3D列印技術在傳統陶瓷領域的應用進展

近幾年，「3D列印」概念不斷被人們熟悉，並成為科技界最火熱的技術名詞。理論上，只需要一台3D印表機和一些材料，就可以把你的一切想法轉化成現實產品。車、房子、骨骼、甚至食品都可以通過3D列印完成。2013年初，美國總統奧巴馬在國情咨文中指出「3D列印有可能革命化我們製造幾乎所有產品的方式。這在其他地方也可實現。」英國《經濟學人》雜誌則認為3D列印將與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命。

1 3D列印概述

1.1 3D列印的概念

3D列印（Three Dimensional Printing，3DP）實質為一種快速成型技術，是由成型設備以粉末材料累加的方式製成實物模型。與傳統製造業的去除材料加工方式不同，3D列印遵循的是加法原則，即實物為層層粉末疊加而成，所以也稱「增材」技術。試想如果把任何一件3D物品看成是二維平面的疊加，理論上所有物體就都能被列印出來。

1.2 3D列印的歷史

3D列印最早由Charles Hull於1984年開始研究。1986年3月11日，第一篇與3D列印相關的專利「Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by stereo lithography」正式發布，其原理為立體光刻造型技術（stereolithography）。隨後出現了熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）與選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）另兩種3D成型技術。可以認為，立體光刻造型、熔融沉積成型、選擇性激光燒結是實現3D快速成型的最主要實現方式，為3D列印技術的發展奠定了非常堅實的基礎，以致很多現在的3D列印技術都還保留了其技術特點。

1993，美國麻省理工學院（MIT）申請的專利「Three Dimensional Printing techniques」（3D列印技術）正式發布。這是一種依賴已有噴墨技術的3D成型技術。此後，3D列印設備不斷更新和發展，成為很多科研院所的研究方向。 3D列印技術隨後不斷發展，很多難以想像的產品被不斷列印完成。2005年，市場上首個高清晰彩色3D印表機Spectrum Z510由Z corpration公司研製成功。2010年11月，世界上第一輛由3D列印而成的汽車Urbee問世。2011年7月，英國研究人員開發出世界上第一台3D巧克力印表機。2011年8月，南安普頓大學的工程師們開發出世界上第一架3D列印的飛機。2013年11月，美國德克薩斯州奧斯汀的3D列印公司利用「Solid Concepts」（固體概念）設計製造出 3D 列印金屬gun。

1.3 3D列印工作原理

3D列印主要依靠噴墨列印頭存取的液態粘合劑，不斷將金屬或陶瓷粉末材料粘結固化。整個過程開始於粉末供應床的最上層，噴墨列印頭根據選定的目標區域來釋放粘合劑，這些區域的粉末粘合在一起形成很薄的層面。等3D印表機構建一層後，可以通過活塞的作用將構建平台降低，然後通過輥道將新的一層粉末補充為「平面」，印刷重複。列印完成後，可將被列印 物體周圍鬆散的支持粉體刷掉或清除。 但是隨著科技的不斷發展，有些3D列印設備已不在粉體供應床中進行列印，而是直接把粉體、粘合劑、其它添加劑混合形成「陶瓷墨水」，然後通過印表機原理將這種陶瓷墨水直接列印到載體上成型，成型體的形狀及幾何尺寸由計算機控制。

2 傳統陶瓷3D列印研究進展

起初，3D列印技術在陶瓷領域的應用主要是模型的製作，利用3D列印的精緻模具再翻模成型，製成精美的陶瓷產品。但隨後，3D列印逐漸能夠完成真實陶瓷產品的製作。2009年，位於土耳其伊斯坦布爾的Unfold設計室發起了一個名為「Stratigraphic Manufactury」（地層學製造）的項目，該項目旨在實現陶瓷的3D列印。 近兩年，國外很多公司或科研團體在從事傳統陶瓷的3D列印技術研究，取得了眾多突破性進展。2012年10月，Unfold設計室在「deseen」雜誌公布了他們的最新研究成果。利用自行研發的3D列印設備成功列印了造型各異的日用陶瓷製品。有些產品經表面上釉並燒制後，效果驚人，質量優異。 奧地利的3D列印公司Lithoz開發了基於光刻的陶瓷製造技術（LCM）。

