陶瓷3D打?。褐圃鞓I(yè)的一場(chǎng)革命？

魔猴君  知識(shí)堂   120天前

陶瓷的使用可以追溯到古希臘，最初是為了開發(fā)食品用的罐子或盤子而創(chuàng)建的，通常由在高達(dá)500度的溫度下燒制的粘土制成。到19世紀(jì)末，這些材料的特性在工業(yè)中被發(fā)現(xiàn)：它們特別為電機(jī)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(chǎng)上備受期待，因?yàn)樘沾刹牧暇哂袀鹘y(tǒng)技術(shù)無法利用的機(jī)械性能和高分辨率幾何形狀。

根據(jù)MarketDigits 2024年4月發(fā)布的市場(chǎng)研究報(bào)告，2023年陶瓷3D打印市場(chǎng)價(jià)值為2.7億美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到26億美元，在分析期間增長28.6%。這是一種不斷發(fā)展的制造技術(shù)，與聚合物或金屬工藝相比，仍然是一個(gè)利基市場(chǎng)。但陶瓷3D打印使得獲得精確、耐用和技術(shù)性的零件成為可能，具體取決于所選材料。我們邀請(qǐng)您回顧陶瓷增材制造的基礎(chǔ)知識(shí)及其在該領(lǐng)域的地位。

圖片1

不同類型的陶瓷

從歷史上看，在談?wù)撎沾刹牧现圃鞎r(shí)，粘土是最常用的材料，特別是因?yàn)樗且环N天然材料，幾乎在任何環(huán)境中都很容易找到。隨著材料的發(fā)展，新的制造可能性已經(jīng)出現(xiàn)。目前陶瓷有多種類型：最常見的是我們?nèi)粘－h(huán)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(jié)構(gòu)陶瓷，例如瓷磚或磚塊；涂料用耐火陶瓷；最后是技術(shù)陶瓷，它匯集了具有高機(jī)械、耐熱、化學(xué)和電阻性能的材料。

最后一個(gè)系列在增材制造領(lǐng)域特別受歡迎，因?yàn)樗鼮槭褂盟男袠I(yè)提供了非常有趣的特性。必須考慮兩個(gè)主要類別：氧化物和非氧化物，它們因其化學(xué)成分而具有不同的特性。這些技術(shù)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(jī)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(jì)90年代初，麻省理工學(xué)院發(fā)明了粉末粘合技術(shù)，隨后被Z Corporation接管，Z Corporation于2012年被3D Systems收購。該技術(shù)包括使用粘合劑固化粉末-該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是能夠生產(chǎn)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(jī)的用戶，主要生產(chǎn)碳化硅零件。項(xiàng)目經(jīng)理兼小組負(fù)責(zé)人I?igo Agote證實(shí)：“燒結(jié)后，我們獲得的零件密度與傳統(tǒng)制造的商業(yè)零件相當(dāng)。此外，材料的硬度和斷裂強(qiáng)度也相似?！?/span>

陶瓷材料的立體光刻和光聚合

立體光刻技術(shù)是增材制造領(lǐng)域的另一種流行技術(shù)。她很晚才開始對(duì)陶瓷表現(xiàn)出興趣，但現(xiàn)在已被廣泛使用，提供了高水平的精度和細(xì)節(jié)。如果我們拓寬范圍，DLP技術(shù)（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(chǎng)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(qū)之一的3DCeram，甚至Prodways。在工業(yè)機(jī)器領(lǐng)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(jī)領(lǐng)域目前發(fā)展良好，我們可以談?wù)撓馞ormlabs或Tethon 3D這樣的制造商。目標(biāo)是讓陶瓷零件的設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

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

材料擠出

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

如果我們觀察粘土的使用，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)各種各樣的解決方案，從3D Potter提供的辦公機(jī)器到Lynxter提供的技術(shù)性更高的機(jī)器，或者WASP提供的大幅面機(jī)器。選擇取決于最終應(yīng)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(jī)器。在這兩種情況下，請(qǐng)考慮脫脂和燒結(jié)等后處理步驟。

圖片4：WASP開發(fā)的技術(shù)

納米粒子噴射?

