新型DLP技术3D打印大尺寸陶瓷材料，佛山光垒智造

3D打印陶瓷的热潮，开始逐渐到来了吗？南极熊发现其技术和应用都开始取得突破。


△3D打印蜂窝陶瓷薄片

陶瓷并不陌生，是一个古老而又年轻的话题，从我们熟知的秦砖汉瓦、唐三彩、宋瓷、清瓷等等，无不显示了古人的智慧。中国的陶瓷历史源远流长，古代从广州出发的“海上丝绸之路”更被誉为“陶瓷之路”，陶瓷在中国的发展中占据重要的地位，乃至于外国人把中国的英文名定为”china（瓷器）”，然中国陶瓷自清代末期开始凋落。

现代，大大小小的陶瓷制品在我们生活中随处可见，大到家用的瓷砖、面盆、马桶、陶瓷刀、高档的陶瓷首饰等等，小到陶瓷零件、陶瓷手表、烤瓷牙、精细陶瓷等。很快，我们将会与陶瓷贴的更紧密了，因为5G时代的手机等电子产品的背板都要换成陶瓷材料了，小米推出的最新款手机就是用陶瓷盖板的。现代陶瓷逐渐向电子、生物、节能环保、新能源领域、航空航天等更广的领域发展，但在现代陶瓷的舞台上，排在前面的依然只有国外的企业，如法国的圣戈班、日本的京瓷等等，国内企业仍然落后。

那么这些形形色色的陶瓷产品是如何制作？通常是陶瓷原料混合一定的粘结剂，然后采用不同的成型工艺，制作出特定形状后，再进行脱脂烧结，形成所需要的产品。

陶瓷原材料包括：包括通用陶瓷材料，如黏土，特种陶瓷材料，如氧化铝（ Al2O3 ），氧化锆（ ZrO2 ），骨科采用的羟基磷灰石（ HAP） ，生物陶瓷（TCP）如牙科，氮化硅（Si4N4）。这些陶瓷材料一般磨成很细的粉体，跟粘结剂混合再一块，然后成型。

陶瓷成型工艺是将陶瓷胚料做成规定尺寸和形状，并具有一定机械强度的生坯，是陶瓷制作中的关键工艺。传统典型的陶瓷成型工艺包括有干压成型、半干压成型、可塑成型、流延法、注浆成型法、等静压法等。
陶瓷材料，具有独特的性能，市场极大，应用领域广泛。

但对于复杂的陶瓷结构，传统的陶瓷制造手段就不行了，需要用到3D打印陶瓷技术。

△3D打印陶瓷应用

目前已知的3D打印陶瓷技术有5-6种，其中已经商业化的主要是奥地利LITHOZ的LOM技术、法国Prodways的DLP-LED光技术、法国3DCeram推出的激光快速陶瓷制造（FCP）技术。这三种技术都以紫外光固化含光敏树脂的陶瓷浆料，其区别主要在于光源种类和投影方式、和浆料层层摊放的方法。
主要如下区别如下：

• DLP紫外光下投影穿过透明容器固化陶瓷浆（奥地利，荷兰，美国）；
• 滚刀刮平浆料+DLP上投影固化（法国），粉体配比高，烧成收缩小；
• 上述技术用Al2O3，ZrO2，HAP，TCP，Si4N4超细粉+光敏树脂的混合浆料，目前最大打印平台是300*300平方mm；
• 热塑泥料逐层堆积（比利时），用粘土基陶瓷条，可作复杂形状的艺术陶瓷；
• 陶瓷粉末逐层的激光熔融烧结（美国、中国）- 研发阶段。
• 
  

△3D打印氧化铝陶瓷手机盖板

国内的研究主要集中在清华（奥地利LITHOZ设备）为主的高校和科研院所，多采用DLP下投影的方式，广东工业大学日前也开展了研究，广东也有公司（2016年12月底，深圳上市企业光韵达采购了一台法国3DCeram的设备）和高校购买了欧洲的机器，借此开发新的陶瓷浆料和新应用。

△3D打印氧化铝陶瓷牙齿

目前，国外陶瓷3D机陆续进入中国，国内也有一些企业在开发，例如北京十维科技、东莞智维、深圳长朗三维等。

佛山市光垒智能制造有限公司提供了一种基于DLP技术的全新的3D陶瓷成型工艺，“光垒智造”将传统的陶瓷膏料制作成能够使用紫外光固化的陶瓷膏料，然后陶瓷膏料在紫外光的照射下固化，逐层打印，最终形成三维陶瓷胚体，下图展示的是陶瓷3D打印的整个过程。光垒的3D陶瓷打印摆脱了传统工艺的束缚，成型方便，能够制造出传统工艺所不能实现的复杂结构，并且大大缩短了制造周期。

△光固化3D打印陶瓷材料的主要工艺

光垒智造英文名为“CeraEPI”， Cera是Ceramic的简称， EPI是epitaxy的简称，意为陶瓷的外延制造，合乎增材制造，其经验理念为三个C，依次代表china、ceramic、Creative。它主要服务于以佛山地区的陶瓷产业，在陶瓷大幅面打印、陶瓷打印材料、设备智能化方面具有多项核心技术，以提供实用化的陶瓷3D打印技术为己任，为业界提供陶瓷工业化所需的 “高速率、高精度、大幅面、低成本”陶瓷3D打印解决方案。


△3D打印陶瓷饰物

△3D打印氧化铝陶瓷镂空手环


△3D打印LED陶瓷基板散热器（96铝和99铝）

目前，光垒智造可根据客户需求，灵活掌握收缩度(10-25%)和气孔率、密度（90-98%TD)等的关系；陶瓷粉体积比由目前的40-50%提高到55-80%，打印的尺寸可扩展到300mm*180mm。

据光垒智造的范冰丰博士介绍，要实现真正意义上的陶瓷3D打印，有三个关键要素：

• 需要专门的陶瓷3D成型设备，这种设备需要能够打印低流动性或不流动性的陶瓷膏料，因为陶瓷烧结要达到好的烧结质量，需要大粉胶比(>60%以上)的膏料，这种膏料一般是不流动的；
• 需要配合该设备的光固化陶瓷膏料，该陶瓷膏料既要匹配设备所用的紫外光源，也要在后续烧结工艺容易排胶；
• 需要开发相匹配的烧结工艺。
  

△3D打印多层结构的陶瓷材料

三个要素都打通，才能算得上实现了陶瓷3D打印。另外，要是这种技术尽快推入市场，还需与陶瓷粉体的生产厂家以及陶瓷应用厂家紧密配合，努力提高3D打印陶瓷产品的生产效率和降低成本，争取在某些3D打印陶瓷材料能发挥优势的领域形成产品。

光垒智造立足佛山，具备陶瓷3D打印这三个要素。范博士表示，3D打印陶瓷市场虽然极大，但技术门槛很高，需要设备、原材料、烧结、粉体等多方紧密配合方能成熟，不建议规模小的企业涉足该领域，3D打印陶瓷需要整合国内多方力量，对相应技术进行攻关，力争早日实现产业化。