一、陶瓷噴墨打印成型技術(shù)概述
隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)輔助直接加工制造各種復(fù)雜形狀產(chǎn)品的技術(shù)取得了長足進(jìn)步。20世紀(jì)90年代初H.Marcus等人提出固體自由成型制造（SFF，solid freefol_m fabr-ication）新思路。該方法直接利用計(jì)算機(jī)CAD設(shè)計(jì)結(jié)果將復(fù)雜的三維立體構(gòu)件經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件切片分割處理，形成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行像素單元文件，然后通過計(jì)算機(jī)輸出的外部設(shè)備將要成型的陶瓷粉體快速形成實(shí)際的像素單元，一個一個單元疊加的結(jié)果即可直接成型出所需要的三維立體構(gòu)件。目前SFF技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為以下6種。
�、偌す膺x區(qū)燒結(jié)法（SLS） 激光器產(chǎn)生的激光按計(jì)算機(jī)指定的路徑和區(qū)域掃描堆放的粉體表面，被掃描部位由于受熱使顆粒之間燒結(jié)，如此一層一層地重復(fù)此過程即可制出立體工件。
�、趯悠B加成型法（LOM） 根據(jù)計(jì)算機(jī)分割成的像素幾何形狀，利用激光在薄片材料上切出實(shí)際對應(yīng)的像素單元，然后將這些單元按順序一層一層堆疊起來，即得到CAD所設(shè)計(jì)的工件的立體形狀。
�、廴刍采w成型法（FDM） 把原材料制成的細(xì)絲喂入由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動的熔化器中，熔體通過噴嘴擠出至成型平面上，如此一層一層覆蓋便可生成實(shí)際的三維立體工件。
④立體印刷成型法（SL） 利用紫外激光掃描感光單體使單體聚合，聚合深度由激光輻射量來控制，按計(jì)算機(jī)指令要求一層一層感光成立體工件。
⑤三維打印成型法根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的兩維像素信息，利用噴嘴向待成型的陶瓷粉床上噴射結(jié)合劑，打完一層后在料床頂部添加新粉，再噴結(jié)合劑，如此重復(fù)進(jìn)行，最后除去未噴射結(jié)合劑的粉料，即可得到要成型的立體工件。
�、迖娔蛴〕尚头▽⒋尚偷奶沾煞壑苽涑商沾赡�，通過打印機(jī)原理將這種陶瓷墨水直接打印到載體上成型，成型體的形狀及幾何尺寸由計(jì)算機(jī)控制。以上這些固體自由成型制造技術(shù)有些已經(jīng)在金屬和塑料制造上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，將它們用于陶瓷制造上則尚處于開發(fā)研究階段。如果能成功地將這些技術(shù)用在陶瓷制造上，則可能使陶瓷制造工藝發(fā)生革命性變化，但是，如何有效地堆積出尺寸精確的陶瓷坯體，選區(qū)燒結(jié)時燒結(jié)體中殘余應(yīng)力如何消除，以及如何保證燒結(jié)出致密的、不變形的陶瓷產(chǎn)品，這都是擺在陶瓷工作者面前的難題。陶瓷噴墨打印成型技術(shù)可應(yīng)用于固體氧化物電池的制造，多層顯微電路制造，結(jié)構(gòu)或壓電有序陶瓷復(fù)合材料制備，以及小體積高度復(fù)雜的整體陶瓷元件的制造。
二、國外噴墨打印成型技術(shù)的研究動態(tài)
1.噴墨打印成型技術(shù)的歷史過程
噴墨打印成型技術(shù)是從三維打印成型技術(shù)發(fā)展而來，同時結(jié)合了用于文字輸出的噴墨打印機(jī)的原理。在三維打印成型技術(shù)中，所打印的介質(zhì)為結(jié)合劑，而陶瓷粉體本身則以松散狀態(tài)置于打印臺上，顯然，這種方法只能制備多孔陶瓷。噴墨打印是用打印機(jī)把陶瓷墨水一滴一滴沉積在由計(jì)算機(jī)控制的某一空間位置，進(jìn)而完成陶瓷成型。對這一技術(shù)的研究，英國布魯諾大學(xué)一直處于領(lǐng)先地位。1995年Blazdell等人首先用連續(xù)式噴墨打印機(jī)在不同材質(zhì)的底板上打出了10～110層的Zr02坯體。由于墨水揮發(fā)性不好，致使出現(xiàn)上層負(fù)荷把下層壓壞的現(xiàn)象，沒有打出理想的形狀。1996年Teng等人對墨水的沉積和黏度進(jìn)行了全面的最優(yōu)化研究。1997年Teng等人用連續(xù)式噴墨打印機(jī)打出了清晰的英文字。由于連續(xù)式噴墨打印機(jī)要求墨水有足夠大的導(dǎo)電性，為了滿足導(dǎo)電性要求就要加入足夠數(shù)量的導(dǎo)電鹽。導(dǎo)電鹽的存在使墨水中陶瓷粉懸浮分散性變差，從而大大降低了墨水中陶瓷粉末含量。Teng等人用稀懸浮液雖打出了英文字，但是還不能打出多層的陶瓷坯體。1998年Mott等人用按需噴墨打印機(jī)打出了1200層帶有方洞和懸臂的陶瓷坯體。采用石墨為I臨時支持物，1999年M01.t等人打出了1200層的zr02/A1203梯度陶瓷。
