先進陶瓷黏結劑噴射增材制造技術發展與展望*

馮琨皓，趙 威，毛貽桅，張正泰，葉春生，蔡道生，2，蔣文明，魏青松

（1.華中科技大學，武漢 430074；2.武漢易制科技有限公司，武漢 430000）

陶瓷材料以其卓越的硬度、強度、耐高溫、抗腐蝕和抗氧化性能，以及優異的生物相容性，在眾多行業中展現出了廣泛的應用前景。隨著這些行業的迅猛發展，對陶瓷材料的定制化、輕量化和可靠性提出了新的挑戰。傳統的陶瓷成型技術（如壓制成型、凝膠注模、注漿成型和流延成型）[1–3]通常依賴于模具，不僅限制了設計的靈活性，而且導致新產品開發周期延長、成本增加、成型精度降低。相比之下，增材制造技術能夠制造任意復雜形狀的部件，無需模具，大大加快了產品的開發周期，使復雜的個性化陶瓷組件能夠迅速實現應用。此外，陶瓷增材制造減少了傳統機加工后處理的需求，進一步降低了生產成本，同時提高了成品率。

增材制造（Additive manufacturing，AM），又稱3D 打印，通過計算機輔助設計和分層堆積原材料來構建三維實體。這種方法的優勢在于設計自由度高、材料選擇廣泛、原料浪費少、加工成型高效，并能成型復雜幾何結構[4]。隨著增材制造設備、材料、打印工藝和計算機輔助技術的發展，增材制造已廣泛應用于航空航天、生物醫療、能源機械和電子信息等領域[5–7]。依據美國測試與材料學會標準[8]，增材制造技術目前主要分為七大類，即黏結劑噴射成型（Binder jetting，BJ）、立體光聚合（Vat photopolymerization，VPP）、粉末床熔融（Powder bed fusion，PBF）、定向能量沉積（Directed energy deposition，DED）、材料擠出（Material extrusion，MEX）、材料噴射（Material jetting，MJ）和片材層壓（Sheet lamination，SL）。這些技術原則上可成形材料包括金屬[9]、陶瓷[10–11]、聚合物[12]以及復合材料[13–14]。除了直接熔融材料的PBF 和DED 外，其余技術均適用于陶瓷3D 打印。其中，VPP 精度最高但對某些陶瓷材料成型性差；MEX 工藝簡單、成本低，但打印零件精度較低，某些復雜結構需額外支撐；MJ 制得零件精度和表面質量良好，但對原料要求高且工藝復雜；SL可獲高力學性能但零件存在明顯各向異性，材料制備復雜；BJ 則因其成本低廉、原料要求低、成型效率高，成為最具潛力的陶瓷成型技術之一。

黏結劑噴射技術，作為一種獨特的粉末和黏結劑組合堆積成型工藝，因其高效率、低成本和環保性而受到關注。近幾年，國內外商業公司和研究機構廣泛關注此技術。砂型黏結劑噴射技術首先得到發展[15]，隨后設備升級使μm 級粉末均勻鋪展和高分辨率打印成為可能，進而使金屬、陶瓷及復合材料的打印成形得以實現[16–17]。本文著重研究陶瓷材料的黏結劑噴射成型，詳細介紹了其原理、特點，以及陶瓷原材料選擇與處理，黏結劑分類配置與動力學行為，工藝參數和后處理，最后探討了當前挑戰與未來發展方向。

1 陶瓷黏結劑噴射技術工藝原理及特點

1.1 陶瓷黏結劑噴射技術原理及工藝流程

黏結劑噴射技術最初是由麻省理工學院的Emanuel Sachs 等于1987 年提出并于1993 年申請的發明專利[18]。該技術是通過逐層堆疊粉末材料，并選擇性地噴射液體黏結劑以實現粉末顆粒之間的黏合，構建出三維實體。如圖1 所示，該技術根據粉末供應方式的差異，劃分為上落粉（圖1（a））與下送粉（圖1（b））兩大模式。上落粉模式因不需供粉缸而提升了可成型區域面積，已成為當下主流配置，這一點從ExOne、惠普及國內武漢易制等公司的設備應用情況便可見一斑；相對而言，下送粉模式通過控制供粉缸的升高，能精確調控每層粉末的體積，以優化打印參數。

