增材制造俗稱3D打印，該技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造能力和靈活性方面具有傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。從上個(gè)世紀(jì)80年代末發(fā)端，陸續(xù)涌現(xiàn)出了針對(duì)高分子材料和金屬材料的3D打印技術(shù)。因在工業(yè)零部件快速制造領(lǐng)域如雨后春筍般的發(fā)展態(tài)勢(shì)，使其也獲得了引領(lǐng)“第四次工業(yè)革命”的美名。相對(duì)而言，陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展時(shí)間則相對(duì)短暫，且與高分子和金屬材料相比成形難度更大，還存在很多問(wèn)題有待解決。

近日，深圳大學(xué)增材制造研究所陳張偉教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名SCI期刊Journal of Advanced Ceramics上發(fā)表題為《Photopolymerization-based Additive Manufacturing of Ceramics: A Systematic Review》的特邀綜述。

基于光固化原理的陶瓷增材制造研究，圍繞以下幾個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行了重要的總結(jié)、討論和展望：(1) 陶瓷光固化3D打印的技術(shù)原理；(2) 可用于光固化的陶瓷-樹脂漿料和聚合物陶瓷前驅(qū)體的各個(gè)組分的化學(xué)和材料學(xué)要求；(3) 各種陶瓷光固化3D打印工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，極其打印件性能；(4) 陶瓷光固化3D打印件的結(jié)構(gòu)與功能性研究；(5) 陶瓷光固化3D打印面臨的挑戰(zhàn)、前景和發(fā)展方向。

為高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷制造開(kāi)辟全新途徑

綜述首先對(duì)陶瓷3D打印技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分類，包括光固化、擠出直寫、激光選區(qū)燒結(jié)、噴射粘結(jié)等。而基于光固化 (Photopolymerization) 原理的陶瓷3D打印技術(shù)由于其成形精度和質(zhì)量較高，被公認(rèn)為最具前景的一種陶瓷3D打印技術(shù)。光固化技術(shù)本身也是一大技術(shù)門類，其中包括了基于線掃描成形的立體光刻技術(shù) (Stereolithography, SL)、基于面曝光成形的數(shù)字光處理技術(shù) (Digital light processing, DLP)、雙光子聚合技術(shù) (Two-photon polymerization, TPP) 以及近年出現(xiàn)的基于氧阻聚效應(yīng)的連續(xù)液面成形技術(shù) (Continuous liquid interface production, CLIP) 等等。目前進(jìn)行陶瓷光固化3D打印的研究主要以SL和DLP為主。

圖2 以DLP光固化打印為代表的光固化3D打印陶瓷材料制備與打印流程

綜述圍繞適用于光固化的陶瓷基材料進(jìn)行總結(jié)。能夠用于光固化3D打印的陶瓷材料主要包括兩大類：(1) 以陶瓷粉體和光敏高分子液體混合的陶瓷-樹脂漿料；(2) 以聚合物陶瓷前驅(qū)體 (Preceramic polymers, PCPs) 為原料的流動(dòng)性光敏液體。前者經(jīng)過(guò)光固化3D打印后，進(jìn)行脫脂將其中被光固化的有機(jī)物成分燒蝕氣化排除坯體，隨后進(jìn)一步高溫?zé)Y(jié)使得陶瓷顆粒進(jìn)一步致密、增粗，最終獲得所需的三維陶瓷樣件。

由于陶瓷-樹脂漿料的光固化，本質(zhì)上是漿料中的光敏樹脂在某特定波長(zhǎng)如紫外光的照射下，光固化生成固態(tài)聚合物三維網(wǎng)絡(luò)包裹陶瓷顆粒形成陶瓷-聚合物固體形態(tài)，因此，除了漿料粘度和表面張力等影響流動(dòng)性能進(jìn)而影響光固化打印過(guò)程的問(wèn)題之外，陶瓷和樹脂間的光折射率差以及陶瓷顆粒的吸光性能則是決定漿料可否打印以及打印性能優(yōu)劣的另外幾個(gè)關(guān)鍵因素。比如，因?yàn)槲庑暂^高的陶瓷顆粒，會(huì)將入射光吸收減弱，從而樹脂中光引發(fā)劑對(duì)光的吸收不足，導(dǎo)致光固化效果變差。至今為止，大部分吸光性較低的陶瓷材料 (其粉體顏色偏白色)，特別是以氧化鋁、氧化硅、氧化鋯為代表的氧化物類陶瓷極其混合物均獲得了廣泛的光固化3D打印研究，用于制造具有復(fù)雜或個(gè)性化結(jié)構(gòu)的鑄造型芯型殼、催化載體、義齒等。而吸光性較強(qiáng) (粉體顏色偏暗) 的陶瓷材料，如碳化硅等，研究則集中在對(duì)其進(jìn)行材料改性上，以減少對(duì)入射光的吸收，從而能夠適用于光固化3D打印。

圖3 SL光固化3D打印原理及經(jīng)SL光固化3D打印和燒結(jié)的各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷樣件 

