陶瓷材料如何运用于3D打印技术中

对于没接触过3D打印的童鞋来说，总觉得3D打印特别遥远。今天晴子老师就来为大家揭开3D打印的神秘面纱——用通俗易懂的方式介绍什么是3D打印技术。主要从技术原理、3D打印流程、3D打印应用领域三个方面进行介绍。

什么是3D打印技术？

近年来，3D打印这个名词逐渐从陌生走向熟悉，走进了人们的生活和工作。但是，还是有很多童鞋对3D打印了解不够。3D打印并不神秘，它只是一种新的制造加工技术。3D打印是一种快速成型技术。它是基于数字模型(3D设计文件)文件，使用粉末金属或塑料等粘合材料，通过3D打印机逐层打印物体的技术。

童鞋如果不理解这段话，可以想象唐华的生产过程。3D FDM打印技术的原理与制作唐华的过程基本相同。

3D打印机——唐华大师的手和勺子

数字模型——唐华大师的心灵图景

可粘合材料-热糖浆

逐层印刷——在一个(二维)平面上逐层倒糖浆(逐层固化)，从而形成一个具有高度的(三维)物体。

我相信你对3D打印有一些想法。3D打印技术有很多种，对应的3D打印机和3D打印材料也不一样。

与传统工艺相比，陶瓷3D打印技术具有精度高、设计自由、无需模具、复杂结构可控制造等显著优势。目前，发达的陶瓷成型方法包括SLA、DLP、激光烧结、熔融沉积等。在表面质量和成型效果方面，光固化技术体现出更好的印刷效果。根据市场需求，快实早年已开发出桌面级和工业级DLP陶瓷3D打印机。

随着陶瓷3D打印技术的逐步成熟，越来越多的领域开始使用这一技术来解决传统技术无法解决的痛点。在应用过程中，我们也认识到由于材料和精度的限制，一些前沿的工业应用存在局限性。因此，为了满足科研机构的需求，我们研发生产了集多种材料和高精度于一体的陶瓷3D打印机。对于Brightorb，AGCC和VoxelJet还开发了一种新的3D打印机VX1000，它可以打印体积为1000 x 600 x 500毫米的零件，并将陶瓷颗粒与无机粘合剂结合起来。

一家日本公司为粘土开发了一种新的3D打印机Brightorb主要由氧化铝（Al2O3）80%、氧化锆（ZrO2）10%、氧化硅（SiO2）9%、矿物刚玉、巴氏合金和各种水泥组成。Brightorb在3D打印过程中被应用于构建平台，其平均粒度为50微米，层厚为100微米，并选择性地与无机粘合剂结合。另一方面，它可以有效减少单一材料模型的性能短板，提高打印产品的热稳定性、强度和韧性。

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3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。

应用领域

2018年12月3日，名为Organaut的突破性3D打印装置，执行“58号远征”（Expedition 58）任务的“联盟MS-11”飞船送往国际空间站。

扩展资料

对于生物制造，这一3D打印最前沿的领域，颜永年认为，基于3D打印技术的细胞三维受控组装工艺，是生物制造中最为核心的技术，其目标为具有新陈代谢特征生命体的成形和制造。

前不久，国内科学家们就使用3D打印技术构建生物支架，通过取用孩子耳朵上的软骨细胞，为5名天生具有耳朵缺陷的小孩安装了新的耳朵。

3D打印是一项基础技术，与其他技术融合发展后，可以在很多领域得到广泛应用。人们对于3D打印的认识已经从概念阶段向应用阶段转变，这说明3D打印产业发展指日可待。

未来，3D打印的发展趋势是速度更快、精度更高、成本更低、应用更广、操作更简便，其发展方向是终端产品生产、智能化、批量化等。

参考资料来源：百度百科—3D打印技术

1、配料

根据成形技术和最终的性能要求，选择合适的原材料，一般包括陶瓷粉末、粘结剂、添加剂，按一定比例混合均匀。

用于3D打印的陶瓷材料形态包括：

浆料，陶瓷成分与其他溶剂及添加剂的混合物，通过物理、化学的方式成形

陶瓷丝材，用于熔融堆积工艺

陶瓷粉末，陶瓷粉末、矿化物、粘结剂等的混合物，用于激光烧结、粘接等

陶瓷薄片，片压成形、粘接。

2、3D打印成形

使用3D打印技术实现陶瓷零件成形，得到特定形状结构的陶瓷坯体。具体方法见后文对各种陶瓷3D打印成形技术的介绍。

3、坯体后处理

对陶瓷坯体进行清洗、表面增强、修复、干燥等后处理，使坯体的强度、精度等性能达到要求，有利于之后的热处理环节。

4、脱脂和烧结

将完好的坯体放入炉子中，按照设定好的温度制度、焙烧气氛和压力进行热处理。这个过程分为两个阶段：加热到600多℃脱去坯体中的有机物，这是十分敏感容易出现缺陷的阶段加热到1000多℃实现致密化、形成陶瓷，这是晶粒长大、晶界形成、实现陶瓷强度的过程，决定着制品的最终性能。烧结完成等冷却后便可得到最终的陶瓷产品了。