在工藝流程上，如圖2 所示，首先鋪設一定層厚的粉末，噴頭在控制系統的指導下，按照零件模型的切片輪廓噴射黏結劑。用選擇性的輻照加熱加快溶劑蒸發，并固化每層輪廓，進而堆疊形成陶瓷初坯[19]。初坯通?？紫堵瘦^高、機械強度不足，需經過后處理工藝（如固化、脫脂和致密化等步驟）以滿足使用標準。固化過程主要通過加熱、紫外光照射或加壓等手段進行，其中加熱固化最為常見，溫度一般控制在120～200 ℃，用來加速溶劑蒸發和黏結劑交聯[20]。此外，固化可與打印過程同步，俗稱原位固化，用來提升打印精度并避免黏結劑擴散，盡管這可能增加打印時長[21]。脫脂步驟旨在通過加熱分解黏結劑，以減少坯體內的殘留有機物，此過程要求嚴格控制溫度和時間以防初坯損壞，通常脫脂溫度為600～800 ℃[22]。燒結、溶膠/漿料浸漬[23–24]、化學氣相沉積[25]、前驅體浸漬熱解[26]、反應燒結[27]、等靜壓燒結[28]等致密化工藝被廣泛應用于黏結劑噴射陶瓷的后處理過程。

圖2 陶瓷黏結劑噴射成型工藝流程Fig.2 Steps of binder jetting printing ceramics

1.2 陶瓷黏結劑噴射技術特點

相較于其他增材制造工藝，陶瓷黏結劑噴射技術存在以下特點：（1）黏結劑噴射技術原則上可成形任意粉末材料[29]，可直接成形陶瓷、金屬、高分子及復合材料，是增材制造中材料選擇最廣泛的工藝之一[30]，且黏結劑噴射易實現梯度材料成型；（2）成型過程無熱源或極小熱源，有效避免了如高能束成型過程中應力集中造成的變形、翹曲和開裂等問題； （3）成型過程在室溫和空氣環境下進行，節省了真空或氣氛環境帶來的設備成本，同時避免了粉末在成型過程中出現氧化、元素偏析等問題，提高了粉末的回收率； （4）黏結劑噴射技術將材料的成型和致密化過程分離，可通過調節后處理工藝及參數來實現零件密度和孔隙率的柔性控制； （5）成型復雜懸臂結構時無須支撐，且黏結劑占零件總體積很小，避免其在成型復雜構件脫脂時產生大量氣體破壞零件的形狀； （6）相較于大多數“點–線–面”成型的增材制造工藝，黏結劑噴射技術可采用陣列式噴頭由“線–面”進行成型，且在室溫大氣下成型的特點使其成型臺面可輕松達到m 級甚至更大，有望實現大尺寸零件的快速一體化成型。目前砂型黏結劑噴射商用設備成型尺寸已達到4000 mm×2000 mm×1000 mm 且已有較為成熟的應用案例[31]，陶瓷/金屬商用設備有效成型區域最高達800 mm×500 mm×400 mm[32]，但還未報道相關的大尺寸應用案例。

盡管黏結劑噴射技術具有極大的優勢和應用潛力，但是目前仍存在一些不足之處亟待解決： （1）黏結劑噴射技術是一個多步驟工藝，工藝參數眾多，各步驟參數對最終零件的性能影響尚未完全清晰； （2）相較于粉末床熔融成型，黏結劑噴射成型的陶瓷初坯致密度較低（約50%），且陶瓷材料熔點較高，通常直接燒結難以完全致密且容易出現大體積的收縮；（3）由于對黏結劑液滴的擴散行為無法完全調控，成型零件的精度相對較低、表面粗糙度較高； （4）對于不同的材料體系，通常需要研發不同的黏結劑和開發相應的后處理策略。

2 陶瓷材料選擇和處理

2.1 黏結劑噴射成型陶瓷材料

目前，已有數十種陶瓷材料成功用于黏結劑噴射成型，包括氧化物陶瓷[33]、氮化物陶瓷[34]和碳化物陶瓷[35]，分別應用在結構陶瓷、功能器件、生物醫療等方面。表1[25，35–73]歸納總結了現有黏結劑噴射成型的陶瓷材料、應用領域以及相應的參考文獻。

表1 陶瓷黏結劑噴射技術已有材料及應用領域Table 1 Printable materials and applications of ceramics BJAM

