供稿人:池金春，李涤尘 发布日期：2018-03-16
陶瓷材料在工业中有广泛的应用，但是因为高熔点，低热导性的特点，成为三维打印技术研究的难点和热点之一。目前在研究的陶瓷打印方法有光固化法，喷墨打印陶瓷墨水法以及粉末床激光烧结法。前两种方法可成形高分辨率高密度的陶瓷，但是受到浆料中陶瓷固相含量少的限制，在脱碳烧结过程中容易开裂，因而成形零件的尺寸受限制；激光烧结法受陶瓷材料特性的限制，导致陶瓷容易开裂变形。德国联邦材料研究所Andrea Zocca等人提出一种浆料铺层喷墨打印工艺，该工艺基于粉末床喷墨打印的方法并改进，用陶瓷浆料取代干燥粉末，大幅度降低了适用陶瓷粉末的颗粒度，并同时提高粉末床的堆积密度。与陶瓷浆料相配合的是，该课题组开发特定的墨水粘接成形，使成形工艺不受材料熔点和高温开裂的限制，实现了高温陶瓷的高密度高力学性能的三维打印。
下图所示为用该浆料铺层喷墨打印工艺快速成形的高致密度氧化铝陶瓷（图1）和硅酸盐陶瓷（图2），该方法使用海藻酸钠作为打印墨水，打印过程中海藻酸钠遇到粉末床中的金属离子后发生化学反应实现快速粘接。打印绿件中有机相含量只有0.3wt.%, 堆积密度可达到65%，氧化铝粉末颗粒为0.5微米，在常温下打印完成后烧结到1600℃，烧结后零件的致密度可达到98.9%以上（图3），其力学性能等同于标准的等静压陶瓷烧结工艺。
该方法具备打印大尺度高性能氧化铝等陶瓷复杂零件的可行性，有望突破该领域技术开发的瓶颈并临近为产业需求提供定制化陶瓷零件。此外，该浆料铺层三维打印工艺也适用于开发其他超高温的陶瓷材料或特种材料。
图1 浆料铺层喷墨打印的氧化铝陶瓷零件（烧结后）
图2 浆料铺层喷墨打印的硅酸盐陶瓷零件（烧结后）
图3 烧结后氧化铝陶瓷断面（a）和微观组织(b)：可见断面致密均匀，微观图显示没有开裂缺陷。