“3D打印陶瓷”突破传统陶瓷造型 未来市场如何？

2014年02月15日 09:16来源： 中国文化报 文珊

原标题：3D打印陶瓷：谁来捧场？

国外设计师的3D陶瓷艺术作品

陶瓷是千年窑火淬出的传统工业，3D打印则是最近大热的一门全新技术，当两者碰撞在一起，会擦出怎样的火花？

突破传统陶瓷造型

在国外的工业领域，早就有用3D打印来制造建筑用瓷的企业，现在艺术家也把目光投向了这项革命性技术，利用传统的工艺烧造技术加上无限创意，就能打造出绝美的陶瓷艺术品。

西班牙设计师伯纳特·屈尼（Bernat Cuni）就借助了3D陶瓷打印，完成了他所谓“每天一个咖啡杯”的计划。在30天的时间里，屈尼每天都会制作出一个稀奇古怪的咖啡杯。每个杯子从构思、设计、成型到制成所花费的时间都控制在24小时之内。

从概念变身实物最重要的是构建现实模型，整个3D打印过程需要花费大约4小时的时间。在平铺的陶瓷粉上的特定区域沉积有机粘结剂，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。之后模型将会被送入炉中加热，这样粘结剂就会被固化。出炉后，扫掉外层的陶瓷粉末，一个实体的模型就算是做成了。被清理掉的陶瓷粉还可以用于下一个模具的制造。

为了让屈尼的杯子永久地保持住结构外形，它需要被送入炉子中再用高温“磨炼”一番。通过使用一种水性喷雾对其预先上釉，可以减少表面粗糙程度，然后再进行低温加热，为最终在表面上釉打下基础。层层加工之后，带着亮丽光泽的咖啡杯就修成正果了。

原本只是模型的咖啡杯变成了触手可及的现实事物，充分体现出了3D陶瓷打印技术的可操作性和便捷性。屈尼制造的咖啡杯虽然在实用性上有所欠缺，但新鲜的想法和技术带给人耳目一新的感觉。

如果说，传统陶瓷工艺高温烧结的魅力是3D陶瓷打印无法企及的，那么3D陶瓷打印的造型技术，却能完成传统陶瓷工艺所无法表现的繁复三维结构。

补充中层市场

传统的方法，制作雕塑要抟泥、塑型，考验工匠的用刀和对泥土湿度的把握。而3D陶瓷打印则是承担了过去手工塑型制模的整个过程。

目前，已经有不少学校引进了陶瓷3D打印机，主要用于工业设计专业进行模型设计、制作的教学与实验。相比传统的制作工序，3D技术的运用，更符合热爱在电脑上完成操作的“80后”“90后”的“胃口”。“半天就可以出成品，加上电脑设计，比原先全部通过手工操作要节省一半的时间，不仅节省了大量的成本和时间，还为模型的制作提供了便利的可修改性、实验性和创造性，对于产业未来的发展具有极大的推动力。”一位工艺美术学校的老师如是说。

传统的瓷塑制作，利用泥巴进行塑造成型、晾干、开模、倒坯、烧制等，所投入的时间、资金成本大，且不易于修改。这对非物质文化遗产的传承和传统瓷塑技法的发展，也提出了新的命题。如果能把传统技术和现代科技相结合，对产业的发展将会起到巨大的推进作用。

有专家表示：“如今，历史文物、人物肖像、山水风光等题材，都可以通过3D打印技术塑型建模，并且大批量复制生产。这些作品将突破传统造型，极大地丰富艺术形态。现代制造技术和艺术价值的结合，能使瓷器吸引更多消费者，为产业创造更大利润。”

