引言：2020年10月，由HRL實驗室開發(fā)的陶瓷樹脂材料搭載天鵝座無人補給飛船交付國際空間站，并以高分辨率成功實現(xiàn)3D打印成型。這種由碳氧化硅增強的陶瓷材料將在空間站發(fā)揮重要作用。

所有陶瓷零件，無論是傳統(tǒng)加工還是3D打印的，都具有微小的缺陷。當應力施加到該區(qū)域時，缺陷會變成不受控制的裂紋，從而導致整個零件發(fā)生災難性破壞。將增強材料添加到陶瓷基體中是創(chuàng)建耐缺陷零件的常用方法。

當前主流的陶瓷3D打印工藝無論是熔融沉積、光固化還是粘結劑噴射成型，都需要首先將打印生坯中的聚合物去除（脫脂），然后燒結陶瓷顆粒。而近來，聚合物硅氧烷基樹脂的發(fā)展使陶瓷3D打印帶來了新的發(fā)展契機，基于該樹脂基體打印的陶瓷生坯，可在高溫（700至1100℃）熱解循環(huán)后直接轉化為致密零件，省去了漫長的脫脂和燒結步驟。而研究者所需要考慮的關鍵因素在于，陶瓷的低固有韌性會在其加工過程中引入缺陷（如氣孔、未熔合、層間結合和表面粗糙度），這些缺陷可能會在結構上損害最終的陶瓷組件。

3D打印的陶瓷發(fā)動機零件進入窯爐

HRL實驗室3D打印的陶瓷復雜形狀同時具備極高性能

美國休斯實驗室（HRL Labs）在2016年就用3D打印工藝開發(fā)了可承受超過1700°C高溫、強度是類似材料十倍的新型陶瓷，相關研究被發(fā)表于《Science》雜志。自此之后，HRL的團隊一直致力于這項技術研究，當前HRL在自由成形高韌性陶瓷方面獲得了材料和工藝上的突破，能夠解決陶瓷制造過程中缺陷的產生。

一種增韌解決方案，使3D打印的陶瓷厚度和韌性分別提升3倍

HRL研究的挑戰(zhàn)在于將增韌解決方案與3D打印過程結合在一起。為了解決陶瓷材料的固有脆性，HRL實驗室的團隊開發(fā)了一種新型的纖維增強陶瓷基復合材料。通過將光引發(fā)劑和碳氧化硅（SiOC）材料的混合物引入硅氧烷基樹脂，配制了新的陶瓷前驅體。經過熱解極端加熱過程，3D打印的陶瓷增強前驅體材料可直接轉化為碳硅氧化物（SiOC）陶瓷。

研究人員利用Prodways ProMaker L5000工業(yè)打印機制造了一系列1.25×2.5×15mm的樣品，來進行評估和優(yōu)化配方。經過大量的表征測試，該團隊發(fā)現(xiàn)陶瓷顆粒具有非常好的分散性，但打印部件的拉伸強度卻不同尋常。

Prodways ProMaker L5000基于DLP工藝

研究發(fā)現(xiàn)，較厚的樣品比較薄的樣品更容易開裂，聚合物在熱解過程中會伴有揮發(fā)性物質釋放，而揮發(fā)物必須通過基體擴散才能從自由表面逸出。因此溫度分布、樣品幾何形狀和基體擴散系數(shù)是防止基體內孔隙形成的重要因素。HRL團隊隨后確定了可以達到增強水平的“最佳點”。添加過多的增強元素將超過其“填充極限”，零件強度會降低；而添加量不足，則可能使陶瓷開裂。

與此同時，研究團隊指出增強體的加入有兩個主要作用：隨著顆粒濃度的增加，可成型的陶瓷最大壁厚增加了3倍，而且打印的陶瓷韌性也提高了3倍以上，彎曲強度在225-325MPa之間。由于具有與傳統(tǒng)加工陶瓷相當?shù)捻g性、強度和強度變化性，因此所提出的增材制造方法可自由制造高性能陶瓷定制組件。

陶瓷3D打印工藝的挑戰(zhàn)與未來市場

與金屬和聚合物相比，許多陶瓷的極高熔點對增材制造提出了挑戰(zhàn)。由于陶瓷不易鑄造或機加工，因此3D打印可實現(xiàn)幾何靈活性的巨大飛躍。HRL所開發(fā)的陶瓷前樹脂體系可以使用目前商業(yè)化的立體光刻3D打印機進行成型，且零件在熱解過程中具有均勻收縮率，最終陶瓷零件內部幾乎沒有孔隙。這為創(chuàng)建具有復雜形狀的高性能陶瓷部件創(chuàng)造了可能。

汽車上的高性能陶瓷產品

3D打印的陶瓷醫(yī)療植入物

陶瓷3D打印也被視為在極限環(huán)境下使用的顛覆性創(chuàng)新技術，它可以滿足對高溫材料（如超高溫陶瓷）和復雜幾何形狀的需求。但是，目前缺乏可低成本和大規(guī)模生產的3D打印工藝來進行高強度和耐損傷陶瓷的生產。早期采用陶瓷增材制造的一個吸引人的領域是小型無人機的低成本發(fā)動機開發(fā)，它可以顯著提高發(fā)動機的性能。在這些應用中，較高的組件故障風險具有相對不重要的影響，可以視為原型設計和加速迭代的測試平臺。

盡管一些公司已經開發(fā)出了完整的陶瓷3D打印技術，但截至目前，陶瓷相對于其他材料的3D打印仍然非常小眾，屬于新興技術領域。據SmarTech分析公司發(fā)布的最新《陶瓷快速成型零件生產：2019-2030年》顯示，隨著所有主要的陶瓷增材制造技術的全面發(fā)展，并建立起足夠的系列化生產，陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個拐點。屆時，一大批公司和行業(yè)將受益于該技術。到2030年，陶瓷增材制造市場的收入估計將達到48億美元。