何朝仁 / 工研院材化所
陶瓷材料因其高耐熱性、耐久性和良好的生物相容性等特性，在許多高階應用中有不可替代的優勢。陶瓷與3D列印技術的結合，超越了傳統陶瓷製造在形狀複雜和客製化方面的限制，為航太、醫療和電子等領域帶來創新應用，例如輕量化的陶瓷零件和生物相容性植入物。這種結合為高性能組件開發提供了前所未有的可能性，是過去傳統方法難以實現的。本文將探討陶瓷3D列印的原理、市場現況、主要技術及未來發展趨勢。
【內文精選】
陶瓷3D列印的基本原理
陶瓷3D列印的核心原理是積層製造，即依據數位模型精確地構建三維物體型態逐層疊加製作陶瓷材料。這種逐層構建的方式賦予設計極大的靈活性，能夠製造出傳統方法難以實現的複雜內部結構，如：晶格和精細的通道，以及各種自由曲面的外部形狀。
陶瓷3D列印使用的材料種類繁多，大致可以分為傳統陶瓷和技術陶瓷兩大類。傳統陶瓷包括如：黏土、瓷和陶器，通常用於藝術和裝飾用途；而技術陶瓷，又稱先進陶瓷或工程陶瓷，例如：氧化鋁(Alumina)、氧化鋯(Zirconia)、碳化矽(Silicon Carbide)、氮化矽(Silicon Nitride)、氮化鋁(Aluminum Nitride)、二氧化矽(Silica)、鋯石(Zircon)、氫氧基磷灰石(Hydroxyapatite)、磷酸三鈣(Tricalcium Phosphate)和碳化硼(Boron Carbide)等，則因其卓越的機械強度、耐熱性、耐磨性和電絕緣性等特性，廣泛應用於各種工程領域。
陶瓷3D列印市場的現況與多元應用
當前的全球陶瓷3D列印市場呈現出顯著的增長態勢，並且預計在未來幾年內將持續快速擴張。來自Precedence Research、Valuates Reports、Maximize Market Research和Grand View Research等多個市場分析機構的報告均預測，未來十年內全球陶瓷3D列印市場將呈現顯著的複合年增長率(CAGR)，預計到2030年代，市場價值將達到數十億美元。這種強勁的上升趨勢歸因於人們對該技術優勢的認知不斷提高、列印技術和材料的持續進步，以及其在各個行業中持續擴大的需求應用。
陶瓷3D列印技術概述
1. 光固化(SLA/DLP)
(1) 原理
SLA和DLP都屬於光固化技術(圖一)，利用紫外線(UV)光源逐層固化與陶瓷顆粒混合的光敏樹脂。SLA使用雷射光束選擇性地固化樹脂，逐點掃描每一層的截面；而DLP則使用數位光投影機一次性投影整個圖層的圖像，因此固化速度更快。這兩種技術都依賴樹脂的光聚合反應來固化分散在其中的陶瓷顆粒。
圖一、光固化技術示意
3. 黏合劑噴射(Binder Jetting)
(1) 原理
黏合劑噴射(圖三)是一種粉末床積層製造工藝，其中工業印表機頭將液體黏合劑選擇性地沉積到陶瓷粉末的薄層上。這個過程類似於噴墨列印，黏合劑就像墨水一樣，將粉末顆粒黏合在一起，逐層形成所需的形狀。每列印一層後，會鋪上新的粉末層，重複此過程直到創建出整個零件。未結合的粉末可為列印的物體提供支撐 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、黏合劑噴射技術相關步驟示
★本文節錄自《工業材料雜誌》461期，更多資料請見下方附檔。