3D打印技术带来成倍提升的制造效率，以及手工无法实现的工艺精度，也让业内人士表示，其有望填补“具有一定附加值和文化内涵、面向一般消费者”的陶瓷产品的市场空白。

普及仍需时日

在瓷都福建德化，3D打印这项看似“高大上”的神秘技术，已悄然走进传统陶瓷工业。

在德化一家陶瓷公司，技术人员先经过计算机设计成立体图像，后指令精雕机雕刻。15分钟后，活灵活现的“飞龙”陶器就出窑了。

该公司经理表示，引进这台机器之前，他们还有很多担忧，但用过之后，发现不仅效率得到了提高，许多之前很难完成的零部件，如人物头像、茶杯纹路、镂空图案等，都能很快打印出来了，目前这台机器主要是用来做前期模具。

目前国外3D打印的材料已有100多种，而国产材料仅几十种，许多材料还依赖进口，价格相对高昂。正因为如此，3D打印的概念很热门，但大多数企业仍持观望态度，并不愿意投入几百万元上千万元去采购设备。一些中小企业会把需要的模型拿到拥有3D打印机的单位扫描制作，再打印出成品，这样可减轻企业的成本负担。

“其实，单靠一家公司的研发是做不成规模的，3D产业的发展还是需要政府牵线、引导。”3D打印从业人士表示，目前3D打印技术还未普及，3D打印缺乏专业人才是个问题。除了成本相对较高无法投入，一个重要的原因就是找不到能运用这项技术的专业人才。要有专业的设计和应用人才，才能够将这项技术和创意相结合，运用到陶瓷产业中。未来专业的3D技术人才将成为3D企业发展的致胜法宝。

3D打印技术的“加式”方法使产品结构一体化，变得更加简单，甚至某些特殊铰接结构可借助辅助性材料一次成型而无需组装，不仅提高了生产效率，也提高了产品的结构强度和可靠性 。

（1）3d打印技术在汽车制造工作的具体应用

a.各类零件的制造： 3D打印技术所生产的零件则较为精细，力学性能也较为可靠。并且在处理一些突发状况时，3D打印技术有着绝对的优势，例如在汽车制造时，某一些零件出现意外问题，此时就可以使用3D打印技术来进行紧急的修复，3D打印技术相较于传统的制造技术，其生产周期非常短，并且可以使用加急打印，可以在短时间内解决意外产生的问题。这可以减少企业为了应对突发情况所准备的库存零件，可以在一定程度上增加企业的资金流通程度，促进企业的发展。

b.复杂模具的更高效、便捷的制造 ：3D打印技术可以将模具一体成型，不再需要拼接等方式来制造模具，3D打印技术中选取激光烧结技术可以直接制作模具，这对于汽车制造企业控制模具投入成本有着极其重大的意义。同时3D打印技术所制造的复杂模具精确度很高，力学性质非常的稳定，这对于模具的实用性有很大的提升。

c.实现轻量化零件的更有效制造 ：3D打印技术可以在确保了零件力学性能的情况下，有效地制作出轻量化零件。例如Fortus900mc生产型的3D打印机就可以生产出比同等质量黏土还要轻的且可以保证力学性能的零件。这为汽车行业响应可持续化发展提供了技术保障。

（2） 3D打印技术在汽车维修中的应用

a.3D打印技术在零部件维修工作中的应用 ：目前在汽车维修行业中已经有许多零部件采用3D打印技术进行生产，例如后视镜，门把手，汽缸，各类齿轮等部件。

b.3D打印技术在维修工具中的应用 ：3D打印技术可以在电脑上针对于不同零件的尺寸与规格，对相应的维修工具进行精确的建模，使得其具有标准的尺寸与规格，可以完全匹配所需要进行维修的零件。这对于汽车维修行业来说，具有非常重大的意义。

汽车制造行业与维修行业在不断的发展中遇到了许多实际的问题，而3D打印技术作为一项新兴的技术，可以有效地解决汽车制造行业与维修行业所遇到的各类问题。3D打印技术目前已经在汽车零部件的制造与复杂模型的制造和维修零部件与维修工具的制造中有了许多的应用。3D打印技术的应用对于汽车制造业与维修行业的发展有了极大的促进作用，并给整个汽车行业的发展带来巨大的影响。

（1）打印涡轮叶片的铸造型芯

（2）打印发动机支架 

（3）打印燃料喷嘴

（4）其他3D应用的重大消息

波音公司已经利用3D打印技术制造出300种左右的飞机零部件，同时波音公司正在与霍尼韦尔公司研究利用3D打印技术打印飞机机翼等更大型的产品。在国内，西北工业大学黄卫东教授团队利用3D打印技术，制造出长达5m的钛合金机翼前缘，并且通过了中国商用飞机公司的5项测试，其性能略高于此前业界常用的锻造件；北京航空航天大学王华明教授团队，针对大型飞机、航空发动机等国家重大战略项目，经过多年研究，在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术，并已在飞机大型构件生产中研发出五代、10余型装备系统，已经接受近10年的工程实际应用考验，使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家。

