几种主流陶瓷3D打印工艺的关键特点及航空航天应用面临的挑战

目前，几种陶瓷3D打印工艺都在探索军用飞机的应用，如SLA、DLP、直接墨水书写（DIW）、粉末床激光烧结以及气溶胶喷射（AJP）等等。

SLA与DLP具有类似的原理，都在树脂中加入陶瓷粉末得到陶瓷浆料进行3D打印。与其他技术相比，基于光固化的技术适合制备高精度、形状复杂的大型零件。但其对于浆料的要求一般较高，如浆料需要有较高的固相含量、较低的密度，同时陶瓷颗粒需要在树脂中分散均匀，而且该方法的所使用的设备昂贵，制造成本较高。国际知名的几家陶瓷3D打印设备商均采用该成型技术。

中国采用光固化工艺在太空打印的8个陶瓷样件

采用直接墨水书写技术3D打印的Al2O3坯体

粘结剂喷射技术（3DP）是在粉末床上选择性的喷射粘结剂，通过层层制造得到最终的陶瓷坯体。该技术在制备多孔陶瓷零件时有较大优势，但是其成形精度较差，表面较粗糙，这与粉体成分、颗粒大小、流动性和可润湿性等有较大联系。在制造过程中，可以通过控制粉末层的湿度来提高所得毛坯的尺寸和表面的精度。3DP成形法所制备的零件致密度一般较低，通常需要后续工艺来提高其致密度，如在烧结前进行冷等静压和高压浸渗处理，可以显著提高烧结后制品的致密性，但同时也会使生产率降低。研究使用3DP技术制备Ti₃SiC₂陶瓷，随后进行硅熔体和铝硅合金的渗透，复合材料密度可以达到4.1g/cm³，这种全致密材料的弯曲强度最高为233 MPa，力学性能较好。3DP技术为陶瓷复合材料的制备提供了一种新型方案。

粉末床激光烧结（SLS）是采用激光选择性地扫描粉末床表面，使粉末材料受热熔化并粘结在一起，并最终形成坯体。陶瓷材料的烧结温度很高，难以直接进行烧结成形。目前，只能通过间接激光选区烧结法对陶瓷材料烧结，其方法是将低熔点的有机粘结剂覆盖于陶瓷颗粒表面，然后激光只对有机粘结剂进行熔化，使陶瓷颗粒相互结合。虽然改进后的成形过程较简单，但是由于有机高分子粘结剂含量较高，因而所得坯体密度较低，疏松多孔，故通常需进行后续处理提高致密度，如等静压处理、浸渗技术等。

航空航天领域应用陶瓷3D打印面临的挑战

尽管一些公司已经开发出了完整的陶瓷3D打印技术，但截至目前，陶瓷相对于其他材料的3D打印仍然非常小众，属于新兴技术领域。据SmarTech分析公司发布的最新《陶瓷快速成型零件生产：2019-2030年》显示，随着所有主要的陶瓷增材制造技术的全面发展，并建立起足够的系列化生产，陶瓷3D打印市场将在2025年后迎来一个拐点。届时，一大批公司和行业将受益于该技术。到2030年，陶瓷增材制造市场的收入估计将达到48亿美元。

作为航空航天领域极富前景的高温陶瓷材料，3D打印将为其专业化组件的生产发挥作用。无论是作为高温合金替代物的陶瓷基复合材料，还是作为飞机或者火箭发动机高温结构组件的先进陶瓷材料，3D打印或将改变这些领域的制造方式。