該技術(shù)由以色列XJet公司開發(fā)，包括在含有陶瓷納米顆粒的打印板上沉積數(shù)千個(gè)液滴。“NanoParticle Jetting?的關(guān)鍵始于其獨(dú)特的液體分散方法。將包含構(gòu)建和支撐材料的固體納米粒子的液體懸浮液噴射到構(gòu)建臺(tái)上，以逐層制造詳細(xì)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(chuàng)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(shí)現(xiàn)出色的尺寸形狀和最佳公差，這一點(diǎn)非常重要。”

陶瓷3D打印的應(yīng)用

陶瓷3D打印在許多行業(yè)中占有一席之地，并且已經(jīng)證明了其優(yōu)勢(shì)。正如我們之前所解釋的，某些技術(shù)陶瓷因其機(jī)械性能和熱分布而特別令人感興趣。事實(shí)上，根據(jù)所選擇的陶瓷，您將能夠獲得比金屬更耐高溫的零件，同時(shí)優(yōu)化重量。因此，它對(duì)于航空航天領(lǐng)域來說是一項(xiàng)經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，但在溫度方面受到嚴(yán)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(yīng)用方面，陶瓷3D打印使得設(shè)計(jì)衛(wèi)星等通信系統(tǒng)的射頻濾波器成為可能；用于制造渦輪機(jī)的更耐用的模具；工具和衛(wèi)星零件。

圖片5：照片來源：Lithoz

陶瓷3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域占有一席之地，它提供了設(shè)計(jì)定制植入物甚至精密手術(shù)器械的可能性。某些陶瓷實(shí)際上具有生物相容性和生物可吸收性，因此非常適合個(gè)性化植入物的設(shè)計(jì)。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(jī)泡沫或致孔劑制成多孔的植入物不同。三維結(jié)構(gòu)孔隙率和完全互連的孔的恒定直徑促進(jìn)了替代品的骨整合和機(jī)械強(qiáng)度?？箟嚎s機(jī)械阻力比傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)高三到五倍。植入物處理和定位過程中因微碎片脫落而導(dǎo)致術(shù)后炎癥的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低?！?/span>

陶瓷3D打印的應(yīng)用列表并不詳盡：我們可以談?wù)撍鼘?duì)藝術(shù)和雕塑的影響，這要?dú)w功于擠出機(jī)，它允許以精確和復(fù)雜的方式沉積粘土。在研究和開發(fā)中，這是一項(xiàng)特別有趣的技術(shù)。事實(shí)上，許多實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)都投資了快速、廉價(jià)地生產(chǎn)原型。團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，在此期間他們需要定制開發(fā)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(guān)零件。最后，陶瓷3D打印通常用于設(shè)計(jì)鑄造模具的型芯。

Hanan Gothait總結(jié)道：“該技術(shù)應(yīng)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(qū)動(dòng)力是對(duì)零部件更高耐溫性和強(qiáng)度的需求不斷增加；金屬有其局限性，而陶瓷的效果非常好?！?/span>

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(rèn)，陶瓷3D打印將繼續(xù)發(fā)展。但就像行業(yè)中采用的其他增材制造技術(shù)一樣，獲得完全接受也需要時(shí)間。材料無疑將發(fā)揮關(guān)鍵作用——技術(shù)陶瓷對(duì)工業(yè)非常有吸引力，但更傳統(tǒng)的陶瓷也可以為更多藝術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮作用。

陶瓷3D打印技術(shù)的普及已經(jīng)開始，但制造商、服務(wù)和用戶在采用該技術(shù)之前仍然必須考慮一些細(xì)節(jié)。XJet首席執(zhí)行官表示：“要實(shí)現(xiàn)這一增長，需要解決一些重要的挑戰(zhàn)，例如陶瓷工程師的培訓(xùn)計(jì)劃。陶瓷市場(chǎng)的主要參與者（包括制造商、服務(wù)提供商和最終用戶）采用這項(xiàng)技術(shù)是這一進(jìn)步的關(guān)鍵一步。一旦這個(gè)過程開始，它將產(chǎn)生滾雪球效應(yīng)，該技術(shù)將變得合法且非常受歡迎。”

編譯整理：3dnatives