陶瓷3D打印在高附加值部件制造領(lǐng)域占一席之地
SmarTech近日發(fā)布了陶瓷增材制造市場的報告，報告預(yù)測陶瓷增材制造材料市場收入2020年超過2000萬美元，2029年將超過4.5億美元。
雖然陶瓷3D打印在中短期內(nèi)仍是一個較小的細(xì)分市場，但經(jīng)過過去幾年發(fā)展，陶瓷3D打印技術(shù)已能實現(xiàn)多種工程陶瓷、先進陶瓷材料的增材制造。借助3D打印技術(shù)在實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，陶瓷3D打印將在陶瓷工業(yè)零部件制造領(lǐng)域占據(jù)一席之地。
高附加值產(chǎn)品推動市場增長
報告顯示陶瓷增材制造的應(yīng)用將在2025年之后經(jīng)歷一個增長拐點。主要原因是，陶瓷增材制造3D打印技術(shù)將逐漸成熟，市場上存在足夠支撐這一技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的生產(chǎn)需求。SmarTech認(rèn)為陶瓷增材制造是一個長尾市場，提供3D打印陶瓷技術(shù)的企業(yè)，將通過為眾多用戶提供少量傳統(tǒng)工藝難制造的產(chǎn)品來實現(xiàn)利潤。
盡管陶瓷3D打印將迎來增長，但這一技術(shù)的發(fā)展中仍存在許多挑戰(zhàn)，最大挑戰(zhàn)仍是如何培育市場對這一技術(shù)的需求。許多生產(chǎn)陶瓷部件的企業(yè)，尤其是制造先進陶瓷部件的企業(yè)，都可以從增材制造設(shè)計的高附加值陶瓷部件中獲益。因此培養(yǎng)企業(yè)增材制造思維，開發(fā)真正高價值的3D打印陶瓷部件，這一挑戰(zhàn)恰好是3D打印陶瓷企業(yè)的機會。
報告涉及到目前市場上三類主要陶瓷3D打印技術(shù)，即： 液態(tài)材料陶瓷-光聚合物復(fù)合漿料，用于光聚合3D打印技術(shù)（SLA 或DLP）；陶瓷粉末材料，通常用于粘結(jié)劑噴射（3DP）或粉末床燒結(jié)（SLS）3D打印技術(shù);長絲、顆粒狀材料或漿料，通常用于擠出沉積3D打印技術(shù)（如熔融沉積技術(shù)FDM）。
1.光聚合3D打印工藝
聚合3D打印工藝是用于加工先進陶瓷材料的相對成熟的3D打印技術(shù)。
美國HRL實驗室在2016年開發(fā)了一種用于光固化3D打印的陶瓷"先驅(qū)體轉(zhuǎn)化聚合物"材料，通過這些聚合物制造的陶瓷均勻收縮，幾乎沒有孔隙度。并且可以形成晶格和蜂窩狀材料，不但形狀復(fù)雜，并且還表現(xiàn)高的強度，這種密度泡沫陶瓷可以在推進零部件、 熱防護系統(tǒng)、 多孔燃燒器、 微機電系統(tǒng)和電子設(shè)備獲得應(yīng)用。如使用在高超聲速飛行器和噴氣發(fā)動機中，這種陶瓷可以幫助設(shè)計者制造能抵御起飛過程中所排出的廢氣引起的加熱和高溫度的小零件。
目前國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批基于光聚合3D打印的陶瓷增材制造企業(yè)，比如浙江迅實科技。公司在DLP技術(shù)上的陶瓷3D打印已相對成熟。迅實科技生產(chǎn)的Cera Ray高固含量陶瓷3D打印機和CeraRay桌面級陶瓷3D打印機都可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速成型。打印速度快，精度高，和許多有名的陶瓷生產(chǎn)公司有合作。
2.粘結(jié)劑噴射工藝
粘結(jié)劑噴射工藝陶瓷制造技術(shù)正在不斷發(fā)展，可用于先進陶瓷及傳統(tǒng)陶瓷材料的制造。粘合劑噴射3D打印被證明適合陶瓷材料的制造，該技術(shù)具有可以生產(chǎn)多孔產(chǎn)品，材料選擇靈活，尺寸限制不高，速度快、更容易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的優(yōu)勢。
3.材料擠出沉積工藝
基于材料擠出沉積的3D打印技術(shù)也可用于陶瓷材料增材制造，但這類技術(shù)存在精度低、表面粗糙度大的問題，以及難以進行層間控制的難點。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，美國大型國防合約商雷神公司（Raytheon Company）對FDM 陶瓷3D打印技術(shù)進行了嘗試，并獲得自然界中不存在的新型材料。他們在長寬比為至少2：1的陶瓷中使用添加劑以制成長絲，然后通過FDM技術(shù)進行3D打印使得陶瓷產(chǎn)品具有紋理化的微結(jié)構(gòu)和表面，并增強物理和化學(xué)性質(zhì)，利用陶瓷的各向異性特性，獲得單晶材料。另外，還可以通過纖維增強來實現(xiàn)增強的微結(jié)構(gòu)，添加劑可包括任何結(jié)晶材料，合成材料或聚合物材料，合適的添加劑包括白榴石，二硅酸鋰，氮化硅，玻璃（例如二氧化硅）或其任何組合。
陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展與材料制備技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。例如，在應(yīng)用中，雖然同樣是使用光固化3D打印技術(shù)，但制造出的陶瓷件性能卻可能截然不同，這與陶瓷漿料配方密切相關(guān)。大多數(shù)陶瓷 3D 打印機限于"氧化物陶瓷材料"低熔點陶瓷打印，但也有一些陶瓷漿料配方是高溫陶瓷，如美國HRL實驗室開發(fā)的一種用于光固化3D打印的陶瓷"先驅(qū)體轉(zhuǎn)化聚合物"材料，這種材料在3D打印后經(jīng)過過火可以生成致密的陶瓷部件。
