增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術是集機械、計算機、數控和材料于一體的先進制造技術，也稱快速制造技術。該技術起源于 20?世紀 80?年代，其基本原理是根據三維實體零件的截面信息，將三維加工簡化為二維加工，逐點或逐層堆積，最終獲得實體零件或原型。與傳統制造方法相比，增材制造技術具有設計自由度高、產品研發周期短、制造成本低等特點，可無需模具快速地制造復雜結構陶瓷零件。
目前，陶瓷零件增材制造技術按照原材料的形態可分為 4 類：
（1）基于粉材的增材制造技術：三維打印（Three-Dimensional Printing，3DP）、激光選區燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）；
（2）基于絲材的增材制造技術：熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling，FDM）；
（3）基于片材的增材制造技術：分層實體制造（Laminated Objected Manufacturing， LOM）；
（4）基于液材的增材制造技術：光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA），光固化面成型/數字光處理技術（Digital Light Processing,DLP）。
1、三維打印
1）3DP?技術的原理
3DP 技術原理是在計算機的控制下，噴嘴將工作腔內的粘結劑以一定的速度和頻率噴射到指定位置，固化后將粉末粘結起來，逐層堆積，最后得到實體零件。
2）3DP?技術的特點
3DP 技術的優勢：主要有設備成本低、制造原料廣泛、無需支撐結構就能制造具有內腔或懸臂梁的復雜結構零件。
3DP 技術的不足：①成型零件的表面分辨率低、精度差（約為?0.2mm）；②噴嘴還容易發生堵塞，需要定期維護。
3）3DP?技術的應用
3DP 技術的原理決定了其成型的陶瓷坯體是多孔的，因此該方法適于制造多孔陶瓷零件，主要應用于生物組織工程，如生物支架等。采用 3DP 技術制造多孔陶瓷通常可以得到兩類孔隙：
（1）人為設計的宏觀孔，孔徑在?0.5~2mm 之間；
（2）3DP 素坯經過高溫燒結后未完全致密化而殘留下來的微觀孔，孔徑一般小于10μm。
4）3DP陶瓷致密化
采用 3DP 技術制造致密陶瓷零件時，針對其密度較低的問題，主要采用 3 種方法進行改善：
（1）向粉末材料中添加液相燒結助劑；不適用于氮化硅、氧化鋁及氧化鋯等單一組分陶瓷零件的制造。
（2）在高溫燒結之前，添加浸滲工序；不適用于單一組分陶瓷零件的制造。
（3）對素坯進行等靜壓處理，如冷等靜壓、溫等靜壓。然而，該方法不適用于制造具有內腔結構的復雜形狀陶瓷零件。
2、激光選區燒結
1）SLS技術的原理
SLS 技術原理是根據三維模型的截面信息，采用 CO2 激光器對粉末進行掃描，使粉末軟化或熔化(如高分子粘結劑)，固化后形成二維實體，逐層堆積，得到所需實體零件。
2）SLS技術的特點
（1）成型原料廣泛，從理論上說，任何加熱后可以產生原子間粘結的粉末材料都可以作為 SLS 的成型原料；
（2）無需支撐結構就可以制造復雜形狀零件，具有高度的幾何獨立性。
由于陶瓷材料的燒結溫度很高而且陶瓷粉體的堆積密度有限，因此很難采用激光直接燒結成型，一般需要引入低熔點高分子粘結劑，成型的素坯經過排膠和高溫燒結后才能達到所需的性能要求。
（1）與 3DP 類似，SLS 受粉末性質的影響，成型件的精度及表面粗糙度較差且 SLS 不適合制造具有細小微觀孔(<500μm)的陶瓷零件；
（2）由于采用了激光器，因此 SLS 設備比較昂貴，制造成本較高而且能源消耗量大。
3、激光選區熔化
1）SLM技術的原理
SLM 是由 SLS 技術發展演變而來的一種新技術，其制造原理是利用高功率激光束將粉末逐層熔化、堆積成一個冶金結合、組織致密的實體零件。相對于 SLS 而言，SLM 技術一般采用光斑較小的高功率激光器（100~1000W），對應于以數百 mm/s 的掃描速率進行成型。
2）SLM技術的特點
SLM技術的優勢：無需后處理工序就可以獲得結構與性能兼備的實體零件，制造周期較短。
SLM技術的不足：由于激光與粉末作用時間較短，激光熔化過程中物理、化學變化復雜，獲得的零件常常存在氣孔、裂紋等缺陷。另外，對于高溫預熱系統的設備，激光掃描過程中出現的大熔池會使陶瓷表面的粗糙度變高，精度變差。
4、熔融沉積造型
1）FDM技術的原理
FDM 技術原理是根據三維模型的截面信息，熱熔噴頭在計算機的控制下將熱熔性材料擠出并沉積在指定位置，逐層堆積獲得三維實體零件。
利用 FDM 制造陶瓷零件的技術也被稱為 FDC(Fused Deposition of Ceramics)，該方法是將陶瓷粉末與粘結劑混合后利用擠出機或毛細管流變儀制成絲材，然后在 FDM 設備上成型。為了獲得較好的成型質量，一般要求絲材具有高的固相含量、均勻的顆粒分布、適宜的粘結性及強度等性能。噴嘴的直徑一般為 100~1000μm，材料經擠出后的寬度約為噴嘴的 1.2~1.5 倍。
2）FDM技術的特點
（1）原材料制備成卷軸絲的形式，易于搬運及更換；
（2）與其他增材制造技術相比，打印速度較慢，不適合制造大型零件。
5、分層實體制造
1）LOM技術的原理
LOM 技術原理是根據三維模型的截面信息，CO2 激光器在涂有熱熔膠的片材上切割出輪廓線，并將非輪廓區域切割成網格，然后工作臺下降一個層厚的高度，鋪上一層新的片材，在熱壓輥的碾壓作用下使新鋪的片材與已切割層粘結在一起，重復上述操作，最終得到三維實體零件。
2）LOM技術的特點
（1）成型效率高，利用激光直接對片材進行切割，顯著提高了成型效率；
（2）無需支撐結構就能制造復雜形狀零件，因此前期處理工作量較小；
（3）制造成本低；
（4）不受設備工作臺限制，可以制造較大尺寸工件；
（1）制造的零件質量受層與層之間粘結效果的影響，常常存在分層，交界面出現孔隙及各個方向機械性能不一致等問題。
（2）由于 LOM 技術采用片材作為基體，又需要剝離廢料，因此不適合制造薄壁零件。
6、光固化成型
1）SLA技術的原理
SLA 技術原理是以光敏樹脂為原料，在計算機的控制下，紫外光源根據三維模型的截面信息對液態光敏樹脂進行掃描，實現單層固化，然后工作臺下降一個層厚的高度，重復上述步驟，最終得到三維實體零件。
SLA 技術中用于制造陶瓷零件的液態光敏樹脂的組成為陶瓷粉末、單體、光引發劑及少量分散劑。由于 SLA 技術采用漿料的形式固化成型，因此素坯相對密度較高（>55%），經過高溫燒結后可實現完全致密化。
2）SLA技術的特點
SLA技術的優點：制造精度高(±0.1 mm)、表面質量好、能夠制造具有復雜結構的精細零件。
（1）光敏樹脂價格昂貴且一般具有毒性，容易造成環境污染；
