3D打印先进陶瓷现状概述
Additive Manufacturing Research近期发布了关于陶瓷3D打印行业的深度研究报告，该报告聚焦于该领域的迅猛增长趋势。据其“陶瓷3D打印市场与预测：2024-2032”研究显示，陶瓷3D打印市场预计到2024年将达到1.73亿美元，并预测至2033年，这一市场规模有望接近9亿美元，展现出强劲的增长潜力。
陶瓷3D打印的迅速扩张得益于其在工业领域的广泛应用，特别是从传统的研发和电子产品细分市场向航空航天、医疗、工具制造等更广泛工业领域的转变。这一趋势预示着陶瓷增材制造技术正从实验性应用向大规模工业化生产迈进，为市场增长注入了强大动力。
上周，我们重点围绕公司在2024年度金属3D打印应用进展做了分享，而其实在陶瓷材料应用方向，2024年同样具有非凡意义。升华三维PEP技术的”3D打印+粉末冶金“相结合的独特工艺方式，注定在先进陶瓷领域与传统PIM工艺会产生深度融合的应用场景。在这一年，我们重点在碳化硅、氮化硅等先进陶瓷材料应用市场开拓出了独具特色的应用场景。本文，将为大家继续分享升华三维的另一个核心材料方向，先进陶瓷材料的3D打印应用进展。
2024年先进陶瓷3D打印应用进展
RBSC光学反射镜大尺寸、轻量一体化制备碳化硅（SiC）陶瓷因其比刚度大、热导率高、热变形系数小以及稳定性好等优势，广泛应用于航空航天、汽车工业等高端制造的电子设备、散热解决方案以及光学系统等领域。升华三维从SiC的素坯成型工艺入手，结合适宜的烧结工艺，使烧成的碳化硅陶瓷毛坯达到近净成型，以减少后续加工量，并保证了产品性能满足使用需求。目前已在光学反射镜的制备上已实现多个商业化应用项目。
▲轻量化设计的碳化硅反射镜坯 ?升华三维
例如，上海硅酸盐研究所利用升华三维独立双喷嘴系统打印机结合反应烧结制备SiC陶瓷新方法，成功制备了碳化硅陶瓷光学元件等高附加值组件，并实现商业化。PEP工艺为该案例中的大尺寸复杂结构、轻量一体化碳化硅元件的成功制备提供了支持，可有力地支撑国家遥感卫星发展和空间基础设施建设，提升了我国在遥感探测技术的核心竞争力。此外，基于PEP的颗粒熔融打印方法避免了微重力条件下粉体打印潜在的危害，为未来空间3D打印提供了可能。
▲RBSC晶舟产品 ?上海硅酸盐研究所
半导体制程RBSC晶舟开发碳化硅材料制舟托、舟盒、管件制品等热稳定性能好、高温使用不变形、无有害析出污染物、热膨胀系数适配性好、维护成本低、使用寿命长，具有替代存量石英材料的能力。PEP技术结合反应烧结工艺（RBSC）制造碳化硅晶舟，为晶圆载具的灵活结构设计提供了支持。
RBSC工艺具有处理温度低、时间短、不需要特殊及昂贵的设备、反应烧结胚件不收缩，尺寸几乎不变、烧结过程无需加压，即可制备出大尺寸、形状复杂的制品。碳化硅晶舟独特的物理特性使得其能够在恶劣的环境下工作，在半导体制程应用领域中拥有广阔的发展前景。
▲RBSC晶舟样品展示 ?升华三维
氮化硅涡轮叶片一体化制备
氮化硅作为一种高温结构陶瓷材料，在加工上有较大的难度和局限。升华三维利用PEP技术可直击氮化硅材料传统制造痛点，为氮化硅涡轮叶片的复杂结构一体化成型提供支持。相比传统粉末冶金工艺，可以大大加快产品的开发与商业化时间，极大地缩短了制造周期和生产成本。
采用PEP制备的氮化硅陶瓷结构件，适用于传统工艺常用的氮化硅烧结方法。客户应根据设备条件、性能要求、成本预算、时间效率等多方面因素，选择最适宜的烧结技术。该氮化硅涡轮叶片应用案例，采用用了无压烧结工艺，其烧结性能表现优异，该产品经过打磨、抛光等处理后，符合客户应用场景需求，且已实现小批量生产。
▲3D打印氮化硅涡轮 ?升华三维
氮化硅陶瓷轻量一体化壳体制备