3D打印技术在打印牙齿、骨骼修复等方面的技术已经比较成熟。同时，3D打印技术在打印细胞、软组织、器官等方面也有所发展。

（1）在骨骼修复方面的应用

在骨骼修复方面，3D打印技术的应用主要在三方面。

一是利用具有良好的生物力学性能和生物相容性的钛及其钛合金材料以及聚醚醚酮（PEEK）等3D打印植入物，在骨缺损、骨肿瘤修复等具有较广泛的研究和应用；

二是用作骨科手术辅助材料的打印；

三是以可降解生物医用材料为基体，通过3D打印来构建骨组织工程支架，用于性化骨损伤修复，不同于材料植入物，可生物降解材料可降低排异反应。

（2）在口腔领域的应用

在口腔方面应用的材料主要有合金，生物陶瓷及光敏树脂等。合金材料主要用选择性激光熔化成型技术来3D打印制作活动假牙支架、牙钉、烤瓷牙金属内冠、牙桥内冠、舌侧正畸托槽等，用于牙齿的修复。

（3）在矫形外科方面的应用

通过逆向工程来构建缺损部位的结构，再应用3D打印将该缺损部位打印出来，形成个性化植入物，可以很好地将植入物与个体颌面部的结构精准吻合，从而使缺损组织的形态和功能得以恢复及美化。国内首例3D打印钛合金已经成功应用于颌面部整形。

（4）用于医学模型设计

利用3D打印技术制作病理器官模型，近年来，3D打印的医学器官模型已经广泛应用于临床实践和教学中，为临床的发展注入了新鲜的血液。

利用3D打印的医学模型能将病理器官及相关组织内部结构的细节形象地显示出来，使身体内部的结构变得更为直观明了，用于辅助术前计划和手术治疗分析及临床教学等。

虽然3D打印技术在医用领域中的个性化、精准化治疗方面表现出了极大的优势，并且已经在临床应用中取得了很大的进展，且在这方面的应用与研究受到了越来越多的关注。但由于受到3D打印设备和材料的限制，目前该技术在医学领域还没有达到规模化的应用。而随着研究者对3D打印设备，工艺研究的不断更新，打印材料的不断改进，3D打印技术在生物医用领域的应用将会越来越广。

（1）国外发展现状

国外的3D打印技术到现在已发展30多年，“轮廓工艺”打印技术、“D-Shape”工艺、3D混凝土打印技术现在都较为成熟。3D打印在建筑领域也日渐成熟，由荷兰建筑师简加普·鲁基森纳思设计的“莫比乌斯环屋”就是运用打印而建成的，以及迪拜推出了宏大的3D打印战略计划，计划2025年前25%新建筑都均3D打印技术建造。

（2）国内发展现状

国内起步晚，但在政府的支持下，也已经建立了多个科研中心，推动着我国3D打印技术发展。以同济大学、清华大学及华中科技大学等科研高校所组成的研究队也在进行着深入的探索。目前主流的研究队进行进深入探索。在环境政策上国家对其也给予了大力支持，《中国制造2025》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》和《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》等政策先后出台，为我国3D打印材料的发展提供了保障。

（3）3D打印建筑案例

a.莫比乌斯环屋

莫比乌斯环屋是以“莫比乌斯环”为原型，利用3D打印技术建造而成的，是世界上第一座由3D打印技术建造而成的房屋。耗时一年半，于2014年年底竣工，建筑面积高达10 500ft2。其建造原理是将建筑分成一个个6m×9m的块材，利用超大型3D打印机进行打印，最后进行拼合。

b.苏州别墅

一栋于2018年建成的位居苏州的别墅也是采用的3D打印建造技术。历时三天，仅由三名建造工人就完成了一栋130m2的别墅的全部建造过程。建筑材料选用钢筋、水泥和建筑垃圾混合而制，置于3D打印机中，再喷绘而出，层层叠加，完成建筑墙体部分建造（见下图）。建筑内部的家具也多采用3D打印技术打印而成（见下图）。

