干货分享： 陶瓷3D打印之粘结剂喷射技术的成形材料、优势与挑战
陶瓷3D打印被视为在极限环境下使用的颠覆性创新技术，可以满足对高温材料（如超高温陶瓷）和复杂几何形状的需求。目前，已有数种陶瓷3D打印工艺，如光固化、直接墨水书写、粉末床激光烧结以及粘结剂喷射和气溶胶喷射等等，这些工艺各有优缺点，能够满足不同场景的应用需求。
粘结剂喷射（Binder Jetting）3D打印是一种基于喷墨技术的增材制造技术，也属于基于粉末床的3D 打印技术。采用该工艺制造陶瓷，首先在粉末床上选择性的喷射粘结剂，通过层层制造得到陶瓷坯体，然后通过烧结获得致密化的零件。该工艺可以快速打印复杂形状，同时保持打印精度。在国外，美国NASA格伦研究中心采用该工艺3D打印了SiC陶瓷复合材料涡轮发动机部件；在国内，广东峰华卓立科技股份有限公司经过多年的探索与研制，开发了基于该工艺的教育科研型陶瓷3D打印装备。
3DP打印设备主要结构及工艺示意图
峰华卓立打印的陶瓷零件
3D打印技术参考注意到，采用粘结剂喷射3D 打印制造陶瓷零件涉及五个关键因素：陶瓷粉体、粘结剂、打印参数、打印设备和后处理,这些因素会影响零件的形状、尺寸、密度、强度和表面质量：
陶瓷粉体：需要选择具有良好流动性、高容重和低亲水性的陶瓷粉体，且为球形或类球形具有一定的流动性，以保证成形效果和结构完整。
粘结剂：需要选择与陶瓷粉体相容且易于去除或烧结的粘结剂，以提高零件强度和脱脂效果。
打印参数：需要优化层厚、墨量、加热温度等参数，以提高零件密度和强度，并控制几何尺寸和表面质量。
打印设备：需要选择具有高分辨率、高稳定性和高自动化程度，以提高生产效率和可靠性。
后处理：需要根据不同材料选择合适的后处理方法，如干燥、渗透或浸渍处理、脱脂和高温烧结等，以增强模型的最终性能和精度控制。
1. 使用粘结剂喷射3D打印陶瓷零件的优势
粘结剂喷射技术在陶瓷3D打印方面具有诸多优势，其同时具备低成本、高效率和较高的制造精度等特点，同时成型尺寸涵盖了毫米级到米级。除此之外，它在材料选择和制造结构方面具有更宽的适应性：
能够使用多种类型的材料，如陶瓷、金属或陶瓷复合材料等；
比其他增材制造技术打印效率更高，在一次打印中创建出不同形状和尺度的零件，可以大幅缩短生产周期；
能够通过调节粘结剂和粉末的比例和组合，实现不同的力学性能；
能够实现高度的设计自由度，制作出复杂的几何形状；
能够减少材料浪费，可回收再利用未使用的粉末。
2. 可采用粘结剂喷射3D打印陶瓷零件的种类及其应用
粘结剂喷射增材制造技术可以制造多种陶瓷材料种类，这些陶瓷具有不同的特点和应用领域。
峰华卓立打印的氮化物陶瓷样品
峰华卓立打印的氧化物陶瓷样品，左右滑动查看更多
3. 采用粘结剂喷射3D打印陶瓷零件的挑战
粘结剂喷射增材制造工艺打印陶瓷材料虽然具有诸多优势，但仍存在一些技术和工业应用方面的挑战。
1）在技术方面的挑战，主要涉及以下三个方面：
粘结剂的选择和控制。粘结剂的种类（有机或无机）、粘度、喷射量、表面张力、干燥时间等参数会影响陶瓷零件的形成质量和后续烧结过程，合适的粘结剂选择是关键。
烧结过程的优化。由于粘结剂喷射工艺打印出来的陶瓷零件含有一定量的粘结剂，需要通过不同温度的脱脂和高温烧结过程将其去除并实现粉末颗粒之间的冶金结合，而这个过程中会出现收缩、变形、裂纹等缺陷，影响零件的性能和外观，烧结保护、温度曲线、尺寸仿真与补偿都是成为质量控制重要的一环。
材料性能的提高。由于粘结剂喷射工艺打印出来的陶瓷零件一般具有较低的密度和强度，需要通过添加增强相、改变颗粒分布、调节孔隙率等方法来提高其力学性能和功能性能，提高致密度要求，尤其在多孔陶瓷零件应用领域优势明显。
2）在工业应用方面，主要涉及以下三个方面：
成型零件密度和强度的提高。通过优化打印参数、增加层数或压实等方法来实现，提高成型零件初始密度和最终密度，满足高强度应用需求。
后处理过程的简化和缩短。通过采用易于去除或无需去除的粘结剂、减少脱脂步骤或采用快速脱脂方法等来简化或缩短后处理过程，实现提高生产效率和降低成本。
可用材料种类和组合的扩展。通过开发新型或改进现有的材料配方、混合不同类型或功能材料等满足不同领域功能需求。
4. 峰华卓立提供的技术优势
为应对技术和应用领域的挑战，广东峰华卓立自2018年起致力于陶瓷粘结剂喷射3D打印的核心技术创新。经过多年的研发，峰华卓立利用自主设计的新型落粉铺粉机构，实现了多种陶瓷材料高密度素坯（Green part）打印的突破，该技术可以使素坯密度达到标准密度的60%以上，且粉床不同位置的密度误差控制在2%以内。此外，该技术还具有可打印尺寸范围广的优势，从BJC300到BJC2500都可满足客户对不同陶瓷零件的高质量、快速生产需求，期待与更多教育科研、工业级应用客户更多交流与合作。
如今，陶瓷3D打印的需求正在稳步增长。据SmarTech Analysis 预计，陶瓷增材制造行业将在2029年成长为一个价值38亿美元的细分市场，且将在2025年后迎来一个拐点。届时，医疗保健、航空航天、能源与电子、汽车制造以及军事和防御领域的一大批公司和行业将受益于该技术。
