知识解读丨陶瓷3D打印之DLP与DIW介绍

摘要：3D打印理论上能够克服传统工艺引发的诸多挑战，在制造任意复杂形状陶瓷件方面具有快速、灵活、无模制造等显著优势。本文总结了DLP（Digital Light Processing-DLP）和DIW（Direct Ink Writing-DIW）2种现行的陶瓷3D

3D打印理论上能够克服传统工艺引发的诸多挑战，在制造任意复杂形状陶瓷件方面具有快速、灵活、无模制造等显著优势。本文总结了DLP（Digital Light Processing-DLP）和DIW（Direct Ink Writing-DIW）2种现行的陶瓷3D打印技术，同时对比较典型的3D打印陶瓷件进行了介绍。（本文内容转载“深圳大学增材制造研究所陈张伟教授团队”。）

直接墨水书写技术（Direct Ink Writing-DIW）

直接墨水书写技术（DIW），也被称为Robocasting, 1997年由Cesarano等人在美国Sandia国家实验室首次提出并申请专利。DIW以陶瓷粉末和粘接剂等混合而成的较高粘度陶瓷浆料为原料，经外力挤压从喷口出料直接沉积“写”出设计的结构和形状。具有较高固含量高粘度的浆料在被挤出后易于保持形状。之后经过高温脱脂和烧结制成最终陶瓷件。

图1，DIW技术示意图

与其他陶瓷3D打印技术相比，DIW也相对较经济，工艺简单，打印速度较快。可用于打印各种结构，特别是复杂三维点阵结构，从实体整体部件到复杂的多孔支架和复合材料等领域显示出了广阔的应用前景。图2展示了使用基于凝胶的47vol%的PZT浆料生产的压电元件3D结构的典型照片。

图2（a）DIW制备的PZT周期点阵结构; （b）微观结构的扫描电镜图。

值得注意的是，由DIW易于制造有利于细胞和组织生长的多孔点阵结构，因此目前其在生物陶瓷植入物制造方面的应用较为广泛。而且如磷酸钙玻璃与羟基磷灰石(HA)等生物陶瓷具有良好的生物相容性和多孔骨结构相似性，也极大地促进了人工骨支架的研究。

图3 四种不同周期结构的DIW羟基磷灰石（HA）支架的光学显微照片。

数字光处理技术（Digital Light Processing-DLP）

DLP技术实际上是一种基于掩膜的面曝光SL技术，也称为投影微立体光刻，或PμSL。该技术通过光源一次性将分层后的一整层的打印形状通过掩膜整体曝光到光敏树脂表面进行层层固化。该概念最初是由Nakamoto和Yamaguchi在1996年通过使用实体掩模来实现的。

图4所示为DLP光固化过程的示意图。它的粉末用量较少且规格要求低，而且还具有更高的效率和相对经济的成本。DLP陶瓷3D打印技术可用于高精度高质量陶瓷件的打印，特别适合于制备特征结构复杂的薄壁、宏观多孔陶瓷器件。

图4 奇遇科技DLP陶瓷3D打印设备正置下沉成型示意图。

DLP光固化3D打印技术在陶瓷加工中的应用已经得到广泛探索。基于DLP工艺可制造出维氏硬度分别为13.1和17.5 GPa的高密度（97–99%）氧化锆和氧化铝结构件，与传统方法制备的结构件相当。

图5 DLP打印的（a-b）氧化铝和（c-d）生物玻璃烧结部件。

近年来国内也有较多学者在DLP陶瓷3D打印方面开展了大量工作。如西安交通大学、广东工业大学、南京航空航天大学、中科院太空制造技术重点实验室、北京理工大学、深圳大学等团队，研究的陶瓷材料包括传统氧化物陶瓷如氧化铝、氧化铝、堇青石等、生物陶瓷如羟基磷灰石，以及高温陶瓷如碳化硅等。打印烧结后的氧化锆陶瓷件性能已经与传统方法制件相当，相对密度可达99%，维氏硬度>13GPa。此外，DLP技术已被用于打印高精度PDC结构。

值得一提的是，由于DLP打印设备打印效率较高，设备尺寸和占地较小，因此，目前DLP光固化技术已成为陶瓷光固化3D打印的主流工艺。而且近年来国内外已经涌现出一大批相关的陶瓷DLP光固化3D打印设备和材料产商，相关应用研究和产业化运作已经进入了百花齐放的高速竞争阶段。