陶瓷的應(yīng)用歷史可追溯至古希臘時期，最初用于制作盛放食物的罐子或盤子，其原料為經(jīng)500℃高溫?zé)频恼惩痢Ｖ?9世紀(jì)末，陶瓷材料的特性在工業(yè)領(lǐng)域嶄露頭角：其優(yōu)異的熱絕緣與電絕緣性能，為電機(jī)設(shè)備提供了關(guān)鍵支持。憑借悠久的歷史底蘊(yùn)，陶瓷3D打印在市場上備受期待——該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以達(dá)到的機(jī)械性能，還可制造高分辨率的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。
根據(jù)MarketDigits2024年4月發(fā)布的市場研究報告，2023年全球陶瓷3D打印市場規(guī)模達(dá)2.7億美元，預(yù)計到2032年將增長至26億美元，分析期間復(fù)合年增長率達(dá)28.6%。盡管與聚合物或金屬3D打印相比，陶瓷3D打印仍屬小眾領(lǐng)域，但其精準(zhǔn)、耐用且技術(shù)化的零件生產(chǎn)能力，正依托材料特性持續(xù)拓展應(yīng)用邊界。以下為您系統(tǒng)梳理陶瓷增材制造的核心知識與發(fā)展現(xiàn)狀。
從材料發(fā)展歷程看，粘土是最早被廣泛使用的陶瓷原料，因其作為天然材料，在各類環(huán)境中均易獲取。隨著技術(shù)演進(jìn)，陶瓷種類日益豐富：日常環(huán)境中，陶瓷常見于餐具、瓷磚等產(chǎn)品；建筑領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)陶瓷如磚塊、瓷磚被廣泛使用；涂料行業(yè)則依賴耐火陶瓷；而技術(shù)陶瓷憑借高機(jī)械性能、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性及電絕緣性，成為增材制造領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注對象。
技術(shù)陶瓷可分為氧化物與非氧化物兩大類，化學(xué)成分差異導(dǎo)致其特性各異。常見形態(tài)包括長絲、粉末、樹脂等，直接影響打印工藝選擇。其中，氧化鋁因硬度與耐高溫性備受青睞，氧化鋯則以卓越的機(jī)械性能脫穎而出。
20世紀(jì)90年代初，麻省理工學(xué)院發(fā)明了粉末粘合技術(shù)，后由ZCorporation接管（該公司2012年被3DSystems收購）。該技術(shù)通過粘合劑固化粉末層，優(yōu)勢在于可生產(chǎn)無支撐結(jié)構(gòu)的彩色部件，且粉末可完全利用。TecnaliaResearch&Innovation作為DesktopMetal粘合劑噴射機(jī)的用戶，其項目經(jīng)理I?igoAgote證實(shí)：“燒結(jié)后，零件密度、硬度及斷裂強(qiáng)度均可與傳統(tǒng)工藝制造的商業(yè)零件媲美?！?/div>
立體光刻與光聚合技術(shù)
立體光刻技術(shù)雖較晚應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域，但憑借高精度與細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，現(xiàn)已成為主流工藝之一。擴(kuò)展的DLP技術(shù)（以視頻投影儀替代激光作為光源）同樣適用于陶瓷材料。市場參與者方面，法國3DCeram、Prodways等企業(yè)是光聚合陶瓷3D打印的先驅(qū)；工業(yè)級設(shè)備領(lǐng)域，Lithoz、Admatec和3DSystems提供陶瓷樹脂3D打印解決方案；桌面級市場中，F(xiàn)ormlabs、Tethon3D等品牌正推動技術(shù)普及，降低設(shè)計門檻與成本。
材料擠出工藝
材料擠出是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的陶瓷3D打印技術(shù)之一。其原理與FDM技術(shù)類似，但采用適配陶瓷材料的專用擠出機(jī)，沉積層逐步構(gòu)建零件。該技術(shù)成本較低，所用材料通常為聚合物或粘土。在粘土應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)備選擇豐富：從3DPotter的辦公級機(jī)器，到Lynxter的高性能設(shè)備，再到WASP的大幅面打印機(jī)，用戶可根據(jù)需求靈活選擇。聚合物方案則涵蓋法國Nanoe提供的長絲解決方案及顆粒兼容型設(shè)備，但均需后續(xù)脫脂與燒結(jié)處理。
納米粒子噴射?技術(shù)
以色列XJet公司開發(fā)的NanoParticleJetting?技術(shù)，通過打印板噴射含陶瓷納米顆粒的液滴實(shí)現(xiàn)制造。公司創(chuàng)始人HananGothait解釋：“該技術(shù)的核心在于獨(dú)特的液體分散方法——將固體納米顆粒（構(gòu)建材料與支撐材料）的液體懸浮液噴射至構(gòu)建臺，逐層制造高精度零件。液體懸浮液在密封盒中安全交付，打印頭精度與超薄層厚（Z軸分辨率）確保了零件的極致清晰度與尺寸精度，這對實(shí)現(xiàn)優(yōu)異形貌與公差至關(guān)重要?！?/div>
陶瓷3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域
陶瓷3D打印已在多行業(yè)證明其價值。技術(shù)陶瓷的機(jī)械性能與熱穩(wěn)定性尤為突出：部分陶瓷耐高溫性優(yōu)于金屬，且重量更輕，成為航空航天領(lǐng)域的驗(yàn)證技術(shù)（盡管受溫度限制）。此外，陶瓷的耐腐蝕性與電絕緣性也拓展了其應(yīng)用邊界。具體案例包括：衛(wèi)星通信系統(tǒng)的射頻濾波器設(shè)計、渦輪機(jī)耐久模具制造、工具與衛(wèi)星零件生產(chǎn)等。
醫(yī)療領(lǐng)域是陶瓷3D打印的重要應(yīng)用方向。其生物相容性與生物可吸收性，使定制植入物與精密手術(shù)器械的設(shè)計成為可能。以3DCeram的案例為例：“增材制造可精準(zhǔn)控制陶瓷替代品的孔隙位置與幾何形狀，這與通過有機(jī)泡沫或致孔劑制備的多孔植入物不同。三維互連孔隙的恒定直徑與高壓縮機(jī)械阻力（比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高3-5倍），顯著提升了骨整合效率與機(jī)械強(qiáng)度，同時降低了微碎片脫落引發(fā)的術(shù)后炎癥風(fēng)險。”
藝術(shù)與雕塑領(lǐng)域同樣受益：材料擠出技術(shù)可精確沉積粘土，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計；研究與開發(fā)中，實(shí)驗(yàn)室與大學(xué)借助該技術(shù)快速、低成本生產(chǎn)原型，通過定制組件支持實(shí)驗(yàn)測試。此外，陶瓷3D打印還常用于設(shè)計鑄造模具的型芯。
陶瓷3D打印的應(yīng)用場景仍在持續(xù)擴(kuò)展。從歷史悠久的傳統(tǒng)工藝到前沿的增材制造，陶瓷材料正以全新姿態(tài)重塑多個行業(yè)的生產(chǎn)方式與技術(shù)邊界。
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