3D列印用陶瓷材料技術發展

 

刊登日期:2014/11/25
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陶瓷3D列印成型技術
2009年 ASTM綜合研究學者將 3D列印技術分成 7大類型,其中頗具有代表性的是光聚合固化技術( Vat Photo Polymerization;VP ),參與廠商有美國 3D Systems、Asiga、德國 Envisiontec、義大利 DWS、奧地利 Lithoz、法國 3DCeram等。另外成本最低、入門容易,但產品精細度較差、表面粗糙度大,目前投入廠商較多的主流技術是材料擠出成型技術( Material Extrusion; ME ),參與廠商有美國 3D Systems、Stratasys、MakerBot、中國 Delta Micro Factory 等。

其他 5種技術則分別是材料噴塗成型技術( Material Jetting; MJ ),參與廠商有美國 3D Systems、Stratasys、以色列 Objet、荷蘭 LUXeXceL等;黏著劑噴塗成型技術( Binder Jetting; BJ ),參與廠商有美國3D Systems、ExOne、Therics、德國V oxel Jet 等;薄片疊層製造成型技術( Sheet Lamination; SL ),參與廠商有美國 Fabrisonic/Solidica、CAMLEM 等。

粉體床熔化成型技術( Powde r Bed Fusion; PBF ),參與廠商有德國 EOS、Concept Laser、Realizer、SLM Solutions、FIT、英國 Renishaw、Sheffield Uni、美國 3D Systems、法國 Phenix、日本 Matsuura、瑞典 ARCAM、丹麥B lue Printer等;與指向性能量沉積技術( Directed Energy Deposition;DED ),參與廠商有美國 POM、Optomec、Huffman、Honeywell、Sciky、英國 Sheffield Uni、Nuclear AMRC、加拿大 Accfusion、法國 Irepa Laser、德國Trumpf 等;表一為各項技術對應之不同材料,其中陶瓷可成型技術包含有黏著劑噴塗成型技術、光聚合固化成型技術以及粉體熔化成型技術,接下來將對這三種成型技術做詳細介紹。
2. 光聚合固化成型技術
光聚合固化成型技術與立體光刻三維印刷技術(Stereolithography; SL)相似,原理都是使用雷射光選擇照射區域,將特製光固化型樹脂材料硬化予以成型,樹脂槽中盛滿液態光感樹脂,在電腦控制下,被掃描區域的樹脂產生光聚合反應瞬間固化,當一層固化後,再移到下一層,新的固化層與前面已固化層黏合為一體,透過一層一層的凝固樹脂來製作出物件。,如圖二所示。


圖二、光聚合固化技術示意圖

國內外研究現況
黏著劑噴塗成型技術此概念於 1989年由麻省理工學院 Emanuel M. Sachs等人提出。主要利用一種透過沉積具有流動性的鬆散材料來製備物件,例如高分子、金屬及陶瓷粉末,沉積第一層粉體後,在特定的區域再噴塗黏結劑材料以黏結粉末,重複這些步驟數次後,從而形成所需的物件,最後將未黏結的粉末材料去除,再透過加熱,移除黏結劑,進一步提升物件強度。德國研究團隊 Hermann Seitz 等人即將此技術運用在骨組織工程研究中,利用 3D列印技術列印陶瓷支架,粉體床鋪層對粉體流動性及粒徑分佈都有一定要求,此研究團隊使用造粒過的氫氧磷灰石( Hydroxyapatite; HA )做為主體,由於此材料的生物性相容高,可做為植入性材料且有利於骨整合效果。此成型技術在逐層堆疊的過程中不需特別製作支撐材,因周遭未黏結之粉末同時具有支撐效果,完成後從粉體床中取出物件,並使用氣槍清除多餘粉體,所形成的生胚於 1,250˚C下燒結 2小時,在燒結過程中,高分子黏結劑將裂解去除,使用直徑76 μm之噴嘴製作的陶瓷支架,可形成微細的支架內孔道約 447 ±  37 μm,牆厚 330 ± 26 μm,如圖四所示,成品收縮率 18~20%,但是其機械強度只有 21.2 ± 2.2 MPa,尚不能符合應用的強度。


圖四、黏著劑噴塗成型技術所製作之陶瓷支架

陶瓷3D列印應用機會
根據Wohlers Report 2013統計
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:吳禹函/工研院材化所
本文節錄自「工業材料雜誌335期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=18221


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