蠟基粘結劑陶瓷材料的特點和優勢

陶瓷注射成型技術(CIM)是PIM技術的主要分支，是在聚合物注射成型技術比較成熟的基礎上發展而來的，是當今國際上發展最快、應用最廣的陶瓷零部件精密制造技術。CIM技術以其獨特的優勢已在高精度和高附加值的陶瓷產品制造上顯示出無比強大的生命力，在電子通信、醫療植入、半導體、汽車、高檔鐘表和國防等領域的許多精密陶瓷零部件都有著廣泛的應用。

粉末擠出3D打印（PEP）集成了CIM成熟工藝與3D打印成型的優勢特點，在制造大尺寸復雜形狀的陶瓷結構件獨具特色，對傳統CIM應用范圍形成了新的拓展。粘結劑作為一個載體能粘結陶瓷粉體并與之充分混合分散，加熱后能產生很好的流動性，使之能順利地打印成型而不產生缺陷。而PEP的關鍵工藝就離不開粘結劑的開發和應用，可以說研究粉末擠出3D打印工藝，就是研究粘結劑選擇、成型和排除的方法。

▲蠟基陶瓷打印材料 ?升華三維

根據主要粘結劑組元和性質可大致分為：熱固性系統、熱塑性系統、水溶性系統等。采用石蠟作為主要成分的粘結劑就屬于典型的熱塑性系統。而PEP工藝中3D打印設備所使用的陶瓷原料被稱為喂料/顆粒料，它一般是陶瓷粉體和多種有機高分子粘接劑組成，經混煉和造粒機制備而成的混合顆粒物。粘接劑在其中起到了潤濕粉體、賦予喂料流動性，坯體粘附等作用。由于熱塑性蠟基粘結劑的流動性較好，并能選擇其分子量的大小及分布來調節其脫脂階段的熱降解性，現已成為PEP技術最重要的粘結劑系統。

PEP采用蠟基陶瓷打印材料的主要優勢

良好潤濕性：蠟基粘結劑能夠與陶瓷粉末良好潤濕，這對于保證陶瓷粉末在成型過程中的均勻分布至關重要；

低混料溫度：混料溫度低于120℃，混煉時間較短，可以減少石蠟加熱損失；

低溫成型：螺桿擠出系統和噴嘴溫度較低，有利于控制3D打印過程中的溫度，且容易固化、室溫下有足夠的強度，確保了生坯形狀的精度和穩定性；

易于脫脂和燒除：在脫脂階段相對容易去除，可以通過溶解或熱脫的方式，適用于制備大型陶瓷零件。而在燒結過程中沒有殘余物留下，保證了陶瓷部件的純凈度和性能；

PEP打印蠟基陶瓷的工藝特點及步驟

目前熱塑性系統是CIM粘結劑的主流，而PEP在陶瓷材料制造能力方面跟CIM工藝有著密不可分的關系。PEP充分利用了CIM的喂料開發系統和脫脂燒結工藝，再結合3D打印的靈活設計成型，可快速實現大尺寸、結構復雜、高性能的陶瓷零件定制生產。

PEP的技術特點

無需開模：PEP技術不需要傳統開模過程，直接打印成型，簡化了生產流程，可提高生產效率；

高自由度設計：能夠根據產品功能進行高自由度設計優化，且可實現傳統制造工藝難以實現的復雜幾何形狀，如中空結構、一體化集成和輕量化設計等；

成本效率：PEP技術采用粉末擠出成型方式，不需要昂貴的高能量激光器件，并可充分結合CIM成熟的前后處理工藝，顯著降低了增材工藝投入和運營成本，同時可大幅縮減制造周期，提高了生產效率；