氮化硅除了具有耐高温、耐腐蚀、耐磨性、高抗弯强度、高冷热冲击等性能外。还具有优异的电绝缘和透波等性能，可在复杂环境中使用，并能够保持可靠性与使用寿命。适用于多孔氮化硅陶瓷透波功能件的制备和性能研究。升华三维利用PEP技术为氮化硅陶瓷轻量一体化壳体成型提供了一种更经济的增材制造方案。不仅能够提高生产效率，降低成本，还能够实现复杂形状的设计，以满足现代通信系统对透波功能件的严苛要求。在国防、航空航天、气象等领域都具有应用优势。
升华三维已具备氮化硅陶瓷构件开发与生产能力。采用PEP工艺制备的氮化硅壳体结构具有优异的透波、承载、防热和抗冲击等性能，该壳体烧结件已通过客户的性能测试，目前我们正结合客户应用场景优化产品结构，以减少后处理步骤及制备周期。
▲氮化硅壳体结构烧结样品 ?升华三维
多孔氮化硅植入体制备另外，氮化硅具有优秀的抗菌和抗病毒能力，以及优异的生物相容性，可适用于牙科、骨科和颅颌面植入物领域。PEP技术的颗粒材料融熔挤出成型方式，在打印件的表面光洁度有限，但是在结合多孔晶格填充结构打印后，会具有对生物陶瓷植入物独特需求的高接触面积和低表面质量的结构特性，而这可以更好地适应生物血肉渗入和生长。升华三维在这方面做了非常多的材料和工艺设备优化工作，以适配医疗行业的高标准。现阶段已经开发有氮化硅、氧化锆、羟基磷灰石等生物陶瓷材料，且已与多个医疗器械研究机构建立合作，共同探索PEP工艺在陶瓷植入体方向的应用。
▲3D打印氮化硅人工椎体 ?升华三维
陶瓷烧结治具制备
与传统的工具制造方式相比，3D打印技术更适用于制作烧结治具。它可根据具体工件需求进行定制化设计，且快速制作出适用于不同工艺的烧结治具；3D打印可实现烧结治具无模制造，且可快速迭代，大大节省了时间和资源。此外，在烧结治具的轻量化方向独具优势，不仅可以降低材料成本，还可以减少能源消耗。基于PEP技术的独立双喷嘴3D打印设备，在制作烧结治具方面能充分发挥3D打印的灵活设计与制备优势，并完美融合到粉末冶金工艺中，以极简的工艺步骤解决复杂工件与治具的成型及烧结问题，在烧结治具应用中拥有巨大潜力。PEP工艺可同时满足工件和烧结治具的高自由度设计和快速制备，目前已为粉末冶金行业客户在3D打印工件及烧结治具方面提供解决方案，以适应其更复杂的工件形状和更高的生产效率要求。
▲PEP制备的陶瓷治具和金属零件 @升华三维
陶瓷阵列结构一体化制备阵列结构是一种具有规则重复模式的三维结构，其中的单元格按照特定的周期性在空间中重复排列。这种结构在自然界和工程领域都有广泛的应用。3D打印阵列结构是增材制造技术中的一种重要应用，它能够在三维空间中精确地排列和构建出复杂的阵列结构，PEP工艺为复杂阵列结构-功能一体化的开发制造提供解决方案，可支持粉末注射成型工艺中金属/陶瓷材料的阵列结构打印。PEP工艺具有低成本、?高效、一体化、性能一致性好。该案例中，客户采用该工艺制备陶瓷阵列骨架，完成后的阵列结构件再结合特定的材料进行融合，可实现如辐射增强、空间滤波、疏水、生物细胞培养等特殊功能。
▲阵列结构样品模型展示 @升华三维
3D打印技术目前已成为工业制造领域的重要手段，始终致力于解决传统制造工艺提出的挑战，在实现先进陶瓷无模成形、缩减产品设计周期、精细陶瓷微结构等方面发挥着极其重要的作用。
PEP技术在成本效益、材料适应性、及与传统工艺契合方面均表现出色，且在大尺寸的高性能结构陶瓷、中空轻量化结构和梯度功能陶瓷制备方面能提供完备的工艺支撑，同时也特别适合如深色陶瓷材料（如碳化硅、氮化硅）的增材制造。升华三维目前已在如空间反射镜、高温炉具、热交换器、晶圆载具、天线罩、过滤催化器、人工骨等先进陶瓷应用方面有着较成熟案例。
▲PEP工艺制备蜡基陶瓷材料应用优势及前景 ?升华三维
PEP技术因其绿色环保和可持续发展的特性，有助于减少能源消耗和环境污染，符合当前制造业的环保趋势，市场潜力巨大。下一步，升华三维将紧跟先进陶瓷增材发展趋势，助力科研方向探索先进陶瓷新材料新工艺；同时，借助传统工业陶瓷转型升级契机，深度挖掘应用场景，以加快产业化应用步伐。