在結構陶瓷應用中，氧化鋁和氧化鋯[40]因其優異的機械強度和耐磨性，經常被用于制造工業軸承和密封環等。相比之下，黏結劑噴射技術則能夠在不需要傳統的模具和漿料的情況下，實現復雜形狀氧化物陶瓷的快速成型。這種方式在中小批量生產和新產品開發中尤為有用，可以節省大量的時間和經濟成本。然而，這種技術制備出的陶瓷致密度和力學性能仍有待提升，以達到傳統制造方法的水平[74]。

在高級制造領域，碳化硅[47]和氮化硅[48]因其卓越的耐高溫特性，被廣泛認為是渦輪葉片、高精度反射鏡及高溫加熱元件和動力機械構件的理想材料。傳統的碳化硅反射鏡生產流程依賴于模具成型和后續的機械加工來實現質量輕和精度高的要求，特別是對于那些需合并多個坯體以形成特定結構的情形[75]，這一方法不僅成本高昂，而且由于陶瓷本質的脆性，其加工難度大，導致成品率較低。相對而言，黏結劑噴射技術提供了一種高效的替代方案，該技術能夠一步成型出復雜且輕量化的碳化硅反射鏡坯體[71，76]，從而避免了額外的機械加工，并顯著減少了生產成本。碳化硅還因其出色的高溫穩定性和抗輻射能力，被推崇為下一代核能領域的關鍵保護材料。美國橡樹嶺國家實驗室已經基于黏結劑噴射技術開展相關的研究并制備出用于核反應堆保護材料的復雜碳化硅結構[72–73]。

在功能陶瓷領域，如電子陶瓷的制備，氧化鋁[77]和二氧化鈦[78]等材料因其卓越的電絕緣性能而被用作電子基板和濾波器，鈦酸鋇[58]用于制造鐵電解電容器。傳統電子陶瓷的制備多用壓制、漿料等方法成型，已具備較為成熟的批量制造技術，但隨著電子信息技術和芯片行業的不斷發展，市場對電功能陶瓷的結構和功能特性要求越來越高。黏結劑噴射技術在此領域能快速從設計轉到生產，促進了新產品的應用推廣，但在成型精細結構方面還有改進空間。

在生物醫療應用方面，黏結劑噴射技術的引入已經使得根據不同個體的需求定制醫療植入物成為可能。氧化鋯和羥基磷灰石等[61]是具有良好生物相容性的陶瓷材料，可以用于牙科植入物和骨組織替代品等，減少了成本并促進了醫療領域的發展?？偠灾?，黏結劑噴射技術在制備先進陶瓷方面的優勢明顯，盡管在力學性能和精細結構成型方面還存在一些局限性，但隨著技術的進步，這些問題有望得到解決。隨著更多的陶瓷材料和精細化的加工方法的發展，黏結劑噴射技術有潛力在制造業中發揮更大的作用。

2.2 陶瓷材料選擇及其特征影響

在黏結劑噴射技術中，精選優質的陶瓷粉末材料是實現工藝優化和提升制件品質的核心要素之一。恰當的材料選擇不僅顯著決定了成品的功能性與適用范圍，亦在降本增效方面發揮著關鍵作用。陶瓷粉末材料的選定，需基于目標應用場景深思熟慮，確立相應的材料體系，同時必須審慎考量包括粉末的形態、粒徑及分布在內的關鍵物理參數。這些屬性不僅直接影響了粉末的流動特性與堆積密度，也是工藝參數配置與最終產品性能優化不可或缺的參考指標。

2.2.1 粉末形態

球形與不規則形態的粉末是該技術中常用的兩種基本粉末類型，而棒狀粉末（如陶瓷晶須）也作為一種新的潛在形態被提出[79]。粉末的形態直接影響其流動性，進而影響到粉末的振實密度、堆積密度以及最初成型產品中的孔隙分布。球形粉末因其較好的流動性，更有助于鋪展和成功打印，而這種流動性可以通過流動因子、豪斯納比、卡爾指數和流動速率等參數進行量化[20]。如圖3所示[80]，流動性好的粉末能夠形成平整、密集的粉層，從而提高成型后產品的密度和表面品質；相反，流動性較差的粉末可能導致粉層不均勻，引發成型初坯出現褶皺或偏移等問題，有時甚至無法成型。球形粉末由于較小的內摩擦力而具有較高的振實密度[22]，但實際中，不規則粉末在輕微的鋪粉壓力下可能更易于緊密壓實[79]。例如Suwanprateeb 等[81]發現了羥基磷灰石的不規則粉末具有比球形粉末更高的鋪粉密度。

