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3D打印技术在传统陶瓷领域的应用进展
时间:2017/11/16 00:00:00    点击:      作者:    来源:


近几年,“3D 打印”概念不断被人们熟悉,并成为科技界最火热的技术名词。理论上,只需要一台 3D 打印机和一些材料,就可以把你的一切想法转化成现实产品。车、房子、骨骼、甚至食品都可以通过 3D 打印完成。2013 年初,美国总统奥巴马在国情咨文中指出“3D 打印有可能革命化我们制造几乎所有产品的方式。”英国《经济学人》杂志则认为 3D 打印将与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命

1 3D 打印工作原理

3D 打印(Three Dimensional Printing,3DP)实质为一种快速成型技术,是由成型设备以粉末材料累加的方式制成实物模型。与传统制造业的去除材料加工方式不同,3D 打印遵循的是加法原则,即实物为层层粉末叠加而成,所以也称“增材”技术。试想如果把任何一件 3D 物品看成是二维平面的叠加,理论上所有物体就都能被打印出来。

2 传统陶瓷 3D 打印研究进展

起初,3D 打印技术在陶瓷领域的应用主要是模型的制作,利用 3D 打印的精致模具再翻模成型,制成精美的陶瓷产品。但随后,3D 打印逐渐能够完成真实陶瓷产品的制作。2009年,位于土耳其伊斯坦布尔的 Unfold 设计室发起了一个名为“Stratigraphic Manufactury”(地层学制造)的项目,该项目旨在实现陶瓷的 3D 打印。

    近几年,国外很多公司或科研团体在从事传统陶瓷的 3D 打印技术研究,取得了众多突破性进展。2012 年10 月,Unfold 设计室在“deseen”杂志公布了他们的最新研究成果。利用自行研发的 3D 打印设备成功打印了造型各异的日用陶瓷制品。有些产品经表面上釉并烧制后,效果惊人,质量优异,如图所示。

      

  奥地利的 3D 打印公司 Lithoz 开发了基于光刻的陶瓷制造技术(LCM)。借助 LCM 技术开发的最新型 3D打印机 CeraFab 7500 能够打印高精确度、高密度、高强度的陶瓷,材质包括氧化铝、氧化锆等,成为陶瓷材料 3D 打印的领导者,如图所示。

      


    波兰的 Tytan 3D 开发团队成员 Janusz Wojcik 和Pawel Rokita 成功研发了可以自由选择打印材料的 Delta3D 打印机,如图 所示。打印机采用铝质框架,所有的机械元件都是专业级零件,电机和电子控制系统安装于打印机上方。打印空间约直径 20 cm,高 35 cm。墨盒可以存储不同的陶瓷材料,甚至可以使用能硬化的砂质材料。  

   

荷兰埃因霍温艺术家 Olivier van Herpt 成功研发了一台拥有成人身高、并可打印较大体积陶瓷的 3D 打印机,如图所示。打印成品规格可达到高 80 cm,半径 21 cm,细节颇为精致。Olivier van Herpt 还尝试用不同类型的粘土进行试验,并研发出适合作为打印线材的陶瓷原材料。

      

总部设在以色列的 Studio Under 工作室成功推出了有史以来最大的陶瓷 3D 打印机。该 3D 打印机可以打印陶瓷及几乎所有类型的糊状材料。除此之外,他们还推出了彩色陶瓷的 3D 打印,如图所示。

       


英国布里斯托的西英格兰大学(UWE)开发出了一种改进的 3D 打印陶瓷技术。该技术可用于定制陶瓷餐具,比如漂亮的茶杯和复杂的装饰物,如图所示。这项技术被称为自己上釉 3D 打印陶瓷(self-glazing 3Dprinted ceramic)。UWE 精细打印研究中心(CFPR)主任 Stephen Hoskins 教授把他们开发的可 3D 打印陶瓷材料称为“ViriClay”,在白色陶瓷餐具行业具有广阔的应用前景。

       


    自 20 世纪 90 年代初以来,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西北工业大学等国内高校在 3D 打印材料技术方面进行了积极探索,主要涉及航空、机械、医疗、生物、模具、汽车、军工等领域,如:清华大学长期致力于生物领域的 3D 打印技术,研发出国内第一台细胞 3D 打印机,确定了几乎适合所有细胞组装的通用基质材料等。西北工业大学为国产大飞机 C919 完成了机翼关键件等研发配套工作 ;北京航空航天大学突破了钛合金、超高强度钢大型关键构件制造技术。2013年,以硅粉为原料,糊精为粘结剂,采用 3D 打印快速成型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。整体来看,国内在传统陶瓷领域 3D 打印的成果还不太多,少量的研究也是在利用 3D 打印技术制作陶瓷模型后再翻模。

陶瓷是千年窑火淬出的传统工业,3D 打印则是一项改变人类思维的全新技术,当两者碰撞在一起,究竟会产生什么样的火花我们还不得而知。但是我们有理由相信,3D 打印技术一定会在不久的将来带来一场制造业的深刻变革。同时,我们也必须清醒地看到,陶瓷 3D 打印对陶瓷粉体本身材质、釉面装饰等提出了更高的要求。虽然3D 打印在造型上取得了突破,但要想完全颠覆传统陶瓷文化与工艺特色,可能走的路还很长。