分步工藝：3D打印低溫成型+CIM工藝燒結，在低溫下即可實現陶瓷材料的成型，避免了高溫下材料的氧化和分解問題，可獲得性能一致性好的高質量產品；

高適配性：采用蠟基喂料，基本可適配CIM工藝的陶瓷材料，且打印過程中喂料可循環利用，減少浪費，材料利用率高。

PEP技術能一次性打印出具有復雜形狀的生坯，可減少或免除后續的機加工工序，而且在蠟基粘結劑的支持下，陶瓷喂料的流動狀態更均勻、液相固化過程更穩定可控。能消除傳統模具成形較大尺寸產品不可避免的沿壓方向密度梯度，可獲得組織結構均勻、力學性能優異的近凈尺寸零件。PEP制備陶瓷產品的工藝流程主要包括：陶瓷粉末與粘結劑混合-喂料混煉制粒-3D打印成形-脫脂-燒結。此工藝過程中粘結劑的選擇和開發起到了關鍵作用。

蠟基陶瓷材料在PEP中應用優勢

對于陶瓷3D打印來說，PEP是在CIM工藝基礎上發展起來一種增材制造技術，與傳統CIM有著完美的契合度，使得其在陶瓷方向的應用廣泛。PEP工藝可適配粒徑在0.2-100μm的陶瓷原粉，升華三維已自主開發的蠟基陶瓷喂料有：高溫碳化物陶瓷、氮化物耐熱陶瓷、高熔點氧化物陶瓷、超導陶瓷、超高溫陶瓷及生物陶瓷等，其固含量在55~65vol%之間。

除此之外，由于采用的是顆粒擠出喂料，造粒粉及球磨粉均可使用，且對原粉的球形度、均勻性無明確要求，還聯合客戶開發了更多適用應用需求的陶瓷喂料。為實現可持續發展，公司針對3D打印喂料配方進行了科學管理，目前已形成了主流金屬/陶瓷3D打印材料的研發數據庫，基于此實現更多材料開發及應用拓展將更容易，周期會更短。

▲升華三維開發有多種蠟基陶瓷材料

蠟基陶瓷材料結合PEP工藝的獨立出雙噴嘴3D打印系統，除了能實現單材料的結構件快速成形。還能發揮其復合材料打印功能，制備出多材料或非連續梯度材料的結構件打印；而采用基于PEP三螺桿雙組份單噴嘴系統的梯度功能材料3D打印機，則可以制備出材料與結構同步梯度變化的復雜產品，可為陶瓷梯度功能新材料及產品開發，提供設計模擬和試驗支持。

▲獨立雙噴嘴系統支持多種打印模式 ?升華三維

▲三螺桿雙組份單噴嘴系統支持梯度功能材料結構打印 ?升華三維

蠟基陶瓷材料在PEP中應用前景

據Business Research Insights 2024數據洞察，2023年全球3D打印技術陶瓷市場規模為1.97億美元，預計到2032年將達到6.7億美元，預測期內復合年增長率為14.5%。而由于光學、機械、化學和電子行業的快速增長，各行業為保持競爭力而增加的研發支出，以及不斷增加的技術突破和制造技術的現代化，將為3D打印陶瓷市場帶來新的機遇。

PEP利用前沿的3D打印技術結合成熟的CIM工藝，使得其在陶瓷材料制備和加工領域具有廣闊的應用前景。得益于蠟基粘結劑的使用，PEP在制備陶瓷材料方面的成本效益、材料適應性、及與傳統工藝的融合都得到了進一步的提升。同時，多種成型系統的加持，也為PEP工藝創造工業應用場景提供了更多想象空間，在大尺寸、內部多孔復雜陶瓷結構件制造和陶瓷基復合材料等應用開發方面有明顯優勢。

▲PEP工藝制備的氮化硅應用樣品 ?升華三維

▲PEP工藝制備的碳化硅應用樣品 ?升華三維

▲PEP工藝制備的氧化鋁應用樣品 ?升華三維

▲PEP工藝制備的氧化鋯應用樣品 ?升華三維

PEP工藝目前已在空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過濾催化器、人工骨等陶瓷應用方面有著較成熟案例。此外，PEP技術因其綠色環保和可持續發展的特性，有助于減少能源消耗和環境污染，符合當前制造業的環保趨勢，市場潛力巨大。有望在航空裝備、空間技術、核工業、國防、光伏半導體、生物醫療等領域得以深度開發和應用拓展。