藉助LCM技術開發的最新型3D印表機CeraFab 7500能夠列印高精確度、高密度、高強度的陶瓷，材質包括氧化鋁、氧化鋯等，成為陶瓷材料3D列印的領導者。 波蘭的Tytan 3D開發團隊成員Janusz Wojcik和Pawel Rokita成功研發了可以自由選擇列印材料的Delta3D印表機。印表機採用鋁質框架，所有的機械元件都是專業級零件，電機和電子控制系統安裝於印表機上方。列印空間約直徑20 cm，高35 cm。墨盒可以存儲不同的陶瓷材料，甚至可以使用能硬化的砂質材料。 荷蘭埃因霍溫藝術家Olivier van Herpt成功研發了一台擁有成人身高、並可列印較大體積陶瓷的3D印表機。列印成品規格可達到高80 cm，半徑21 cm，細節頗為精緻。Olivier van Herpt還嘗試用不同類型的粘土進行試驗，並研發出適合作為列印線材的陶瓷原材料。

總部設在以色列的Studio Under工作室成功推出了有史以來最大的陶瓷3D印表機[16]。該3D印表機可以列印陶瓷及幾乎所有類型的糊狀材料。除此之外，他們還推出了彩色陶瓷的3D列印。

英國布里斯托的西英格蘭大學（UWE）開發出了一種改進的3D列印陶瓷技術。該技術可用於定製陶瓷餐具，比如漂亮的茶杯和複雜的裝飾物，如圖10所示。這項技術被稱為自己上釉3D列印陶瓷（self-glazing 3D printed ceramic）。UWE精細列印研究中心（CFPR）主任Stephen Hoskins教授把他們開發的可3D列印陶瓷材料稱為「ViriClay」，在白色陶瓷餐具行業具有廣闊的應用前景。 自20世紀90年代初以來，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京航空航天大學、西北工業大學等國內高校在3D列印材料技術方面進行了積極探索，主要涉及航空、機械、醫療、生物、模具、汽車、軍工等領域，如：清華大學長期致力於生物領域的3D列印技術，研發出國內第一台細胞3D印表機，確定了幾乎適合所有細胞組裝的通用基質材料等。西北工業大學為國產大飛機C919完成了機翼關鍵件等研發配套工作；北京航空航天大學突破了鈦合金、超高強度鋼大型關鍵構件製造技術 。

2013年， 以硅粉為原料，糊精為粘結劑，採用3D列印快速成型技術製備出多孔硅坯體，通過反應燒結得到高孔隙率的螺釘、螺母等氮化硅陶瓷部件 。整體來看，國內在傳統 陶瓷領域3D列印的成果還不太多，少量的研究也是在利用3D列印技術製作陶瓷模型後再翻模。如：龍泉青瓷藝人梅紅玲藉助3D列印技術製作了青瓷牛的樹脂模具，然後制模燒製成了第一件鎮紙大小的瓷牛，細節栩栩如生，成為青瓷文化中的特殊藝術品 。