而對(duì)于聚合物陶瓷前驅(qū)體PCP而言，目前使用較多的是：聚碳硅烷、聚硅氧烷和聚硅氮烷等。由于原材料中不引入固體陶瓷顆粒，因此其光固化過(guò)程可配制類似純樹脂材料，故而需要投射到材料內(nèi)部的雙光子聚合技術(shù)TPP也能夠用于PCP的光固化3D打印，但是TPP還不能用于陶瓷-樹脂漿料的打印。與陶瓷-樹脂漿料成形熱處理不同的是，光敏PCP經(jīng)過(guò)光固化之后，其熱處理一般在惰性氣體氛圍中進(jìn)行，經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤饣瘜W(xué)反應(yīng)，生成最終的聚合物前驅(qū)體轉(zhuǎn)換陶瓷 (Polymer-derived ceramics, PDCs)，且由于熱解溫度與陶瓷粉體材料燒結(jié)溫度相比較低，因此還存在非晶態(tài)材料的生成。同時(shí)，在PCP材料配制階段，還能夠通過(guò)分子水平的設(shè)計(jì)與制備，如通過(guò)添加或參雜金屬元素而在最終的PDC陶瓷件中獲得特有的物理和化學(xué)性能。但是由于PCP熱解產(chǎn)瓷率一般較低，因此其熱解過(guò)程的變形、開(kāi)裂等問(wèn)題尤為值得注意。目前經(jīng)過(guò)光固化3D打印和熱解獲得的前驅(qū)體轉(zhuǎn)換陶瓷PDC包括了：SiOC、ZrOC、SiCN、SiBCN等多元陶瓷，而對(duì)于上述3D打印PDC的應(yīng)用探索開(kāi)展的還不多。

圖4 在Science期刊上發(fā)表的經(jīng)過(guò)SL光固化打印和熱解的SiOC陶瓷樣件

圖5 雙光子聚合成形原理及其打印制造的SiOC前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷微結(jié)構(gòu)

本綜述同時(shí)重點(diǎn)總結(jié)對(duì)比了適用于SL和DLP光固化3D打印的陶瓷材料以及打印制造的結(jié)構(gòu)的性能。特別是漿料固含量、功能成分、粘度、使用光源波長(zhǎng)以及最終陶瓷成分和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能等，為陶瓷光固化3D打印研究提供一定參考。

隨后，綜述也總結(jié)和討論了光固化3D打印陶瓷材料和結(jié)構(gòu)的功能性應(yīng)用，特別是在機(jī)械、催化、電子、骨科以及光學(xué)等方面的性能優(yōu)缺點(diǎn)和面臨的技術(shù)難點(diǎn)。

最后，作者認(rèn)為，陶瓷光固化3D打印的挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面：(1) 光固化3D打印過(guò)程依然面臨速度和精度的平衡問(wèn)題，且整體的打印和熱處理過(guò)程較長(zhǎng)，效率還有待進(jìn)一步改善；(2) 使用的部分原材料特別是有機(jī)成分對(duì)人體和環(huán)境還不夠友好；(3) 對(duì)于內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的把控能力還有待進(jìn)一步提升。而對(duì)于DLP光固化3D打印技術(shù)，作者還特別指出，進(jìn)一步研究大幅面DLP打印技術(shù)，能夠?yàn)橥卣勾蟪叽缣沾晒夤袒?/span>3D打印提供有效途徑。對(duì)于TPP光固化3D打印技術(shù)，作者也提出，研究如何提高其打印速度是跨尺度高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)前驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷的增材制造的關(guān)鍵。同時(shí)，陶瓷在打印和燒結(jié)后產(chǎn)生的質(zhì)量損失、孔隙、尺寸收縮、結(jié)構(gòu)形變、甚至開(kāi)裂等問(wèn)題還需要有針對(duì)性和系統(tǒng)性的研究，特別是對(duì)于大尺寸和大壁厚樣件，陶瓷漿料較低的固含量或者產(chǎn)瓷率通常會(huì)成為獲得均勻收縮致密樣件的一大阻礙。但是另一方面，經(jīng)過(guò)打印燒結(jié)的一定的細(xì)微孔洞也許在結(jié)構(gòu)性的承載應(yīng)用會(huì)是缺陷，但是在催化或者人工骨等應(yīng)用場(chǎng)合卻能夠成為不可或缺的優(yōu)勢(shì)特征。

圍繞陶瓷光固化3D打印的研究和應(yīng)用前景，作者提到，盡管與樹脂和金屬3D打印相比，陶瓷3D打印的發(fā)展還處于嬰幼兒階段，但是光固化3D打印為傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷的制造開(kāi)辟了全新的途徑。相信通過(guò)材料和化學(xué)基礎(chǔ)研發(fā)，以及光固化工藝原理的進(jìn)一步創(chuàng)新，陶瓷光固化3D打印在機(jī)械、光學(xué)、通訊、電子、能源、環(huán)保、生物、醫(yī)療、航空航天等各類高技術(shù)陶瓷制造領(lǐng)域均具有光明的前景和未來(lái)。

來(lái)源:3D科學(xué)谷、陶特人