圖3 不同流動性粉末的粉床及打印零件[80]Fig.3 Powder bed and printed parts of powders with different flowability[80]

粉末密度包括堆積密度和振實密度，是預測和影響粉床密度和初坯密度的關鍵因素。Li 等[82]經過試驗和線性回歸分析證實了粉末密度與粉床密度的相關性，并指出堆積密度的相關程度更高。另外，Suwanprateeb等[81]還發現，與球形粉末相比，使用不規則粉末制備的坯體在1300 ℃燒結后密度增加了32%，孔隙率減少了20%，其彎曲強度和模量等也更優。綜上所述，球形粉末可以提供更佳的流動性，而不規則粉末則具有較高的堆積密度，兩者對于獲得高質量的初坯和最終產品至關重要。對多數陶瓷材料而言，不規則粉體的生產成本較低，工藝也相對簡單。如果在相同粒徑下，不規則粉末能夠滿足鋪粉要求，那么選擇它可以減少成本，同時提高最終產品的性能。然而，通常不規則粉末形成的坯體孔隙分布和大小不夠均勻，若需獲得結構均勻的陶瓷部件，球形粉末將是更合適的選擇。

2.2.2 粉末粒徑和分布

陶瓷粉末的粒徑和分布對于黏結劑噴射增材制造工藝的成功至關重要，直接影響著工藝參數的選取、打印質量和最終零件的使用性能。典型的黏結劑噴射采用的粉末粒度范圍通常介于0.3～200 μm之間[83–84]，但也有文獻報道所用粒徑高達355 μm[85]。適當的粉末粒徑對于實現預期的堆積密度、流動性以及燒結屬性至關重要，是工藝成敗的關鍵因素之一。較粗粒徑的粉末通常流動性更佳[86]，易得到平滑無缺陷的粉層，然而這也意味著必須采用更大的層厚，這可能對打印分辨率和零件的表面粗糙度產生負面影響；反之，細粉更易得到平滑均勻的打印層，有助于提高零件的精度和表面質量。并且細粉通常還具有更好的燒結活性，從而降低陶瓷燒結所需要的溫度和時間[87]。但需要注意的是，細粉末的高比表面積使其對環境的敏感性增強[88]，因此放大了顆粒間的相互作用。當粒徑小于一定程度，細粉在范德瓦爾斯力和氫鍵的作用下容易吸水團聚，極大地降低了粉末的流動性，導致其鋪粉困難且顆粒非均勻堆積，這都會對零件質量產生負面影響。因此，在選取粉末粒徑時，應平衡鋪粉的便利性與燒結性能及表面品質的最優化。

粒徑分布的均一性對于實現一致的粉床質量和初坯結構同樣不可或缺。如圖4[89]中的顆粒分布，狹窄而均勻的粒徑分布有利于在每一打印層中實現均勻的粉末填充，保證層與層之間的厚度和黏附性的一致性，從而提高陶瓷零件的結構和性能的均質性。而廣泛的粒徑分布以及多峰分布則能夠通過細小粉末顆粒填充在粗粒間隙中，從而實現更高的堆積密度[90]。應當注意，較窄的粒徑分布可能會導致燒結過程中粉末間隙難以消除。

圖4 不同的粉末粒徑分布及累計分布曲線[89]Fig.4 Different powder particle size distribution and cumulative distribution curves[89]

2.3 陶瓷粉體處理先進性策略

粉末特性的優化是實現高品質初坯和最終零件的基石。除選擇合適的粉末特性以外，粉末工藝處理也是提升粉末成型性的關鍵手段。黏結劑噴射工藝中，通過粒度配比優化，即混合不同粒徑粉末以實現更高的堆積密度，是一種普遍采用的策略。這一方法依賴于細粉填充至粗粉間隙的原理，從而提高整體粉末堆積密度，同時增強細粉的流動性。最佳粒徑配比的獲取，是目前研究中的一個重要議題。Du 等[91]通過離散元模型模擬了不同比例下碳化硅粉末的振實密度，并發現振實密度隨粗粉比例的提升而先增加后減少，這一結果與試驗數據相吻合（圖5（a））?；谀M得到的最佳配比來成型初坯時，相比單粒徑粉末，其致密度提升了5%。在后續的工作中，他們進一步驗證了隨著粗粉比例增加，粉末的堆積密度呈現先升高后降低的趨勢（圖5（b））[92]。上海硅酸鹽研究所的顧薛蘇等[93]對3 種不同比例的5 級粒度SiC 粉末進行打印和后續處理，發現粒度分級的試樣比單粒徑粉末的初坯密度提高了2.5%，而最終制件的彎曲強度增強了16.3%。對于不同形態與粒徑的陶瓷粉末的理想配比，仍然需要深入研究以確定。采用模擬與試驗相結合的方法，可以高效地實現這一目標。

