南極熊導讀：陶瓷3D打印，正在成為3D打印行業的熱點趨勢，陶瓷屬于無機非金屬材料，作為三大材料之一，其3D打印技術的應用領域潛力巨大。

光固化陶瓷3D打印設備的發展簡介

1. 國外光固化陶瓷3D打印設備的發展簡介
立體光固化3D打印，是增材制造領域最受歡迎和最普遍的技術之一，它由美國3D Systems公司開發，該公司由Chuck Hull于1986年創立。Hull在1986年創造了“立體光刻”這一術語，他將這項技術定義為通過連續印刷紫外線固化的薄層來制造3D物體的方法，這種技術最初的用途主要用于對純光敏樹脂體系的光固化成型。由于其成型不依賴模具、可以自由設計、極易實現高復雜程度樣件的打印，并且具有打印精度高、表面質量好等特點，該技術逐步向陶瓷、金屬等領域拓展。在上世紀90年代最初開展的光固化陶瓷3D打印研究中，一般采用的設備就是樹脂型光固化打印機，例如美國密歇根大學的John Halloran、Brady和Griffith 等人[1-2]采用的是3D Systems公司的SLA-250/40型設備進行陶瓷光固化成型研究。而同時期法國利摩日大學的Chartier教授團隊[3-4]在研究中采用的設備仍然是基于樹脂光固化3D打印設備的原理，即采用紫外激光器作為光源，通過X-Y掃描振鏡來調整激光光路，使得激光選擇性的照射在陶瓷漿料表面形成固化層，然后通過平臺向下移動一個層厚的距離Δz，再次鋪一層漿料并且完成新一層的固化…，這樣通過層層固化堆疊的方式完成對樣件的打印。

而光固化陶瓷3D打印機真正推向市場，為市場認識并且逐步認可主要發生在2010年之后，這其中具有代表性的陶瓷光固化打印機廠家國外主要有3D CERAM(盡管3DCERAM公司2001年成立，然而他們直到2015年才推出首款工業級陶瓷3D打印機[5])、LITHOZ、ADMATEC、Prodways等，這些企業成立的時間軸如下圖所示。

△圖1 一些知名光固化陶瓷3D打印廠家的成立時間軸

2. 國內光固化陶瓷3D打印設備的發展簡介
陶瓷光固化成型技術在國內起步相對較晚，但是相關的學術研究越來越多，也誕生了一些以陶瓷光固化設備為經營主體的企業，然而主要局面仍是以院校研究為主體。盡管陶瓷光固化成型是目前國內研究的熱門方向，但是與國外相比，國內陶瓷光固化打印技術/設備還達不到真正工業化應用的水平，與國外的技術水平還有明顯的差距，特別在高精度高強度陶瓷光固化成型設備及材料的產業化方面存在明顯短板。

△協同高科陶瓷打印設備

深圳協同創新高科技發展有限公司（以下簡稱 “ 協同高科 ” ）光固化陶瓷團隊是國內較早開始進行工業級陶瓷光固化漿料配方、工藝應用開發的專業團隊之一，從2016年開始至今已有該領域將近十年的技術累計，公司的優勢在于將近十年的陶瓷光固化材料配方與工藝的研發，并且深耕于高純度氧化鋁、高精度高強度氧化鋯等少數幾種熱門應用陶瓷材料的開發，應用于航空航天、半導體、精密電子等行業。公司在2023年面向市場推出了XT-C100、XT-C200機型，這些陶瓷打印機的推出是公司光固化陶瓷漿料及工藝技術累積下的裝備定向開發。

光固化陶瓷3D打印機的種類及其特點
光固化陶瓷技術方面目前主要有逐點掃描式光固化和面曝光固化兩種[6]，相應的打印設備分別是以紫外激光器為光源的點-線掃描式的光固化陶瓷3D打印機（以下簡稱此方式為SLA）和以數字光源（Digital Light Procession）進行面曝光的光固化陶瓷3D打印機（以下簡稱此方式為DLP），兩者的示意圖如下[7]：

△圖2 SLA成型方式與DLP成型方式[7]

而紫外光源的放置位置又決定了成型平臺的運行方式，其中將光源置于成型平臺下方從而向上出光進行成型的情況下，平臺運行的方式是逐步向上提拉的（提拉式）；將光源置于成型平臺上方從而向下出光進行成型的情況下，平臺運行的方式是逐步向下移動的（下沉式）。一般SLA陶瓷打印機少有將紫外激光器置于成型平臺下方，因此市面上常見的SLA陶瓷打印機的成型平臺運行方式一般是下沉式的；而DLP陶瓷打印機則大多數是將紫外光源置于成型平臺下方，進而采用成型平臺提拉式的運行方式。