在军事领域，3D打印技术给装备保障带来的变化无疑也是革命性的。 在未来信息化战场上，无论武器装备处于任何位置，一旦需要更换损毁的零部件，技术保障人员可随时利用携带的3D打印机，直接把所需的部件一个一个地打印出来，装配起来就可以让武器装备重新投入战场 ，例如：3D打印导弹系统。

这项技术如果在战场上得到广泛应用,可以用于 应急维修,保证武器装备能够得到及时的维修,以最快速度回到战场上,保证部队的作战能力 。据外媒报道，美国陆军已经加入扩展3D打印行动，为“增强小型前线作战基地的可持续作战能力”，2012年，他们先后向阿富汗战区部署了两个移动远征实验室，实验室由一个6m的集装箱制成，配备有实验室设备、成型机、3D打印机和其他制造工具，可以将塑料、钢铁和铝等材料打印为战场急需零部件。

3D打印在食品领域也有成功的应用，做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉。美国泰尔基金会近日已投资成立了“ 鲜肉3D打印 技术公司”，希望能够为大众提供安全放心的猪肉产品；德国科技公司Biozoon最近推出了一种叫 “Smoothfood”的3D打印食品 ，为进食困难的老年人带来福音，这种食品的制作方法是：将食品原料液化并凝结成胶状物，然后通过3D打印技术制造出各种各样的食物。这种食物很容易咀嚼和吞咽，很可能成为老人护理行业的革新者；国内福建省蓝天农场食品有限公司利用 3D打印技术做出色彩缤纷的个性化饼干 ，受到儿童和年轻女孩的喜爱，市场销路非常好。

3D打印技术在考古文物领域主要用于 修复已经破损的古文物 。在应用3D打印技术进行文物修复时，需要使用3D扫描仪扫描破损文物，完成数据采集，并处理数据，建立相应的模型之后进行打印美国哈佛大学闪族博物馆的两位研究人员通过3D打印修复了一个3000年前被打碎的 瓷器狮子 ，杭州铭展科技有限公司采用3D打印技术修复的 天龙山石窟的石像 古文物的修复展示了3D打印技术在保存物质文化方面的作用。

3D打印技术在时尚界主要用于制作 个性化的衣服鞋子等时尚品 。目前，3D打印技术主要是应用尼龙蜡ABS聚碳酸酯金属和陶瓷等粉末材料，采用选择性激光烧结成型的技术制作衣服和鞋子，如3D时尚凉鞋及背包3D打印技术在时尚界引起轰动。

3D打印技术在日常生活用品中主要用于 制作个性饰品 ，如个性笔筒手机外壳戒指以及各种饰品都可以通过3D打印技术打印出来.

最近，迪士尼的一组研究人员利用3D打印技术在与有机玻璃同样效果的高透光塑料上，以低廉造价打印出了 L C D屏幕与多种传感器 ，实现了I T应用中的新突破。利用3D打印光导管可以制造出高科技的 国际象棋 ，这些国际象棋的棋子可以侦测并显示当前位置。3D打印技术必将为智慧生活和智慧城市创造出更多的IT应用。

3D打印技术在制造业主要用于控制大规模生产质量，降低传统制造业的制作成本，提高速度和精确度。 从3D打印技术造出世界首艘3D打印皮划艇 ，并且成功下水开，到世界上首辆3D打印汽车Urbee在加拿大亮相，3D打印技术对传统制造业产生了一种颠覆性的变革。 3D打印技术通过软件将材料一层层堆积制作出产品，无需对材料切割、锻打组装等工序，节约人力资源，提高了产品的生产效率。

康奈尔大学创意机器人实验室HodLipson提出使用 3D打印技术打印机器人的零部件 ，比如电池电线，甚至微处理器等，打印机不仅可以打印出形状随意的机器人，也可以一次性打印而成机器人所有的机械装置和内部部件，并在打印出来时就完全装配好，无需组装过程（如图所示）打印机还可以打印出如图所示的仅3克重的轻便型的机器人，该机器人制动翅膀在空中自由飞行可以持续90秒，除了发动机和电池，其他部分都是打印出来的。

在"大众创业、万众创新"的大环境下,开展中学生的创客教育能够激发学生的创新思维, 三维建模技术、3D打印技术能够把中学生的设想变为实际模型,从而验证设想的可行性 。

另外， 结合3D打印技术的医学高等教育模式 是对传统模式的创新和发展,提升了学生学习的积极性和效果,未来随着技术的发展和教学方法的改进,由3D打印技术创建的教学环境将更逼真及个体化,学生将更易理解和掌握相关知识。但仍存在许多挑战和问题,还需建立全面的伦理体系以保证其合规性。