圖5 不同粗粉比例對雙峰粉末振實密度和堆積密度的影響Fig.5 Influence of different coarse powder fractions on the bimodal powder tapping density and packing density

噴霧造粒是提升粉末流動性和打印性能的有效方法。盡管納米顆粒具有出色的燒結性能，但其流動性差，且易于團聚，這限制了納米顆粒在黏結劑噴射中的應用。Miao 等[80]通過將納米氧化鋁粉末噴霧造粒成μm 級球形粉末，顯著降低了46.2%的休止角，提高了142.6%堆積密度，并且打印燒結后的密度提升了58.4%。通過將超細粉末轉化為較粗的團粒，不僅實現了超細粉末的均勻分散，同時保持了優良的燒結性能，然而，該過程面臨的主要挑戰之一是確保通過黏結劑液滴介導的顆粒間的有效黏接，這對于維持重構顆粒的結構完整性至關重要。

此外，將粉末床沉積轉變為漿料層沉積是提高細粉末打印性的另一個策略。在漿料中分散超細粉末不僅能滿足鋪粉的需求，還能極大提升粉床密度。德國材料研究與發展中心的Zocca 等[94–96]在這方面已經取得了一系列的研究成果，目前已成功應用于Al2O3和SiC 粉末的漿料沉積。將粉末制成漿料雖然是打印細粉的有效方式，但這也使得工藝變得更加復雜，且粉末的回收利用變得更加困難（圖6[95–96]）。

圖6 碳化硅陶瓷漿料層黏結劑噴射Fig.6 Slurry-based binder jetting of SiC ceramics

3 黏結劑配置過程及作用機理

黏結劑不僅涉及到液滴的穩定噴射，還涉及粉液之間的復雜相互作用，這些相互作用共同決定了黏結劑噴射的效果。一個理想的黏結劑應該具備以下4 點特性： （1）穩定性，能夠穩定地生成連續的液滴，避免噴頭堵塞； （2）流動性，在陶瓷粉末床中均勻擴散，確保形成的初坯結構均勻； （3）粘接強度，提供足夠的粘合力，保證坯體在后處理中的完整性； （4）殘留少，在燒結后應盡可能完全去除，避免影響成品的性能。

本章通過對現有黏結劑體系的研究和總結，詳細介紹了黏結劑的配置流程，并探討了各種參數對于液滴成型機理以及黏結劑在粉床上滲透動力學的影響。通過這些分析，能夠對黏結劑的設計和配置提供有價值的技術指導，從而在新型陶瓷制造中達到更好的黏結效果，制備出質量更高的陶瓷零件。

3.1 黏結劑的種類與應用前景

黏結劑的選擇對于高質量陶瓷初坯和最終產品的制造至關重要。多樣化的黏結劑類型目前正成為技術創新的熱點。從有機到無機，再到水性和特殊黏結劑，各類黏結劑不僅對應不同的材料體系，也在技術進步中扮演著關鍵角色。

有機黏結劑的早期采用及廣泛應用，體現了其在粉末顆粒黏結方面的卓越性能。以石蠟、聚乙烯醋酸酯等為主的有機黏結劑，在陶瓷顆粒間提供強大的黏結力，是黏結劑噴射技術的先驅[79，97]。然而，有機物的高黏度和存儲難題，以及在噴射過程中的堵塞風險[98]，要求研究者不斷創新其保存和應用工藝。無機黏結劑主要由膠體硅等組成，通過酸處理或CO2氣體作用，使黏結劑與粉末顆粒反應，表現出其在陶瓷制造中的獨特價值[99–100]。尤其是在砂型材料的應用中，其牢固的黏結能力顯得尤為重要。近年來，水性黏結劑則因其環保特性和易處理性而備受關注。美國的Desktop Metal 公司和國內的武漢易制科技有限公司等都已將此類黏結劑作為主流，主要成分包括去離子水、添加劑（分散劑、流平劑等）及黏結劑（聚乙烯醇PVA、聚乙烯亞胺PEI、聚乙烯吡咯烷酮PVP 等）[96，101–102]。這一類型的黏結劑兼具材料適配性寬泛和殘留物少的優點，但仍需面對初坯強度較低的挑戰。

