陶瓷、复合材料，深度透视粘结剂喷射3D打印技术的材料与应用发展

| 3DScienceValley · 2021/12/27

根据3D科学谷的市场观察，随着陶瓷增材制造技术与材料技术的继续发展，基于光固化、粘结剂喷射、材料挤出3D打印技术的应用将得到不同程度的加强，应用领域预计将扩展至汽车、牙科、能源、电子等更多领域。

本期，从粘结剂喷射金属3D打印陶瓷及复合材料材料与应用的角度，3D科学谷与谷友一起来进一步领略陶瓷、复合材料与粘结剂喷射3D打印技术结合的发展逻辑。

粘结剂喷射技术用于3D打印陶瓷材料的核反应材料存储器
© USNC

陶瓷、复合材料的别有千秋

根据3D科学谷全球市场研究合作伙伴AMPOWER，到2025年，AMPOWER预计粉末床系统的市场份额将减少，例如金属中的粘接剂喷射（BJT）将加速上升。

不同类型的金属3D打印技术市场份额（2020年，2025年-预测）
© AMPower

粘结剂喷射金属3D打印技术，从生产效率、经济性的角度看充分的满足了面向量产的应用。

粘结剂喷射3D打印材料
© 3D科学谷

而可打印材料的丰富多样（从金属到陶瓷，金属与金属的复合材料，陶瓷与金属的复合材料…)，使得粘结剂喷射这项技术的适用场景获得了进一步的延伸。

陶瓷

根据3D科学谷，陶瓷3D打印企业将发力于生产级的陶瓷3D打印系统与材料的研发，同时更低成本与更高精度的3D打印技术进入市场。陶瓷增材制造的应用将在2025年之后经历一个增长拐点。主要原因是，陶瓷增材制造3D打印技术将逐渐成熟，市场上存在足够支撑这一技术应用发展的生产需求。

粘结剂喷射工艺陶瓷制造技术正在不断发展，可用于先进陶瓷及传统陶瓷材料的制造，该技术具有可以生产多孔产品，材料选择灵活，尺寸限制不高，速度快、更容易实现规模化生产的优势。

随着陶瓷增材制造技术与材料技术的继续发展，基于光固化、粘结剂喷射、材料挤出3D打印技术的应用将得到不同程度的加强，应用领域预计将扩展至汽车、牙科、能源、电子、核能等更多领域。

l 核能

陶瓷包括不同成分的组合，其中SiC陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。别名金刚砂。

根据清华大学刘荣正副教授课题组在《科学通报》发表的评述文章“碳化物陶瓷材料在核反应堆领域应用现状”，新一代核能系统要求所用的材料具备更好的力学性能、热物理性能、抗辐照性能、耐蚀和抗热震性等，碳化物陶瓷材料是重点研究对象。

根据碳化物陶瓷材料在核反应堆领域应用现状一文：

碳化硅：SiC材料的共价键极强，在高温下仍能保持较高的键合强度，化学稳定性和热稳定性好，高温变形小，热膨胀系数低，非常适合用于高温环境中。SiC在核能系统中应用非常广泛，主要有四方面的应用：一是作为包覆燃料颗粒的包覆层。二是发展SiCf/SiC复合包壳，代替锆合金包壳使用。三是在气冷快堆中用作基体材料。四是在熔盐堆中作为结构材料使用。目前对SiC抗氧化性能提升的研究也在积极开展。

碳化锆：碳化锆(ZrC)是一种难熔金属化合物，具有极高的键能。与SiC相比，ZrC具有更高的熔点，更小的热中子吸收截面，且比SiC的高温力学性能和抗辐照性能更好。目前针对ZrC的研究也越来越多，一个重要的研究方向为将其作为新型包覆燃料颗粒的裂变产物阻挡层。
以ZrC陶瓷为基体和(或)包覆层的燃料元件形式和燃料颗粒示意图

碳化硼：B4C是核能系统中重要的中子吸收材料、控制棒材料和屏蔽材料，其密度低、熔点和硬度高，化学性质稳定。B4C中主要的中子吸收核素为10B，10B的热中子吸收截面大，在不同反应堆中，B4C具有不同的使用形式。

