而间接烧结法是混合高熔点和低熔点粉末,采用激光照射混合粉体,通过低熔点粉末的熔化,最终实现高熔点的陶瓷粉末的成型。间接烧结法的关键是混合粉体、悬浮液或浆料的制备以及铺粉的工艺。在陶瓷材料打印成型后,还需要对坯体进行加工,如烧结、等静压、热压等方式处理,最终得到具有一定孔隙度、强度的陶瓷产品。相比于直接法,间接法能够获得高密度的粉尘,陶瓷产品的致密度也比较高。近年来,间接烧结法发展了以浆料为基础的方法,这种方法更容易制备致密度较高的陶瓷坯体。中国台湾国立台北科技大学的Tang等研究表明:“采用聚乙烯醇包裹的氧化铝粉末浆料,大幅度提高了粉尘致密度,得到了致密度高达98%的氧化铝陶瓷部件,其平均弯曲强度达363.5 MPa。

   SLM是直接将陶瓷粉末完全熔化来成形,不需要再添加有机粘结剂。该技术于1995年由德国的Fraunhofer激光技术协会提出,并将其应用于陶瓷材料的成型中。SLM与SLS的区别在于,SLM是在成形过程中通过控制粉末的孔隙率、孔形状以及调节激光参数来实现粉末的完全熔化,所以理论上能够制备出致密度达100%、形状任意及内部结构复杂的高性能部件。2011年,德国Fraunhofer激光研究所的Hagedorn等采用散射的二氧化碳激光器, 逐层预热粉体直到1 700 ℃,制成了含氧化铝-氧化锆共熔体的工件,该工件热裂纹较少,致密度达到100%,并且抗弯强度达到

了500 MPa。但只能制备尺寸较小的工件,工件尺寸一旦超过3 mm时,制品的致密度会下降,且会出现许多热裂纹,表面质量也比较差。

   经过近20年的发展,增材制造技术用于陶瓷工件的制作工艺有了较大的改进,产品性能也得到了一定的提高。目前能够采用增材制造技术实现硼化锆、氧化锆、氧化铝等少量陶瓷材料的成型制备。但截至目前,无论是直接法还是间接法,由于陶瓷本身具有脆性大、膨胀系数低等的特性,陶瓷材料增材制造中出现的热应力问题尚未得到解决,制品容易出现热裂纹,陶瓷材料的增材制造技术离实际应用还比较远。尤其在成形体积较大的陶瓷工件时热应力的影响更大。即便目前有很多学者通过研究预热的方式来减少热裂纹和内应力,但是预热温度过高也会形成较大的熔池,导致表面粗糙、精度降低。因此增材制造陶瓷材料距离实质性应用还面临着巨大困难与挑战。

4 我国增材制造材料存在的问题与展望

   近年来增材制造技术发展很快,其应用领域也在不断增加。原材料作为增材制造技术的物质基础,它的发展将是制约增材制造发展的技术瓶颈。目前我国在关于增材制造原材料的研究方面还不够成熟,制定的相关标准也还不完善,市场上应用的增材制造用原材料大部分仍需从国外进口,价格昂贵。进口光敏树脂的价格在1 500元/公斤左右,国产光敏树脂的价格在800元/公斤左右,但是无论在成形精度还是成形件力学性能等方面,国产树脂性能距国外同类产品还有一定的差距。在制备高品质球形钛及钛合金粉末方面,以美国、德国、俄罗斯为代表的发达工业强国拥有多种成熟的钛及钛合金球形粉末制备技术,开发的球形钛及钛合金粉末不仅可以满足传统工艺近净成形的要求,也能满足增材制造等新

型工艺近净成形的要求,粉末粒度可达d50≤74 μm,目前已经形成了具有高附加值的稀有金属粉末产业。我国对于球形钛及钛合金粉末的研究在20世纪80年代起步,虽然经过了几十年的发展,国内也有不少有关科研单位进行自主开发,但国内生产的球形钛及钛合金d50≈150 μm,只能初步满足增材制造技术的要求。对于铺粉工艺的增材制造技术所需的细粒径的球形钛合金粉末,国内还是主要依赖进口。因此,原材料的缺陷和不足,将极大地限制我国增材制造技术的推广及产业化发展。

   因此,当下最急需的是加大对原材料的研发力度,尤其是在新材料的研发及应用方面,根据增材制造的特点, 再结合市场应用的各种要求,大力开发新的原材料,比如,纳米材料、直接打印制作高致密金属零件的合金材料、功能梯度材料、生物材料等,将是增材制造材料不断提高质量的发展方向;此外,推进增材制造材料的系列化、标准化、绿色环保化,并借助“增材制造+ ”的理念,不断拓展增材制造技术与传统制造业的深入融合, 将是增材制造技术发展的重要方向。