△圖3 下沉式（左）[8]與提拉式（右）[9]成型方式的對比

之所以在光源的選擇及成型平臺的運行方式上衍生出不同類型的光固化陶瓷3D打印機，根本的原因一方面是對產品打印精度、打印速度、產品大小（打印幅面）的定位不同，另一方面則取決于光固化陶瓷材料的狀態。SLA設備采用紫外激光（波長一般355nm~405nm）進行線掃描，激光光斑尺寸細微到30μm，因而能夠制造出微米級分辨率的高表面質量零件，這樣SLA的成型方式能同時在保證較高的精度的同時覆蓋到更大的打印幅面，例如目前市面上已有打印幅面600×600×300mm的SLA機型。

而DLP則運用了美國德州儀器公司的數字微鏡元件（Digital Micromirro Device)，DMD是由與顯示圖像像素相對應的數百萬個微鏡矩形陣列組成的芯片。通過靜電力驅動微鏡，可以單獨旋轉±(10~12)°，起到控制超快速光開或關的狀態[10]。超快速的光線切換和整體投影使DLP打印處理時間比傳統的SLA點－線－面掃描過程明顯縮短，而且可以獲得微米級的特征分辨率[11]。

△協同高科陶瓷打印樣件

然而芯片精度與打印幅面存在著一個矛盾的關系，盡管目前有些DLP打印機已經采用了4K分辨率的芯片，但由于DLP采用的投影式出光方式，當打印樣品的尺寸越大時，其切片投影面也越大，這樣造成了DLP在成型大尺寸樣品時其打印精度會大幅降低。為了使DLP陶瓷打印機能同時滿足高精度以及大幅面的需求，目前的解決方案主要有兩種，一種是可移動式光機的方式；另外一種則是多個光機拼接的方式，這種功能使該過程能夠在整個構建平臺上實現極高的分辨率和25至150μm的層厚度，并且同時設備幅面可高達≥300×445mm的規模。

小結
根據Market Digits 2024年4月發布的市場研究報告，2023年陶瓷3D打印市場價值為2.7億美元，預計到2032年將達到26億美元，在分析期間增長28.6%。3D打印是一種不斷發展的制造技術，與聚合物或金屬工藝相比，陶瓷3D打印仍然是一個利基市場。在光固化陶瓷設備的市場化應用方面，國外公司走在工業化應用的前列，已經在醫療、半導體晶圓、電子等工業應用中取得了矚目的成績，而國內面向工業化應用仍未鋪展開來，多是應用于科研院所等單位。盡管如此，越來越多的高校、相關廠家均在此領域布局，也表明了光固化陶瓷設備的應用前景較為光明、潛力巨大。

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參考文獻：
[1] G. Allen Brady and John W. Halloran. Stereolithography of ceramic suspensions[J]. Rapid Prototyping Journal, 1997, 3(2): 61-65.
[2] Michelle L. Griffith,John W. Halloran. Freeform Fabrication of Ceramics via Stereolithography[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1996, 79(10): 2601-2608.
[3] C. Hinczewski, S. Corbel and T. Chartie. Ceramic Suspensions Suitable for Stereolithogiaphy[J]. Journal of the European Ceramic Society, 1998, 18(6): 583-590.
[4] Franck Doreau , Christophe Chaput and Thierry Chartier. Stereolithography for Manufacturing Ceramic Parts[J]. ADVANCED ENGINEERING MATERIALS, 2000, 2(8): 493-496.
[5]

http://www.3dceram-cn.com/index.php/List/8.html
[6] EMAMI M M, BARAZANDEH F, YAGHMAIE F. Scanning -projection based stereolithography: method and structure [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 218：116-124.
[7] J.M. Lee, S.L. Sing, M. Zhou, W.Y. Yeong, 3D bioprinting processes: a perspective on classification and terminology[J]. Int. J. BioPrinting, 2018, 4:1–10.
[8] Susan Patricia Gentry. Factors Affecting the Resolution of Photopolymerized Ceramics[M]. Doctor thesis of University of Michigan, 2012.
[9] PFAFFINGER Markus, MITTERAMSKOGLER Gerald1, GMEINER Robert, et al. THERMAL DEBINDING OF CERAMIC-FILLED PHOTOPOLYMERS[J]. Materials Science Forum, 2015, 825-826: 75-81.
[10] HORNBECK L. Digital light processing for high-brightness high-resolution applications[C] // EI’ 97 Proceedings of SPIE Projection Displays III. SanJose: IS&T and SPIE , 1997:27.
[11] 劉雨, 陳張偉.陶瓷光固化3D打印技術研究進展[J].材料工程, 2020, 48(9):1-12.