陶瓷3D打印技术特点及PEP与DLP的差异

陶瓷3D打印技术及应用材料

陶瓷以其较高的机械强度和硬度、良好的化学稳定性以及优异的声光电磁热等特性，被广泛应用于化工、机械、电子、航空航天和生物医学等领域。传统陶瓷制造工艺通常将陶瓷粉末和粘结剂等混合，通过注射成型、模压、流延、凝胶注模等方法制成所需形状。制得的生坯再经过高温脱脂和烧结等工艺进一步致密化。但传统制造工艺需要模具、整体生产周期较长，且无法成型具有高度复杂结构的陶瓷零件。此外，由于陶瓷具有极高硬度和脆性，使其加工异常困难。而3D打印技术具有智能、无模、精密、高复杂度的制造能力，为陶瓷零件制造提供了全新思路。

▲陶瓷3D打印技分类术 @Journal of the European Ceramic Society，有补充

根据不同的陶瓷3D打印成型原理，可分为基于挤出成型原理的线材熔融沉积造型技术（FDM）、粉末挤出打印技术（PEP）和浆料直写技术（DIW）；基于光敏聚合成型原理的立体光固化技术（SLA）、数字光处理技术（DLP）和双光子聚合技术（TPP）；基于粉末粘接成型原理的喷墨打印技术（IJP）和三维印刷技术（3DP）；基于粉末烧结成型原理的选择性激光烧结技术（SLS）和选择性激光熔化技术（SLM）。

▲陶瓷3D打印技术细节对比 @Journal of the European Ceramic Society，有补充

而陶瓷3D打印材料则可分为粉末、颗粒、浆料和线材。主要有氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化硼、TCP、羟基磷灰石等。陶瓷3D打印在航空航天、核能、半导体制造、医疗植入、光学传感及高温耐磨件等领域都有着非常广泛的应用。

▲采用PEP工艺制备的不同陶瓷材料应用样品 @升华三维

PEP与DLP的技术特点及差异

本文选择DLP与PEP两种不同陶瓷打印工艺进行梳理，旨在充分挖掘不同技术潜力，形成优势互补，探寻应用增长点。严格来说，3D打印仅仅是陶瓷零件制造工艺中的一个成形过程。最终零件性能还要有赖于材料制备和脱脂烧结等工艺。为了获得更高零件性能，可能还需要跟后处理工艺（如渗透和等静压）等结合起来。而基于光敏聚合成型的3D打印技术在成型精度、零件表面质量和机械性能等方面均表现出较大优势，因此通常被认为是各种陶瓷3D打印工艺中具有广阔前景的一类工艺。

目前在市面上出现的商业化陶瓷3D打印设备中，主要以DLP打印机的的应用较为普及。其在设备成本及制备精密陶瓷件方面相比SLM等需要高能量激光器的设备都具有显著优势。而PEP则是由升华三维推出的一种3D打印结合传统烧结工艺的间接增材技术，其发挥了3D打印灵活成型与传统粉末冶金成熟后处理工艺优势，通过3D打印机制备复杂结构形状，再通过脱脂烧结工艺进行后处理，最终获得致密且性能一致性好的陶瓷结构件。DLP与PEP都具有其独特的优势，但也存在着明显的差异点，主要体现在：

DLP与PEP的技术的差异点

成型原理：PEP技术基于粉末挤出，而DLP技术基于光固化，两者在成型原理上存在本质区别；

材料选择：PEP技术可适用于金属和陶瓷粉末材料，DLP技术则适用于以光敏树脂材料作为基料，可选择的材料有限；

成本和维护：PEP技术设备成本较低，维护方便，而DLP技术可能需要更复杂的光源和光学系统，维护相对复杂；

打印速度和精度：PEP采用点-线-面方式成型，而DLP技术采用数字光逐层固化方式成型，在打印速度和精度上具有优势，特别适合精细细节的打印；

应用范围：PEP技术适合复杂形状的大尺寸陶瓷结构件制造，DLP技术则更适合精细结构陶瓷部件的快速制造。

PEP在陶瓷3D打印的应用优势及前景

不同路线的陶瓷3D打印技术在应用侧重点也会存在不同。如使用IJP和3DP适合制造致密或多孔陶瓷零件，DIW和FDM工艺则适用于打印镂空点阵陶瓷结构。DLP技术在细微结构、尺寸精度和表面质量方面表现优异，适合对这些特征要求较高的应用，如在齿科、电子器件、首饰、玩具等都具有应用优势。而PEP技术在成本效益、材料适应性、和与传统工艺契合方面更具优势，特别适合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的大尺寸结构件的增材。不过需要补充说明的是，应用场景除了成型技术的影响外，材料才是关键，不论哪种技术路线，最终都可以定义成是在为不同陶瓷材料的应用场景提供工艺支持。

▲PEP制备轻量化设计的碳化硅反射镜烧结件 @升华三维

▲采用PEP工艺制备的大尺寸碳化硅反射镜成品 @上海硅酸盐所

PEP技术在大尺寸的高性能结构陶瓷、内部多孔复杂结构陶瓷和陶瓷基复合材料等应用开发方面独具优势。此外，PEP技术的一个显著特点是在于能够灵活地使用各种陶瓷粉末原料，有望在航空装备、空间技术、核工业、国防、光伏半导体、生物医疗等领域的更多陶瓷材料上得以深度开发和应用拓展。尽管打印件表面光洁度有限，但精度低和表面质量低等缺点在生物陶瓷支架应用方面，也许可能转变为对这些部件有利的结构特性。

▲PEP工艺制备的氮化硅多孔壳体结构 @升华三维

PEP技术目前已在空间反射镜、高温炉具、热交换器、晶圆载具、天线罩、过滤催化器、人工骨等陶瓷应用方面有着较成熟的案例。同时PEP技术因其绿色环保和可持续发展的特性，有助于减少能源消耗和环境污染，符合当前制造业的环保趋势，市场潜力巨大。

（升华三维）

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