陶瓷光固化3D打印工艺流程

在众多陶瓷材料的增材制造技术中，陶瓷光固化技术因具有理想的成形质量而受到广泛关注和重视。陶瓷光固化技术采用光敏陶瓷浆料或膏体为原料，利用特定波长的光源控制其逐层固化。与其他方法相比，基于光敏聚合原理的陶瓷光固化 3D 打印成型工艺具有成型精度高、样件表面质量好等特点，因而具有广泛的应用前景。长按下方二维码，关注公众号，通过底部菜单“微信群”即可加入陶瓷3D打印交流群：

陶瓷光固化 3D 打印由浆料制备、光固化成形、坯体热脱脂和烧结四个步骤组成：

图  陶瓷光固化 3D 打印流程

（1）浆料制备

浆料制备的过程是将陶瓷粉末、分散剂添加到液态光敏材料中进行充分搅拌混合，得到陶瓷浆料。

图  陶瓷光固化浆料制备工艺流程

由于后续坯体脱脂和烧结需求成形零件内含有较高的陶瓷固含量，因此配制的浆料需要具有尽可能高的固含量。但在成形过程中，浆料中过高的陶瓷固含量会导致入射的曝光光线在陶瓷颗粒间发生散射和吸收，因此在提高陶瓷固含量的同时，还要求浆料具备光固化的可成形能力。

陶瓷浆料的制备和性能是良好打印效果的关键前提。陶瓷浆料应具有适当的流变特性，包括合适的黏度和长久的分散稳定性。陶瓷颗粒必须均匀有效地分散在光敏溶液中，良好的陶瓷浆料还应在打印过程中保持合适的黏度以保证流动性，并在合理的时间内(如数小时至数天)保持稳定而不产生明显的颗粒沉淀。快速沉淀的不稳定浆料会导致打印件材料和性能不均匀。

（2）光固化成形

根据配制得到的陶瓷浆料流变性能，改进设计光固化成形机构，并进行曝光参成形试验，通过调整每层曝光时长和曝光光强，找到最适合的成形参数，成形得到陶瓷坯体。

而由于光敏材料中分散有较高含量的陶瓷颗粒，导致入射曝光过程中入射光线在陶瓷粉末颗粒间的散射和吸收作用明显加强，使得每层的光线穿透深度不够，导致成形失败，散射作用的提高，也使得成形精度下降。因此光固化成形工艺参数的优化程度决定了最终陶瓷零件的精度。

（3）坯体热脱脂

在光固化成形得到的陶瓷坯体零件内部，陶瓷颗粒由固化的光敏材料粘结在一起，为了得到纯的陶瓷零件，需要通过加热的方式将坯体中的有机物粘接剂去除，这一步骤称为脱脂，脱脂结束后得到的松散易碎的纯陶瓷零件称为陶瓷素坯。

图 热脱脂过程（a）（b）初期，（c）中期，（d）后期

陶瓷生坯的热脱脂属于非稳态传质和传热过程，受热产生的液相有机粘结剂以及小分子有机物挥发产生的气相产物在空间上的分布随时间进行变化。根据坯体内空间结构的变化可以把热脱脂过程划分为三个阶段：

• 脱脂初期，陶瓷坯体内仍充满着有机粘结剂，坯体表面由于低温小分子有机物的挥发而变得“粗糙”，如图(a)(b) 所示；
• 脱脂中期，气/液界面的孔道由坯体表面向内部深入，在坯体中逐渐形成贯通的气孔，如图 (c)所示；

• 脱脂后期，陶瓷生坯因有机物的相继排除而具有了连通的气孔结构，并且在相对较高的温度下将残余的有机物排除殆尽，形成结合力较弱的陶瓷颗粒坯体，如图(d)所示。

由于应用于光固化成形的陶瓷浆料固含量通常低于传统注射成形浆料的固含量，这就给脱脂过程带来了困难：

②脱脂过程中过快的升温速率和不适当的保温阶段的设置会导致零件内部有机物发生剧烈分解，产生大于零件自身结构强度的内部应力，从而使得零件产生裂纹、鼓包和层间剥离等缺陷，极大地影响最终烧结零件的强度。

（4）烧结

烧结是通过将零件加热到一定温度并进行一段时间保温，使得零件结晶致密化。颗粒间由点接触状态逐渐形成烧结颈并慢慢扩张成为晶界，伴随着微观上的致密与宏观上的尺寸收缩，颗粒的表面能转换成晶界能的过程。

烧结作为增材制造的最后一个阶段，也是零件性能提升的阶段，在此过程中，零件会出现体积收缩，密度增加，硬度增加等。过高的烧结温度或过长的烧结时长会导致晶粒增长速度过快，使得内部空隙难以消除，无法实现致密化；过低的烧结温度或过短的烧结时长会导致晶界难以形成，同样也无法实现致密化。因此烧结工艺路线的选择影响了陶瓷件的致密化程度和收缩变形，从而影响陶瓷零件的强度和精度。

2024年6月21日

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原文始发于微信公众号（陶瓷科技视野）：陶瓷光固化3D打印工艺流程