3D打印先進陶瓷現狀概述

Additive Manufacturing Research近期發布了關于陶瓷3D打印行業的深度研究報告，該報告聚焦于該領域的迅猛增長趨勢。據其“陶瓷3D打印市場與預測：2024-2032”研究顯示，陶瓷3D打印市場預計到2024年將達到1.73億美元，并預測至2033年，這一市場規模有望接近9億美元，展現出強勁的增長潛力。

陶瓷3D打印的迅速擴張得益于其在工業領域的廣泛應用，特別是從傳統的研發和電子產品細分市場向航空航天、醫療、工具制造等更廣泛工業領域的轉變。這一趨勢預示著陶瓷增材制造技術正從實驗性應用向大規模工業化生產邁進，為市場增長注入了強大動力。

上周，我們重點圍繞公司在2024年度金屬3D打印應用進展做了分享，而其實在陶瓷材料應用方向，2024年同樣具有非凡意義。升華三維PEP技術的”3D打印+粉末冶金“相結合的獨特工藝方式，注定在先進陶瓷領域與傳統PIM工藝會產生深度融合的應用場景。在這一年，我們重點在碳化硅、氮化硅等先進陶瓷材料應用市場開拓出了獨具特色的應用場景。本文，將為大家繼續分享升華三維的另一個核心材料方向，先進陶瓷材料的3D打印應用進展。

2024年先進陶瓷3D打印應用進展

RBSC光學反射鏡大尺寸、輕量一體化制備碳化硅（SiC）陶瓷因其比剛度大、熱導率高、熱變形系數小以及穩定性好等優勢，廣泛應用于航空航天、汽車工業等高端制造的電子設備、散熱解決方案以及光學系統等領域。升華三維從SiC的素坯成型工藝入手，結合適宜的燒結工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續加工量，并保證了產品性能滿足使用需求。目前已在光學反射鏡的制備上已實現多個商業化應用項目。

▲輕量化設計的碳化硅反射鏡坯 ?升華三維

例如，上海硅酸鹽研究所利用升華三維獨立雙噴嘴系統打印機結合反應燒結制備SiC陶瓷新方法，成功制備了碳化硅陶瓷光學元件等高附加值組件，并實現商業化。PEP工藝為該案例中的大尺寸復雜結構、輕量一體化碳化硅元件的成功制備提供了支持，可有力地支撐國家遙感衛星發展和空間基礎設施建設，提升了我國在遙感探測技術的核心競爭力。此外，基于PEP的顆粒熔融打印方法避免了微重力條件下粉體打印潛在的危害，為未來空間3D打印提供了可能。

▲RBSC晶舟產品 ?上海硅酸鹽研究所

半導體制程RBSC晶舟開發碳化硅材料制舟托、舟盒、管件制品等熱穩定性能好、高溫使用不變形、無有害析出污染物、熱膨脹系數適配性好、維護成本低、使用壽命長，具有替代存量石英材料的能力。PEP技術結合反應燒結工藝（RBSC）制造碳化硅晶舟，為晶圓載具的靈活結構設計提供了支持。                                                                                                 

RBSC工藝具有處理溫度低、時間短、不需要特殊及昂貴的設備、反應燒結胚件不收縮，尺寸幾乎不變、燒結過程無需加壓，即可制備出大尺寸、形狀復雜的制品。碳化硅晶舟獨特的物理特性使得其能夠在惡劣的環境下工作，在半導體制程應用領域中擁有廣闊的發展前景。

▲RBSC晶舟樣品展示 ?升華三維

氮化硅渦輪葉片一體化制備

氮化硅作為一種高溫結構陶瓷材料，在加工上有較大的難度和局限。升華三維利用PEP技術可直擊氮化硅材料傳統制造痛點，為氮化硅渦輪葉片的復雜結構一體化成型提供支持。相比傳統粉末冶金工藝，可以大大加快產品的開發與商業化時間，極大地縮短了制造周期和生產成本。

采用PEP制備的氮化硅陶瓷結構件，適用于傳統工藝常用的氮化硅燒結方法。客戶應根據設備條件、性能要求、成本預算、時間效率等多方面因素，選擇最適宜的燒結技術。該氮化硅渦輪葉片應用案例，采用用了無壓燒結工藝，其燒結性能表現優異，該產品經過打磨、拋光等處理后，符合客戶應用場景需求，且已實現小批量生產。

