来源：协同高科
南极熊导读：陶瓷3D打印，正在成为3D打印行业的热点趋势，陶瓷属于无机非金属材料，作为三大材料之一，其3D打印技术的应用领域潜力巨大。
光固化陶瓷3D打印设备的发展简介
1. 国外光固化陶瓷3D打印设备的发展简介
立体光固化3D打印，是增材制造领域最受欢迎和最普遍的技术之一，它由美国3D Systems公司开发，该公司由Chuck Hull于1986年创立。Hull在1986年创造了“立体光刻”这一术语，他将这项技术定义为通过连续印刷紫外线固化的薄层来制造3D物体的方法，这种技术最初的用途主要用于对纯光敏树脂体系的光固化成型。由于其成型不依赖模具、可以自由设计、极易实现高复杂程度样件的打印，并且具有打印精度高、表面质量好等特点，该技术逐步向陶瓷、金属等领域拓展。在上世纪90年代最初开展的光固化陶瓷3D打印研究中，一般采用的设备就是树脂型光固化打印机，例如美国密歇根大学的John Halloran、Brady和Griffith 等人[1-2]采用的是3D Systems公司的SLA-250/40型设备进行陶瓷光固化成型研究。而同时期法国利摩日大学的Chartier教授团队[3-4]在研究中采用的设备仍然是基于树脂光固化3D打印设备的原理，即采用紫外激光器作为光源，通过X-Y扫描振镜来调整激光光路，使得激光选择性的照射在陶瓷浆料表面形成固化层，然后通过平台向下移动一个层厚的距离Δz，再次铺一层浆料并且完成新一层的固化…，这样通过层层固化堆叠的方式完成对样件的打印。
而光固化陶瓷3D打印机真正推向市场，为市场认识并且逐步认可主要发生在2010年之后，这其中具有代表性的陶瓷光固化打印机厂家国外主要有3D CERAM(尽管3DCERAM公司2001年成立，然而他们直到2015年才推出首款工业级陶瓷3D打印机[5])、LITHOZ、ADMATEC、Prodways等，这些企业成立的时间轴如下图所示。
△图1 一些知名光固化陶瓷3D打印厂家的成立时间轴
2. 国内光固化陶瓷3D打印设备的发展简介
陶瓷光固化成型技术在国内起步相对较晚，但是相关的学术研究越来越多，也诞生了一些以陶瓷光固化设备为经营主体的企业，然而主要局面仍是以院校研究为主体。尽管陶瓷光固化成型是目前国内研究的热门方向，但是与国外相比，国内陶瓷光固化打印技术/设备还达不到真正工业化应用的水平，与国外的技术水平还有明显的差距，特别在高精度高强度陶瓷光固化成型设备及材料的产业化方面存在明显短板。
△协同高科陶瓷打印设备
深圳协同创新高科技发展有限公司（以下简称 “ 协同高科 ” ）光固化陶瓷团队是国内较早开始进行工业级陶瓷光固化浆料配方、工艺应用开发的专业团队之一，从2016年开始至今已有该领域将近十年的技术累计，公司的优势在于将近十年的陶瓷光固化材料配方与工艺的研发，并且深耕于高纯度氧化铝、高精度高强度氧化锆等少数几种热门应用陶瓷材料的开发，应用于航空航天、半导体、精密电子等行业。公司在2023年面向市场推出了XT-C100、XT-C200机型，这些陶瓷打印机的推出是公司光固化陶瓷浆料及工艺技术累积下的装备定向开发。
光固化陶瓷3D打印机的种类及其特点
光固化陶瓷技术方面目前主要有逐点扫描式光固化和面曝光固化两种[6]，相应的打印设备分别是以紫外激光器为光源的点-线扫描式的光固化陶瓷3D打印机（以下简称此方式为SLA）和以数字光源（Digital Light Procession）进行面曝光的光固化陶瓷3D打印机（以下简称此方式为DLP），两者的示意图如下[7]：
△图2 SLA成型方式与DLP成型方式[7]
而紫外光源的放置位置又决定了成型平台的运行方式，其中将光源置于成型平台下方从而向上出光进行成型的情况下，平台运行的方式是逐步向上提拉的（提拉式）；将光源置于成型平台上方从而向下出光进行成型的情况下，平台运行的方式是逐步向下移动的（下沉式）。一般SLA陶瓷打印机少有将紫外激光器置于成型平台下方，因此市面上常见的SLA陶瓷打印机的成型平台运行方式一般是下沉式的；而DLP陶瓷打印机则大多数是将紫外光源置于成型平台下方，进而采用成型平台提拉式的运行方式。
△图3 下沉式（左）[8]与提拉式（右）[9]成型方式的对比
之所以在光源的选择及成型平台的运行方式上衍生出不同类型的光固化陶瓷3D打印机，根本的原因一方面是对产品打印精度、打印速度、产品大小（打印幅面）的定位不同，另一方面则取决于光固化陶瓷材料的状态。SLA设备采用紫外激光（波长一般355nm~405nm）进行线扫描，激光光斑尺寸细微到30μm，因而能够制造出微米级分辨率的高表面质量零件，这样SLA的成型方式能同时在保证较高的精度的同时覆盖到更大的打印幅面，例如目前市面上已有打印幅面600×600×300mm的SLA机型。
而DLP则运用了美国德州仪器公司的数字微镜元件（Digital Micromirro Device)，DMD是由与显示图像像素相对应的数百万个微镜矩形阵列组成的芯片。通过静电力驱动微镜，可以单独旋转±(10~12)°，起到控制超快速光开或关的状态[10]。超快速的光线切换和整体投影使DLP打印处理时间比传统的SLA点－线－面扫描过程明显缩短，而且可以获得微米级的特征分辨率[11]。
△协同高科陶瓷打印样件
