引言：2020年10月，由HRL实验室开发的陶瓷树脂材料搭载天鹅座无人补给飞船交付国际空间站，并以高分辨率成功实现3D打印成型。这种由碳氧化硅增强的陶瓷材料将在空间站发挥重要作用。

所有陶瓷零件，无论是传统加工还是3D打印的，都具有微小的缺陷。当应力施加到该区域时，缺陷会变成不受控制的裂纹，从而导致整个零件发生灾难性破坏。将增强材料添加到陶瓷基体中是创建耐缺陷零件的常用方法。

当前主流的陶瓷3D打印工艺无论是熔融沉积、光固化还是粘结剂喷射成型，都需要首先将打印生坯中的聚合物去除（脱脂），然后烧结陶瓷颗粒。而近来，聚合物硅氧烷基树脂的发展使陶瓷3D打印带来了新的发展契机，基于该树脂基体打印的陶瓷生坯，可在高温（700至1100℃）热解循环后直接转化为致密零件，省去了漫长的脱脂和烧结步骤。而研究者所需要考虑的关键因素在于，陶瓷的低固有韧性会在其加工过程中引入缺陷（如气孔、未熔合、层间结合和表面粗糙度），这些缺陷可能会在结构上损害最终的陶瓷组件。

3D打印的陶瓷发动机零件进入窑炉

HRL实验室3D打印的陶瓷复杂形状同时具备极高性能

美国休斯实验室（HRL Labs）在2016年就用3D打印工艺开发了可承受超过1700°C高温、强度是类似材料十倍的新型陶瓷，相关研究被发表于《Science》杂志。自此之后，HRL的团队一直致力于这项技术研究，当前HRL在自由成形高韧性陶瓷方面获得了材料和工艺上的突破，能够解决陶瓷制造过程中缺陷的产生。

一种增韧解决方案，使3D打印的陶瓷厚度和韧性分别提升3倍

HRL研究的挑战在于将增韧解决方案与3D打印过程结合在一起。为了解决陶瓷材料的固有脆性，HRL实验室的团队开发了一种新型的纤维增强陶瓷基复合材料。通过将光引发剂和碳氧化硅（SiOC）材料的混合物引入硅氧烷基树脂，配制了新的陶瓷前驱体。经过热解极端加热过程，3D打印的陶瓷增强前驱体材料可直接转化为碳硅氧化物（SiOC）陶瓷。

研究人员利用Prodways ProMaker L5000工业打印机制造了一系列1.25×2.5×15mm的样品，来进行评估和优化配方。经过大量的表征测试，该团队发现陶瓷颗粒具有非常好的分散性，但打印部件的拉伸强度却不同寻常。

Prodways ProMaker L5000基于DLP工艺

研究发现，较厚的样品比较薄的样品更容易开裂，聚合物在热解过程中会伴有挥发性物质释放，而挥发物必须通过基体扩散才能从自由表面逸出。因此温度分布、样品几何形状和基体扩散系数是防止基体内孔隙形成的重要因素。HRL团队随后确定了可以达到增强水平的“最佳点”。添加过多的增强元素将超过其“填充极限”，零件强度会降低；而添加量不足，则可能使陶瓷开裂。

与此同时，研究团队指出增强体的加入有两个主要作用：随着颗粒浓度的增加，可成型的陶瓷最大壁厚增加了3倍，而且打印的陶瓷韧性也提高了3倍以上，弯曲强度在225-325MPa之间。由于具有与传统加工陶瓷相当的韧性、强度和强度变化性，因此所提出的增材制造方法可自由制造高性能陶瓷定制组件。

陶瓷3D打印工艺的挑战与未来市场

与金属和聚合物相比，许多陶瓷的极高熔点对增材制造提出了挑战。由于陶瓷不易铸造或机加工，因此3D打印可实现几何灵活性的巨大飞跃。HRL所开发的陶瓷前树脂体系可以使用目前商业化的立体光刻3D打印机进行成型，且零件在热解过程中具有均匀收缩率，最终陶瓷零件内部几乎没有孔隙。这为创建具有复杂形状的高性能陶瓷部件创造了可能。

汽车上的高性能陶瓷产品

3D打印的陶瓷医疗植入物

陶瓷3D打印也被视为在极限环境下使用的颠覆性创新技术，它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。但是，目前缺乏可低成本和大规模生产的3D打印工艺来进行高强度和耐损伤陶瓷的生产。早期采用陶瓷增材制造的一个吸引人的领域是小型无人机的低成本发动机开发，它可以显著提高发动机的性能。在这些应用中，较高的组件故障风险具有相对不重要的影响，可以视为原型设计和加速迭代的测试平台。

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。