2.墨水性能與制備方法
�。�1）墨水的性能
陶瓷噴墨打印質(zhì)量取決于陶瓷墨水的性能。墨水性能要與打印機(jī)最佳打印輸出相匹配。由于陶瓷粉料密度較大，納米級陶瓷粉又容易形成團(tuán)聚體，因而陶瓷墨水一般由陶瓷微粉著色劑、分散劑、結(jié)合劑、溶劑及其它輔料構(gòu)成。陶瓷微粉的粒度要小于1弘m，顆粒尺寸分布要窄，顆粒之間不能有強(qiáng)團(tuán)聚。著色劑的作用是使墨水呈現(xiàn)不同的顏色，彩色陶瓷墨水的著色劑是各種顏料，需具備以下條件：①具有良好的溶解穩(wěn)定性，即溶于水時不發(fā)生分解變色；②煅燒后具有良好的色彩呈現(xiàn)性；③要有一定的耐水性，即著色劑在水中的溶解度不能太大。通常情況下著色劑在水中的溶解度只要使墨水能打印出的圖像有良好的色彩飽和度就可以了，其中適宜的溶解度是最首要的條件。分散劑幫助陶瓷微粉均勻地分布在溶劑中，并保證在噴打之前微粒不發(fā)生團(tuán)聚。分散性差的墨水會因陶瓷微粒在墨滴中分散不均勻而阻塞打印機(jī)的噴嘴。因此，分散劑的合理選擇及用量是十分關(guān)鍵的。分散劑主要是一些水溶性和油溶性高分子聚合物。結(jié)合劑的作用是在溶劑揮發(fā)后保障打出的陶瓷坯體具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，便于坯體的轉(zhuǎn)移操作。溶劑是把陶瓷微粒從打印機(jī)輸送到基板上的載體，同時又控制著干燥時間。它要有足夠強(qiáng)的揮發(fā)性以保證快速干燥，為多層沉積提供條件，同時也應(yīng)該是低黏度并且與其它成分之間有相容性。用于連續(xù)噴墨打印的陶瓷墨水還需加入少量導(dǎo)電鹽使墨水達(dá)到足夠的電導(dǎo)率，保證形成的墨滴能夠帶電，在偏轉(zhuǎn)電場作用下能夠改變路徑，打印到計(jì)算機(jī)指定的位置。
墨水保持一定的堿性（pH為8～9）可減少對金屬噴頭的腐蝕。如果墨水的pH值偏低，容易引起噴嘴堵塞和偏色現(xiàn)象，穩(wěn)定的pH值可減少這些現(xiàn)象的發(fā)生。但是，在制備黃色陶瓷墨水采用混有HN03的NHtVo溶液時，可用氨水將混合液調(diào)至pH為4。常用的pH調(diào)節(jié)劑有氨水、三甲氨、三乙醇胺、硫酸鹽等。它們可以單獨(dú)使用，也可以幾種物質(zhì)混合使用。這些物質(zhì)還有助于提高顏料的分散穩(wěn)定性。墨水中加入一些揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)有助于印出的圖案迅速干燥，從而不至于沾污與之接觸的物質(zhì)。常用的催干劑有乙醇、異丙醇等，其用量為墨水質(zhì)量的1%～10%。但是應(yīng)注意，低沸點(diǎn)溶劑的加入易引起噴打中斷和噴嘴堵塞。
�。�2）墨水的制備方法
目前墨水制備方法有兩種：一種是分散法，就把陶瓷微粉與溶劑、分散劑等成分混合，采用球磨和超聲波處理打開陶瓷微粉的初始團(tuán)聚；另一種是用溶膠一凝膠（Sol—Gel）法制備墨水。
分散法是最常用的方法，一般是將陶瓷顏料粉末與分散介質(zhì)球磨混合后，用超聲分散，獲得穩(wěn)定的懸浮液。這種方法與傳統(tǒng)的漿料制備較為接近，期間需引入靜電一位阻穩(wěn)定機(jī)制，并加入各種物性調(diào)節(jié)劑及輔助成分。Teng等人采用分散法對噴墨打印用zr02陶瓷墨水的分散性、黏度、電導(dǎo)率進(jìn)行了研究，并使用體積分?jǐn)?shù)為5%、分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.43%的zr02乙醇墨水成功地實(shí)現(xiàn)了陶瓷墨水的單層打印，獲得了良好的打印效果。分散法雖然工藝簡單，但要制得高度分散、高度穩(wěn)定的陶瓷墨水仍很困難。對于較大顆粒，盡管團(tuán)聚程度較輕，但重力將造成失穩(wěn)；超細(xì)顆粒團(tuán)聚往往較嚴(yán)重，很難徹底解聚。雖然有靜電一位阻機(jī)制的作用，但仍不足以起到高度分散、高度穩(wěn)定的作用。當(dāng)制備的陶瓷墨水濃度較高時，還可能出現(xiàn)絮凝性、觸變性等一些對實(shí)現(xiàn)噴墨打印不利的特性。溶膠一凝膠法是制備超細(xì)粉末和納米材料的一種濕化學(xué)方法，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，工藝技術(shù)也已經(jīng)成熟。該方法用于制備陶瓷墨水時，只利用其第1步，即溶膠的制備。
來源：集萃印花網(wǎng) 作者：薛朝華 賈順田
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