然而芯片精度与打印幅面存在着一个矛盾的关系，尽管目前有些DLP打印机已经采用了4K分辨率的芯片，但由于DLP采用的投影式出光方式，当打印样品的尺寸越大时，其切片投影面也越大，这样造成了DLP在成型大尺寸样品时其打印精度会大幅降低。为了使DLP陶瓷打印机能同时满足高精度以及大幅面的需求，目前的解决方案主要有两种，一种是可移动式光机的方式；另外一种则是多个光机拼接的方式，这种功能使该过程能够在整个构建平台上实现极高的分辨率和25至150µm的层厚度，并且同时设备幅面可高达≥300×445mm的规模。
小结
根据Market Digits 2024年4月发布的市场研究报告，2023年陶瓷3D打印市场价值为2.7亿美元，预计到2032年将达到26亿美元，在分析期间增长28.6%。3D打印是一种不断发展的制造技术，与聚合物或金属工艺相比，陶瓷3D打印仍然是一个利基市场。在光固化陶瓷设备的市场化应用方面，国外公司走在工业化应用的前列，已经在医疗、半导体晶圆、电子等工业应用中取得了瞩目的成绩，而国内面向工业化应用仍未铺展开来，多是应用于科研院所等单位。尽管如此，越来越多的高校、相关厂家均在此领域布局，也表明了光固化陶瓷设备的应用前景较为光明、潜力巨大。
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参考文献：
[1] G. Allen Brady and John W. Halloran. Stereolithography of ceramic suspensions[J]. Rapid Prototyping Journal, 1997, 3(2): 61-65.
[2] Michelle L. Griffith,John W. Halloran. Freeform Fabrication of Ceramics via Stereolithography[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1996, 79(10): 2601-2608.
[3] C. Hinczewski, S. Corbel and T. Chartie. Ceramic Suspensions Suitable for Stereolithogiaphy[J]. Journal of the European Ceramic Society, 1998, 18(6): 583-590.
[4] Franck Doreau , Christophe Chaput and Thierry Chartier. Stereolithography for Manufacturing Ceramic Parts[J]. ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 2000, 2(8): 493-496.
[5] http://www.3dceram-cn.com/index.php/List/8.html
[6] EMAMI M M, BARAZANDEH F, YAGHMAIE F. Scanning -projection based stereolithography: method and structure [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 218：116-124.
[7] J.M. Lee, S.L. Sing, M. Zhou, W.Y. Yeong, 3D bioprinting processes: a perspective on classification and terminology[J]. Int. J. BioPrinting, 2018, 4:1–10.
[8] Susan Patricia Gentry. Factors Affecting the Resolution of Photopolymerized Ceramics[M]. Doctor thesis of University of Michigan, 2012.
[9] PFAFFINGER Markus, MITTERAMSKOGLER Gerald1, GMEINER Robert, et al. THERMAL DEBINDING OF CERAMIC-FILLED PHOTOPOLYMERS[J]. Materials Science Forum, 2015, 825-826: 75-81.
[10] HORNBECK L. Digital light processing for high-brightness high-resolution applications[C] // EI’ 97 Proceedings of SPIE Projection Displays III. SanJose: IS&T and SPIE , 1997:27.
[11] 刘雨, 陈张伟.陶瓷光固化3D打印技术研究进展[J].材料工程, 2020, 48(9):1-12.
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