（2）激光器的價格及使用壽命有限導致制件的成本較高；
（3）需要根據零件形狀設計特定的支撐結構，以保證制造過程的穩定性。
3）SLA技術的應用
SLA 是目前研究較成熟的一種增材制造技術，已成功應用于醫學與生物領域(如牙齒和骨骼修復)、微技術領域(如傳感器、壓電元件及光子晶體)及機械耐熱結構領域(如渦輪葉片)。
7、光固化面成型
1）DLP的原理
隨著微光學元件技術的進步及快速制造設備對速度、精度等性能要求的提高，一種基于掩膜制造工藝的面曝光快速制造技術——數字光處理技術(digital light processing, DLP)得到了快速發展。該方法是將面光源照射到動態視圖生成器上，然后在光敏樹脂表面得到所需的零件截面視圖，可一次性實現整個零件層的固化，逐層堆積，最后得到實體零件。
2）DLP?技術的特點
（1）超快速的光線切換和整體投影使DLP 3D打印處理時間比傳統的SL點-線-面掃描過程明顯縮短，而且可以獲得微米級的特征分辨率，從而能夠更快速和更高精度地制造零件；
（2）DLP光固化一般可以從下方透過透明料槽底部進行曝光，因此其用料其實可以比SL節省很多，且粉末規格要求低，而且還具有更高的效率和相對經濟的成本。
DLP 技術的不足：加工尺寸受限，主要用于小體積物品的打印。
3）DLP?技術的應用
DLP可用于高精度高質量陶瓷件的打印，特別適合于制備特征結構復雜的薄壁、宏觀多孔陶瓷器件。
陶瓷零件增材制造技術及在航空航天領域的潛在應用，吳甲民、史玉升；
陶瓷光固化3D打印技術研究進展，劉雨?,?陳張偉.
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主辦單位：艾邦智造
媒體支持：陶瓷科技視野、艾邦陶瓷展、南極熊3D打印網
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序號
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暫定議題
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3D 打印陶瓷的應用及產業化發展
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2
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陶瓷?3D 打印技術及材料研究進展
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3
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陶瓷?3D 打印的全新方法
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4
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陶瓷激光增材制造技術研究進展
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5
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醫療領域的 3D?打印陶瓷解決方案
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6
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碳化硅陶瓷 3D?打印研究進展
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7
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氮化硅陶瓷?3D 打印技術與應用
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8
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3D 打印氧化鋯陶瓷及其應用
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9
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氧化鋁陶瓷增材制造工藝研究進展
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多材料高精度陶瓷?3D 打印技術的開發及應用
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11
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3D 打印陶瓷的脫脂與燒結工藝技術
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12
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3D 打印非氧化物陶瓷材料的設計與制備
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氧化鋁陶瓷光固化漿料的制備
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增材制造專用高質量陶瓷粉末及制備技術
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3D 打印多孔陶瓷技術的研究及應用
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3D 打印高分辨率陶瓷電路基板
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光固化 3D 打印陶瓷技術及光敏樹脂體系研究
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黏結劑噴射 3D 打印陶瓷關鍵技術
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增材制造壓電陶瓷的研究進展
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3D 打印陶瓷部件測試方案
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原文始發于微信公眾號（陶瓷科技視野）：陶瓷零件的增材制造技術
