浅析陶瓷3D打印技术的现状及发展趋势
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  西班牙设计师伯纳特屈尼借助3D陶瓷打印完成了一项每天一个咖啡杯的计划,在30天的时间里,每天制作出一个造型独特的陶瓷咖啡杯。每个杯子从构思、设计、成型、烧结到完成,所花费的时间都控制在24小时之内。首先,在平铺的陶瓷粉上3D打印有机粘结剂,每建成一层,在顶部继续添加陶瓷粉和粘结剂,直到整个模型完工。

  其次,模型将会被送入炉中加热,这样带有的粘结剂就会被固化。再次,出炉后扫掉外层的陶瓷粉末,得到实体模型。最后,喷釉后再进行加热,得到亮丽光泽的咖啡杯。虽然不是每一个咖啡杯都具有实用性,但该新鲜的想法和技术在设计界引起了轰动。

  本文通过介绍陶瓷3D打印技术的定义、原理、与现有陶瓷砖3D效果的差异、发展现状,来探讨其在日用陶瓷及建筑卫生陶瓷行业应用的趋势。

  一、定义与原理

  3D打印技术是指通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术。3D打印按工艺过程可划分为:逐层粘结法和直接成型法,直接成型法能直接打印更为复杂的含闭孔结构。逐层粘结法指利用喷嘴向待成型的陶瓷粉床上喷射结合剂粘结剂,打完一层后,在料床表层添加新粉,再喷粘结剂,如此重复进行,最后除去未喷射粘结剂的粉料即可得到立体物件。直接成型法是将待成型的陶瓷粉与结合剂制备成陶瓷墨水,通过3D打印直接成型。

  二、与现有陶瓷砖3D效果的差异

  陶瓷砖宣传的3D效果分两种,一种是通过图案的设计达到立体的视觉效果,另外一种是表面凹凸不平的实际效果。实现表面凹凸不平的效果有四种手段:凹凸模具、喷下陷釉(墨水)、色釉料及墨水的堆积(常规色釉料的丝网胶辊印刷,常规墨水、大颗粒墨水的喷墨打印)、水刀的后期雕刻。瓷砖现有3D效果主要是在陶瓷砖表层达到视觉立体或凹凸不平的装饰效果,而非通过3D技术的逐层打印形成主体结构。

  三、发展现状

  美国麻省理工学院在1993年发明了3D打印技术,利用金属、陶瓷粉末,通过粘结剂再一起成型。美国华盛顿大学通过调整玻璃粉剂和粘合剂的混合比例与加热温度,研发出3D玻璃打印技术,可帮助建筑师测试哪种玻璃设计最适合哪种的环境。

  上海理工大学在2007年,用石膏粉末、聚乙烯醇、白碳黑等配成浆料,通过3D打印技术打印出结构致密、尺寸变形量小的石膏模具。西北工业大学在2013年以硅粉为原料,糊精为粘结剂,采用3D打印技术制备出多孔硅坯体,通过反应烧结得到高孔隙率的螺钉、螺母等氮化硅陶瓷部件。

  四、发展趋势

  陶瓷3D打印技术具有成型速度快、可打印复杂部件、个性化产品成本低等优点,将来可用于制备光纤连接器用的陶瓷插针、电子陶瓷器件、多孔陶瓷过滤件、陶瓷牙齿等尺寸小、形状复杂、精度高的产品。陶瓷3D打印技术在日用及建筑卫生陶瓷领域也有巨大的潜力,如艺术品陶瓷的个性化制备、浮雕状腰线砖的快速打印、洁具模具的制造、特殊形状陶瓷砖的样板订制等等。人工做一套卫生陶瓷的模具可能要花费一个月的时间,利用3D打印技术只需要一到两天。

  与此同时,陶瓷3D打印技术的商业化还面临着一系列的问题:制造速度、产品的材料性能、机器和材料成本、成型精度及质量等等。如何有效地堆积出尺寸精确、结构复杂的陶瓷物件,烧结时复杂烧结体中残余应力如何消除,如何保证烧结出致密的陶瓷制品,以及如何制备更稳定的陶瓷墨水等一系列的技术难题都需要进一步解决。

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