根据3D科学谷的市场观察, 国际上USNC-Tech通过粘结剂喷射3D打印技术制造包覆燃料的基体和(或)包覆层的燃料元件。USNC-Tech的商用放射性同位素加热器可以集成到着陆器和漫游车等太空探索设备中，使它们能够在传统热源失效的寒冷条件下生存。此功能对于防止设备和组件在 14 天的阴历夜、月球永久阴影区域以及太阳能和化学电源效率低下或无法使用的其他地方冻结至关重要。

l 其他

当然，粘结剂喷射3D打印陶瓷还可以应用到其他诸多领域。整体而言，由于陶瓷3D打印技术可直接打印具有复杂结构的陶瓷零部件，因此陶瓷3D打印技术具有无可替代的优势及应用价值。更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与陶瓷白皮书》。

硬质合金刀具

硬质合金刀具是一种以超细颗粒碳化钨为主要原材料，以钴、钇等金属元素或其它难熔碳化物粉末为辅助材料的精加工合金，具有硬度高、强度大、韧性好、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，因而适合应用于数控机床中。根据3D科学谷的市场观察，国际上通过粘结剂喷射3D打印技术成就了结构更加复杂、带冷却内流道的硬质合金刀具。

l 碳化钨

碳化钨是由粉末冶金生产的最广泛使用的高速加工（HSM）工具材料，由硬质碳化物（通常为碳化钨WC）颗粒和较软的金属粘合剂组成。目前，有数百种具有不同组成的WC基碳化钨，其中大多数使用钴（Co）作为粘合剂。镍（Ni）和铬（Cr）也是常用的粘合剂元素，可以添加其他添加剂。一些合金元素。

熟悉Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的业界人士不难发现，传统注塑成型工艺制造的硬质合金工件流程中的脱脂，烧结过程与粘结剂喷射金属3D打印技术所需要的后处理过程是一致的。

根据3D科学谷的市场观察：西班牙TECNALIA 利用其科学研究知识帮助公司通过颠覆性粘合剂喷射技术取得更大成功。

3D打印技术硬质合金刀具© exone

粘结剂喷射增材制造克服了需要支撑的增材制造工艺的局限性，可用于加工所需但难以加工的硬质金属和工具钢，设计自由度使提高性能的冷却通道能够直接集成到设计中。

烧结后，获得了密度与传统制造的商业部件相当的部件。此外，该材料的硬度和断裂韧性也相当。

l 钨合金

硬质合金（WC-Co）是一种具有非常高的硬度和韧性的材料，被广泛用于切削刀具和耐磨零件的生产。铜钨（CuW）材料适合用于需要高耐热性、高电导率和导热率以及低热膨胀的环境中。

钨金属的传统制造工艺是将碳化钨粉末压制成所需的形状，然后通过烧结工艺提高零件的强度和密度。通过粘结剂喷射金属3D打印技术，能够在无模具的情况下将钨金属粉末成型，然后再结合传统的烧结等工艺进行后处理，获得最终的强度。3D打印技术的应用，不仅能够节省模具制造时间与成本，还能够实现更为复杂的零部件设计，提升零部件的附加值。

国际上，钨粉制造商GTP 正在推进两种钨合金粉末的研发，与以往涉及到的钨合金3D打印粉末所不同的是，这两种钨合金材料用于粘结剂喷射这一间接金属3D打印技术：硬质合金（WC-Co）和铜钨（CuW）这两种钨基合金粉末材料。

金属复合

金属复合材料可以用于冷却模具的制造，根据3D科学谷的市场观察，虽然3D打印随形冷却模具并不是什么新鲜事物，但ExOne的粘结剂喷射技术以实惠的价格提供全新的大批量生产模具，这在增材制造领域是件新事物。

ExOne的粘结剂喷射技术3D打印冰淇淋塑料小勺的模具嵌芯，制造周期是通过传统方式（铸造+机加工）标准钢制模具的三分之一，价格约为传统标准钢制模具的一半。