3 傳統陶瓷3D列印特徵

傳統陶瓷的製作是一項繁雜的過程，一件陶瓷製品從最初的原料加工到最後燒成需要幾十道工序，環環相扣，缺一不可。而陶瓷的3D列印技術可以大大節省時間，使工藝簡單化，且節省了大量的勞動力成本和原料、能源消耗。其中最明顯的就是原料加工環節，差別最大。 傳統陶瓷原料按照工藝特性一般可分為可塑性原料、瘠性原料、溶劑性原料和功能性原料四大類。其中可塑性原料在生產中主要起塑化和結合的作用，是陶瓷成型的關鍵，它賦予坯料可塑性和注漿成型性能，保證干坯強度及燒成後的機械強度、熱穩定性、化學穩定性等，包括高嶺土、膨潤土、瓷土、木節土、蘇州土等，是黏土質陶瓷的成瓷基礎。但是由於粘土礦物成因複雜，組成不均，表現為可塑性、觸變性、結合型、收縮性、耐火度等性質差異較大。因此各個陶瓷產區其陶瓷坯料配方及工藝存在差別，但唯一不變則是粘土本身就是一種永久性粘合劑，即在傳統陶瓷坯料配方中，很少再添加其它粘合劑來改善其坯料性能。 但是如果傳統陶瓷3D列印成型，泥料的性能和其加工過程將大大改變。傳統可塑泥料需要經過破碎、球磨、壓濾、練泥、陳腐等工藝製備而成。

但如果將可塑泥料用於3D列印成型，則在細度、流動性、可塑性等方面都會存在問題，因為3D列印原料更接近於膠凝材料，或是高固相體積分數的懸浮漿料。為達到泥漿良好的流變性能，靠粘土本身的粘附作用力還遠遠不夠，必須使用粘結劑及其他塑化劑，通過添加劑的改性作用使粉料具備優異性能，在顆粒間產生膠結作用，從而降低黏度，增加流動性，保證3D印正常進行。常用的粘結劑如：澱粉、糊精、CMC、阿拉伯樹膠、樹脂、凝膠類等高分子物質。而且這些添加劑在燒成過程中，其主要化學成分被分解揮發，對坯料沒有明顯影響。 其實粘結劑在傳統陶瓷釉料中也經常使用，目的主要是改善漿料的流動性。傳統陶瓷3D列印製造過程中，通過改變傳統陶瓷泥料的製備模式，其原料的選擇性更廣，低可塑性原料、瘠性原料也可以通過粘合劑的凝膠塑化替代高可塑性原料，使資源問題得到緩解。

4 傳統陶瓷3D列印的挑戰

陶瓷3D列印雖然具有其他技術無可比擬的優勢，能製造出創造性的陶瓷產品，讓每件產品都如藝術品般值得欣賞與回味。但是同樣面臨著巨大的挑戰。對傳統陶瓷的製造而言，最大的問題可能來源於粘土類型、3D列印陶瓷的顏色、釉面效果、CAD數據建模、陶瓷燒成時的穩定性等。首先是粘土的類型和質量。從目前研究進展來看，並不是所有粘土都適用於3D列印成型，國外雖有成功經驗，但都還處於保密狀態。粘土本身是一種片狀結構的顆粒，加水和粘結劑即可能產生觸變性，這對於堆積後的強度會產生非常大的影響，大件產品易產生坍塌。而對於陶瓷的顏色，目前陶瓷墨水的顏色種類還比較有限，要想獲得更為豐富逼真的色彩，可能在陶瓷墨水領域需要進一步研究。其次，3D列印設備還無法達到普及狀態，也很難找到能運用這項技術的專業人才。

如果要進行3D列印，必須有數字化的3D模型才行。目前，計算機輔助設計軟體的缺失也是很大的瓶頸。第三，即使有效地堆積出尺寸精確、結構複雜的陶瓷物件，燒結時複雜燒結體中殘餘應力如何消除這一技術難題也需要解決。3D陶瓷產品的質量穩定性、產品的尺寸、吸水率等都需要進一步思考。 陶瓷是千年窯火淬出的傳統工業，3D列印則是一項改變人類思維的全新技術，當兩者碰撞在一起，究竟會產生什麼樣的火花我們還不得而知。但是我們有理由相信，3D列印技術一定會在不久的將來帶來一場製造業的深刻變革。同時，我們也必須清醒地看到，陶瓷3D列印對陶瓷粉體本身材質、釉面裝飾等提出了更高的要求。雖然3D列印在造型上取得了突破，但要想完全顛覆傳統陶瓷文化與工藝特色，可能走的路還很長。

編輯：南極熊

作者：王 超

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