在特殊成分黏結劑研究領域，實驗室層面的探索正引領行業前沿。從水熱輔助無黏結劑打印技術到特殊金屬鹽[103]、納米陶瓷顆粒[104]的應用，創新方案不斷涌現。例如，愛德華大學的Fei 等[105]提出水熱輔助技術，美麻省理工學院Cordero 等關于納米TiO2黏結劑的突破[106]，以及華東交通大學的Zhao 等[107]在降低表面粗糙度、提高彎曲強度的顯著成果，都表明了特殊黏結劑在材料特定需求下的巨大潛力和應用前景。

3.2 黏結劑配置過程及其關鍵影響因素

在黏結劑噴射技術中，黏結劑墨水的配制是一個精細化且復雜的過程，直接關系到最終產品的質量和性能。黏結劑墨水的構成復雜，通常包括液態溶劑、黏結劑主體以及多種添加劑（如助溶劑、保濕劑和表面活性劑等）。圖7 展示了黏結劑配制的整體流程，包括以下關鍵階段：黏結劑成分的選擇與測試、黏結劑墨水的精確配制、液滴形成與粉床兼容性調控，以及最終的打印測試。

圖7 黏結劑配置流程Fig.7 Binder configuration process

在黏結劑材料選擇及測試階段，首要任務是基于目標陶瓷粉末的特性及預期的后處理工藝來確定黏結劑的化學組成。這一過程涉及對粉末種類（如氧化物陶瓷采用特定金屬鹽，碳化物陶瓷則傾向于選擇聚合物或有機化合物為基的黏結劑）的考慮，并進一步通過將黏結劑與選定的液體溶劑進行預混合來評估其配制的可行性。這一階段的決策通常依據現有文獻[19，29–30，79]及試驗數據，著重在溶劑的選擇和黏度分析上為黏結劑的最終配制提供指導方案。

黏結劑墨水配置階段著眼于現有的黏結劑和溶劑組合基礎上，通過精準加入特定添加劑，來調整墨水的密度和流變特性，以滿足噴頭要求的黏度范圍。黏結劑墨水的流變性，包括其黏度和表面張力的調控，是實現優化噴射性能的關鍵。這些參數直接影響液滴在打印過程中的形成及滲透行為[108]，Derby[109]對此進行了精確描述，提出3 個核心參數：雷諾數（Re）、韋伯數（We）和奧內佐格數（Oh）來分別表示墨水的黏度、表面張力和液滴形成的綜合特征。

式中，ρ、η、γ分別為密度、黏度和表面張力；v 為速度；a 為特征長度。

目前，多數噴頭采用按需噴射技術，即通過電信號或熱膨脹來壓縮噴頭內的氣體，從而產生黏結劑液滴。這種液滴的生成機制對整個打印過程至關重要。Fromm[110]首次提出用參數Z=1/Oh來描述液滴的生成行為。如圖8 所示[111–112]，普遍看法是，當Z值過低（Z<1），液體黏度和表面張力會太高，阻礙噴嘴的噴射；反之，當Z值過高（Z>10），液體“過稀”導致產生大量的衛星液滴，影響精準打??；只有當Z值處于特定區間（通常是1

圖8 Z 值對黏結劑液滴產生的影響Fig.8 Effect of Z-value on binder droplet generation

在黏結劑墨水的配置完成之后，其與粉床的相容性測試成為重要環節，即需對黏結劑液滴與粉床接觸的行為以及其在粉床上的擴散和滲透動態進行細致分析。黏結劑液滴與粉床的相互作用直接決定了打印初坯的結構強度和表面質量[113–114]。當黏結劑液滴從噴嘴噴出后，液滴會與粉末床發生一系列滲透動力學反應，包括沖擊、潤濕、擴散和滲透等多個階段。液滴的沖擊行為受到其體積、初始速度、黏度以及粉床表面特性的影響，通過調整雷諾數和韋伯數可以有效控制沖擊過程中的飛濺現象[115]。液滴的潤濕和擴散行為主要取決于初始速度和黏度[116]，而液滴的垂直滲透深度則與液滴自身速度及粉床的孔隙率、孔隙形狀和堆積密度等因素緊密相關[117]。因此，在配制黏結劑墨水時，觀察這些行為并通過墨水中的添加劑調整液滴與粉床的相容性至關重要，以實現最佳的打印參數。

