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陶瓷材料以其特有的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和功能性等優(yōu)異特性，在航空、航天、電子和生物醫(yī)學等領域得到了廣泛應用。隨著高性能陶瓷的發(fā)展，工程技術領域對陶瓷零件結構的要求越來越高，但受到現(xiàn)有模具開發(fā)技術和陶瓷材料成形工藝的限制，傳統(tǒng)的陶瓷成型方法已無法滿足應用的高要求。

3D打印是一種基于材料堆積的先進制造方法，具有智能、無模、精密和高復雜度的制造能力，為陶瓷零件制造提供了新思路。其中，基于擠出成型原理的線材的熔融沉積造型技術（FDM）、顆粒的粉末擠出打印技術（PEP）和漿料的墨水直寫技術（DIW）是目前應用較多的陶瓷材料成型方式。

▲陶瓷3D打印技分類術 ?Journal of the European Ceramic Society，有補充

墨水直寫3D打印技術介紹

墨水直寫3D打印技術，也稱直接墨水書寫（Direct Ink Writing，DIW），源于1998年美國Sandia國家實驗室J.Cesarano等提出的自動注漿成型技術，起初主要針對陶瓷等材料的三維模型制造，這得益于陶瓷粉體密度低、易與相關溶劑形成均勻穩(wěn)定的懸浮漿料，從而和這種擠出式技術的原理特點相得益彰，因此有關陶瓷類漿料直寫技術的研究在國內外一直屬于熱點領域。不過隨著直寫技術的不斷發(fā)展成熟，也逐漸有研究將該技術擴展到其他材料，例如金屬粉末材料、生物凝膠材料。

▲（a）DIW設備原理；(b)紫外光輔助DIW原理；(cd)主動混合輔助DIW原理

墨水直寫是在室溫下采用膏狀材料以線狀方式擠出的3D打印技術。當前，為了順利擠出漿料開發(fā)了三種給料方法：壓力驅動，體積驅動（通常使用步進電機）和螺桿驅動，這三種擠出方式各有優(yōu)劣，通常會依據(jù)漿料的自身流動特點選擇適當?shù)臄D出模式。

▲三種不同的漿料擠出設計 ?網(wǎng)絡

DIW技術的關鍵在于制備流變性良好的墨水，優(yōu)質的墨水具備在擠出過程中形成連續(xù)細絲且不堵塞噴嘴的能力，在擠出后能夠承受自身重力不發(fā)生形變，確保了打印和干燥過程中的形狀保持一致。理想情況下，適合擠出直寫的漿料應該是非牛頓流體，其在噴嘴處的剪切速率增大時粘度降低，從而能夠順利擠出，剪切力消失后，粘度能夠迅速恢復以維持形狀。

▲非牛頓流體 ?網(wǎng)絡

墨水的流變性主要由溶劑體系和粉末的特性以及固含量決定。對于制備陶瓷致密件，需要低粘度、高固含量的墨水。因此，在墨水中添加適合的分散劑使得呈現(xiàn)剪切稀化行為，這種趨勢遵循非牛頓流體行為，從而符合墨水直寫打印的要求。目前DIW打印的陶瓷材料主要有碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等。在航空航天、半導體元器件、生物醫(yī)學等領域均有應用。

▲基于陶瓷材料的直寫式打印參數(shù) ?佛山陶瓷2024年11期

PEP與DIW的技術特點及差異

升華三維PEP技術是集成了PIM成熟工藝與3D打印成型的一種增材技術，在制造大尺寸復雜形狀的陶瓷結構件獨具特色，對傳統(tǒng)CIM工藝科研和工業(yè)應用形成了良好補充。DIW與PEP均是典型的擠出成型工藝，希望借此文能助力工業(yè)陶瓷應用客戶，更多地了解這兩種技術的特點和區(qū)別，深入探索不同技術路線優(yōu)勢，挖掘市場應用潛力。

雖然兩者成型技術存在著本質上的差異，但材料開發(fā)和脫脂燒結工藝都是它們的最關鍵步驟，因此這些才是我們真正需要關注的，并結合上下游供應鏈形成完整的陶瓷增材工藝制造，共同促進中國先進陶瓷的高質量發(fā)展。PEP技術和DIW技術各有優(yōu)勢，但也存在著明顯的差異點，選擇哪種技術取決于具體的應用需求、成本預算和生產規(guī)模。

PEP與DIW的技術的差異點

• 成型原理：PEP技術采用顆粒材料融熔擠出成型，而DIW技術采用膏狀漿料室溫擠出成型，兩者在成型原理上存在本質區(qū)別；

• 材料類型：PEP技術可適配PIM工藝的0.2~100微米的金屬和陶瓷粉末材料，對材料球形度無限制，而DIW技術則可打印金屬、陶瓷、木材和水凝膠等，對粉末流動性和粉末粒度有較高要求；

• 后處理工藝：PEP需要采用脫脂燒結工藝，DIW除了以上工藝外，在打印陶瓷生坯后可能還需進行再固化步驟；

• 應用范圍：PEP技術適合具有復雜中空結構的大尺寸陶瓷零件制造，DIW技術則更易于制造有利于細胞和組織生長的多孔點陣結構。

  
  

PEP與DIW的應用優(yōu)勢及前景

PEP技術在成本效益、材料適應性、及與傳統(tǒng)工藝契合方面均表現(xiàn)出色，在大尺寸的高性能結構陶瓷、中空輕量化結構和梯度功能陶瓷制備方面能提供完備的工藝支撐，同時也特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的增材制造。在航空裝備、空間技術、核工業(yè)、國防、光伏半導體、生物醫(yī)療等領域的陶瓷增材制造方面有著廣泛的應用前景。盡管打印件表面光潔度有限，但是在生物陶瓷支架應用領域對低表面質量有著獨特需求，也許可能轉變?yōu)閷@些部件有利的結構特性。

DIW技術在制備陶瓷材料方面也表現(xiàn)出色，適用于打印鏤空點陣陶瓷結構。也可通過在陶瓷基體中引入納米顆粒、纖維或其他增強材料，來調控陶瓷材料的性能，以提高其力學性能、熱學性能等關鍵特性，也對陶瓷材料及其復合材料的制備提供了全新的可能性。

不過需要補充的是，增材制造的應用除了成型技術的影響外，材料才是關鍵，不論哪種技術路線，最終都可以定義成是在為不同陶瓷材料的應用場景提供工藝支持。隨著打印工藝和材料性能的深入發(fā)展，這兩種技術也有望在制造業(yè)和科技創(chuàng)新中發(fā)揮更為重要的作用，為社會帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機遇。

▲PEP工藝制備蠟基陶瓷材料應用優(yōu)勢及前景 ?升華三維