這是一項特別有趣的技術。事實上，許多實驗室和大學都投資了快速、廉價地生產原型。團隊不斷進行實驗和測試，在此期間他們需要定制開發的組件。陶瓷3D打印提供了更大的靈活性，讓您能夠更有效地獲得相關零件。最后，陶瓷3D打印通常用于設計鑄造模具的型芯。

Hanan Gothait總結道：“該技術應該被充分接受，作為一種有效、必要、甚至首選的制造方法。3D陶瓷打印仍處于起步階段，但增長迅速。這方面的主要驅動力是對零部件更高耐溫性和強度的需求不斷增加；金屬有其局限性，而陶瓷的效果非常好。”

圖片6：3D打印植入物（照片來源：Lithoz）

陶瓷3D打印的未來是什么？

不可否認，陶瓷3D打印將繼續發展。但就像行業中采用的其他增材制造技術一樣，獲得完全接受也需要時間。材料無疑將發揮關鍵作用——技術陶瓷對工業非常有吸引力，但更傳統的陶瓷也可以為更多藝術領域發揮作用。

陶瓷3D打印技術的普及已經開始，但制造商、服務和用戶在采用該技術之前仍然必須考慮一些細節。XJet首席執行官表示：“要實現這一增長，需要解決一些重要的挑戰，例如陶瓷工程師的培訓計劃。陶瓷市場的主要參與者（包括制造商、服務提供商和最終用戶）采用這項技術是這一進步的關鍵一步。一旦這個過程開始，它將產生滾雪球效應，該技術將變得合法且非常受歡迎。”

編譯整理：3dnatives