▲3D打印氮化硅渦輪 ?升華三維

氮化硅陶瓷輕量一體化殼體制備

氮化硅除了具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨性、高抗彎強度、高冷熱沖擊等性能外。還具有優異的電絕緣和透波等性能，可在復雜環境中使用，并能夠保持可靠性與使用壽命。適用于多孔氮化硅陶瓷透波功能件的制備和性能研究。升華三維利用PEP技術為氮化硅陶瓷輕量一體化殼體成型提供了一種更經濟的增材制造方案。不僅能夠提高生產效率，降低成本，還能夠實現復雜形狀的設計，以滿足現代通信系統對透波功能件的嚴苛要求。在國防、航空航天、氣象等領域都具有應用優勢。

升華三維已具備氮化硅陶瓷構件開發與生產能力。采用PEP工藝制備的氮化硅殼體結構具有優異的透波、承載、防熱和抗沖擊等性能，該殼體燒結件已通過客戶的性能測試，目前我們正結合客戶應用場景優化產品結構，以減少后處理步驟及制備周期。

▲氮化硅殼體結構燒結樣品 ?升華三維

多孔氮化硅植入體制備另外，氮化硅具有優秀的抗菌和抗病毒能力，以及優異的生物相容性，可適用于牙科、骨科和顱頜面植入物領域。PEP技術的顆粒材料融熔擠出成型方式，在打印件的表面光潔度有限，但是在結合多孔晶格填充結構打印后，會具有對生物陶瓷植入物獨特需求的高接觸面積和低表面質量的結構特性，而這可以更好地適應生物血肉滲入和生長。升華三維在這方面做了非常多的材料和工藝設備優化工作，以適配醫療行業的高標準。現階段已經開發有氮化硅、氧化鋯、羥基磷灰石等生物陶瓷材料，且已與多個醫療器械研究機構建立合作，共同探索PEP工藝在陶瓷植入體方向的應用。

▲3D打印氮化硅人工椎體 ?升華三維

陶瓷燒結治具制備

與傳統的工具制造方式相比，3D打印技術更適用于制作燒結治具。它可根據具體工件需求進行定制化設計，且快速制作出適用于不同工藝的燒結治具；3D打印可實現燒結治具無模制造，且可快速迭代，大大節省了時間和資源。此外，在燒結治具的輕量化方向獨具優勢，不僅可以降低材料成本，還可以減少能源消耗。基于PEP技術的獨立雙噴嘴3D打印設備，在制作燒結治具方面能充分發揮3D打印的靈活設計與制備優勢，并完美融合到粉末冶金工藝中，以極簡的工藝步驟解決復雜工件與治具的成型及燒結問題，在燒結治具應用中擁有巨大潛力。PEP工藝可同時滿足工件和燒結治具的高自由度設計和快速制備，目前已為粉末冶金行業客戶在3D打印工件及燒結治具方面提供解決方案，以適應其更復雜的工件形狀和更高的生產效率要求。

▲PEP制備的陶瓷治具和金屬零件 @升華三維

陶瓷陣列結構一體化制備陣列結構是一種具有規則重復模式的三維結構，其中的單元格按照特定的周期性在空間中重復排列。這種結構在自然界和工程領域都有廣泛的應用。3D打印陣列結構是增材制造技術中的一種重要應用，它能夠在三維空間中精確地排列和構建出復雜的陣列結構，PEP工藝為復雜陣列結構-功能一體化的開發制造提供解決方案，可支持粉末注射成型工藝中金屬/陶瓷材料的陣列結構打印。PEP工藝具有低成本、?高效、一體化、性能一致性好。該案例中，客戶采用該工藝制備陶瓷陣列骨架，完成后的陣列結構件再結合特定的材料進行融合，可實現如輻射增強、空間濾波、疏水、生物細胞培養等特殊功能。

▲陣列結構樣品模型展示 @升華三維

3D打印技術目前已成為工業制造領域的重要手段，始終致力于解決傳統制造工藝提出的挑戰，在實現先進陶瓷無模成形、縮減產品設計周期、精細陶瓷微結構等方面發揮著極其重要的作用。

PEP技術在成本效益、材料適應性、及與傳統工藝契合方面均表現出色，且在大尺寸的高性能結構陶瓷、中空輕量化結構和梯度功能陶瓷制備方面能提供完備的工藝支撐，同時也特別適合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的增材制造。升華三維目前已在如空間反射鏡、高溫爐具、熱交換器、晶圓載具、天線罩、過濾催化器、人工骨等先進陶瓷應用方面有著較成熟案例。

▲PEP工藝制備蠟基陶瓷材料應用優勢及前景 ?升華三維

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。下一步，升華三維將緊跟先進陶瓷增材發展趨勢，助力科研方向探索先進陶瓷新材料新工藝；同時，借助傳統工業陶瓷轉型升級契機，深度挖掘應用場景，以加快產業化應用步伐。