1. 陶瓷3D打印概述

陶瓷是以天然黏土以及各種天然礦物為主要原料，經過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料的各種制品。陶瓷材料可以分為普通陶瓷材料和特種陶瓷材料。普通陶瓷材料采用天然原料，如長石、黏土和石英等燒結而成，是典型的硅酸鹽材料，主要組成元素是硅、鋁、氧元素。普通陶瓷來源豐富、成本低、工藝成熟。

形形色色的陶瓷材料

特種陶瓷材料采用高純度人工合成的原料，利用精密控制工藝成型燒結制成。根據其主要成分劃分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金屬陶瓷等。根據用途不同，特種陶瓷材料可分為結構陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。3D打印制品屬于特種陶瓷的范疇。

目前，特種陶瓷材料中崛起了精細陶瓷。精細陶瓷是指以精制的高純度人工合成的無機化合物為原料，采用精密控制工藝得到的高性能陶瓷，因此又稱先進陶瓷或新型陶瓷。精細陶瓷具有抗高溫、超強度、多功能等優點，有著廣闊的發展前途。因此精細陶瓷與高性能分子材料、新金屬材料、復合材料并列為四大新材料。用于3D打印技術的陶瓷材料大多數都屬于精細陶瓷的范疇。

陶瓷3D打印藝術作品

已經被成功應用于陶瓷材料的3D打印技術包括FDM(熔融沉積成型)、SLA(光固化成型)、3DP(三維印刷技術)、SLS(選擇性激光燒結)等。3D打印制造陶瓷制品具有加工成型步驟少、自動化程度高、材料損耗低、能源消耗小、環境污染小等優點。

1. 噴嘴擠壓技術

利用FDM技術打印陶瓷，采用混有陶瓷粉末的線材(filament)作為原材料，使用100攝氏度以上的溫度將噴絲中的高分子材料融化后擠出噴嘴，擠出后的陶瓷高分子復合材料因為溫差而固化。這種工藝得到的三維模型在打印完成后需要進一步進行脫脂和燒結處理。脫脂和燒結也是傳統陶瓷加工工藝中使用的致密化陶瓷產品的手段。

FDM陶瓷3D打印機(圖片來源：3der.com)

FDM技術打印的陶瓷制品(圖片來源：3ders.com)

2. 光固化技術

光固化技術是目前市場上陶瓷打印的主要技術，也是商業化相對成功的技術。該技術采用的材料由陶瓷粉末、光引發劑等混合而成，打印過程與SLA或者DLP相似。光固化技術制造出的陶瓷制品也需要在高溫爐中進行脫脂和燒結。使用該工藝制造出的陶瓷制品(例如氧化鋁、氧化鋯、磷酸鈣)密度可高達99%。不過，經過脫脂和燒結后的陶瓷成品會相對于初始設計尺寸擁有30%左右的收縮量，這也在一定程度上限制了陶瓷的應用。

基于DLP的陶瓷3D打印設備以及其打印成品(圖片來源：Admatec)

3. 粘合劑噴射成型

粘合劑噴射成型(3DP)，即三維印刷技術，將粘結劑通過打印噴頭噴射到每一層陶瓷粉末上，接觸到粘結劑的陶瓷粉末粘合到一起，然后層層疊加成型。然而利用3DP技術打印出的陶瓷制品只能通過粉末粘結，受粘結劑材料限制，這種技術打印出來的陶瓷致密度相對較低。

基于3DP技術的打印設備(圖片來源：ExOne)

4. 選擇型激光燒結

利用SLS技術制成的陶瓷制品(圖片來源：iMaterialise)

2. 陶瓷3D打印主要材料

1. 硅酸鋁陶瓷  

硅酸鋁是一種硅酸鹽，其化學式為Al2SiO5，密度為2.8到2.9克/立方厘米。具有廣泛的用途：

1. 用于玻璃、陶器、顏料及油漆的填料;

2. 是涂料中的鈦白粉和優質高嶺土的理想替代品，與顏料配合廣泛用于油漆、皮革、印染、油墨、造紙、塑料、橡膠等方面;

3. 用來制作耐高溫防火隔音隔熱棉、板、管、縫氈、防火隔熱布、耐高溫紙、耐火保溫繩、帶、防火保溫針刺毯(有甩絲、噴吹)、磚，無機防火裝飾板。無機防火卷簾等;

4. 用作膠黏劑和密封劑的填充劑，能夠提高硬度、白度、耐磨性、耐候性、貯存穩定性。

CeraFab 7500及打印樣品

3D打印的該陶瓷制品不透水、耐熱(可達600°C)、可回收、無毒，但其強度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術品等家居裝飾材料。英國布里斯托的西英格蘭大學(UWE)的研究人員開發出了一種改進型的3D打印陶瓷技術，該技術可用于定制陶瓷餐具，比如漂亮的茶杯和復雜的裝飾物。根據CAD數據可直接進行打印、燒制、上釉和裝飾，消除了先前陶瓷產品原型沒法過火或測試釉質的問題。

2. Ti3SiC22陶瓷

在1972年，Nickl等人采用化學氣相沉積(CVD)法制備單晶時，發現了特別軟的碳化物Ti3SiC2。與超合金相比，Ti3SiC2具有優異的高溫性能和疲勞損傷性能。Ti3SiC2熔點高達3000℃，在1700℃以下真空及惰性氣氛中不分解。

傳統Ti3SiC22陶瓷制備工藝都需要采用成型模具，這些模具的制造成本高且周期長，如果部件形狀太復雜，則可操作性差。3D打印技術則可克服傳統工藝的不足。采用3D打印制備的Ti3SiC2陶瓷件孔隙率高達50%～60%，而三D打印結合冷等靜壓和燒結工藝可制備出致密的Ti3SiC2陶瓷，致密度可達99%。

LUTUM 3D打印機及打印樣品

3. Ti3SiC2增韌TiAl3-A1203復合材料

這種陶瓷-金屬復合材料具有密度低、硬度高，抗腐蝕，抗磨損以及良好的高溫抗氧化性能。不過A1203和TiAl3都是脆性材料，復合材料的斷裂韌性很難進一步提高，并且抗熱震性能差，這成為制約TiAl3-A1203復合材料廣泛應用的瓶頸。