陶瓷件硬度高、耐高温、耐腐蚀,但脆性大。3D 打印能把陶瓷做成传统工艺难以实现的复杂形状,可成品率一直偏低。值得注意的是,大部分废品并非在打印阶段产生,而是在后续的脱脂(debinding)与烧结(sintering)环节开裂;裂纹出现的位置也高度一致,通常集中在层与层之间。下面引用的研究分别以二氧化锆、碳化硅和氧化铝为对象,但它们遇到的问题都出自同一套环节——这些环节来自成形方式本身,并不专属于某一种材料。本文把这条链拆开讲清楚,再看三条已被实验验证的应对办法。
先看这类打印的原理。陶瓷3D打印有多种技术路线,本文讨论的是精度最高、应用最广的一类:光固化(vat photopolymerization,VP)。其做法是把陶瓷粉分散在树脂中调成浆料(slurry),在平台上铺出薄薄一层,由投影把图案照射上去,被照到的区域随即固化;平台再下沉少许,铺上新的一层,如此循环,工件由此逐层叠加而成。
这样的叠加方式带来一个固有的弱点:每一层内部是完整的,层与层之间却只是一次贴合;界面处树脂反应不充分,还容易残留未固化的树脂和卷入的气泡。把烧结后开裂的构件剖开可以看到,裂纹正是集中在这些层间界面上,而不是层内[1];层内则很少见到裂纹。
更关键的是,开裂并非某一步的失误,而是三个环节各自留下一点隐患,最终在同一个位置集中显现:打印留下弱界面与微孔,脱脂时气体排不出去、内部积聚压力,烧结时收缩不均把小缺陷拉成大裂纹。这三个环节都源自成形方式本身,而不是某一种材料的特殊性质。下面按这三步依次展开,最后再看已被实验验证的应对办法。