黏結劑墨水的配制經過成分選擇、流變性調控和粉床相容性調整等多個階段的理論和實踐驗證后，最終需在實際設備上進行打印測試。這一階段包含了測試打印出的結構性能，如初坯的強度，以及打印復雜幾何形狀的準確性和表面粗糙度的評估。綜上所述，這些步驟共同構成了黏結劑墨水開發的完整流程，其影響因素多樣且復雜，如液滴與粉床的多元滲透機制，這些仍需進一步的深入研究與探索。

4 陶瓷黏結劑噴射的工藝參數與后處理

在陶瓷黏結劑噴射技術中，關鍵步驟是運用適宜比例的黏結劑來黏合陶瓷粉末，構建特定結構的陶瓷坯體。實現高精度初坯的基礎在于精確控制工藝參數。眾多研究已表明，層厚、黏結劑飽和度、鋪粉速度、打印方向以及打印策略等因素，會對初坯以及最終產品的精度、表面品質和性能產生顯著影響。進一步地，陶瓷初坯通常需經歷一系列后處理工藝，以實現致密化并滿足最終產品的性能要求。

4.1 層厚的調整與影響

層厚定義為單層打印時粉末床在Z方向的高度，這一參數通常也決定了成型臺面的下降幅度，其值通常介于15～300 μm 之間[30]。層厚的選擇會對初坯的打印時長及成型質量產生顯著影響：較小的層厚有利于形成平滑粉床表面，提高初坯質量，但相應地會延長打印時間[118]。在選擇層厚時，應權衡分辨率要求與打印效率，同時考慮到粉末顆粒的尺寸，一般認為層厚應大于粉末顆粒的最大直徑[119–120]，部分研究建議采用2倍[121]甚至3 倍粉末的粒徑[35，122–123]。Feng 等[35]研究發現，隨著層厚增加，初坯的密度降低，其壓縮強度呈先增后減的趨勢，這可能是因為層厚增加導致粉床密度下降[124]。另一方面，過小的層厚可能會引起下層已打印區域在鋪粉過程中的位移，從而導致初坯出現裂紋、褶皺等缺陷，影響初坯性能[125]。Meier 等[126]通過離散元模擬考察了粉末顆粒間的墻壁效應，發現層厚增加反而使粉床密度升高。因此，層厚的選擇需根據具體應用場景，平衡打印速度與零件質量（如表面粗糙度和機械強度）之間的關系。

4.2 黏結劑飽和度及其影響分析

黏結劑飽和度的定義為粉床中黏結劑體積與孔隙體積的比例，是影響打印初坯結構完整性和最終性能的關鍵指標。計算公式如下[30，79]。

式中，S 為黏結劑飽和度；Vbinder為每層噴射黏結劑的總體積；Vpore為每層粉床中孔隙的體積；Vdrop為單個黏結劑液滴的體積；PR 為粉床的堆積比率；X、Y分別為水平方向的液滴間距；L 為打印層厚。

黏結劑飽和度對于顆粒間的有效黏合至關重要，直接影響初坯的結構強度和精度。如圖9（a）和（b）所示[98]，不適宜的黏結劑飽和度會導致表面缺陷，而圖9（c）[127]展示了不同飽和度下初坯的試驗狀況。黏結劑飽和度過低可能導致顆粒間黏附不足，引發層間剝離、強度降低，乃至形狀潰散[128]；反之，過高的飽和度會導致粉末團聚和黏結劑積聚，影響打印層及最終零件的均勻性[129]。確定黏結劑飽和度需根據材料特性進行細致優化，Miyanaji 等[130]提出的物理模型，基于對黏結劑–粉床間毛細作用的估算，能較準確地預測最佳飽和度，且與試驗結果高度吻合。因此，黏結劑飽和度作為黏結劑噴射的核心工藝參數之一，對零件的精度、機械強度和孔隙率有著顯著影響，其最優化需依靠綜合試驗和模擬方法實現。

圖9 黏結劑飽和度對初坯影響機理和相應的初坯圖Fig.9 Mechanism of the effect of binder saturation on green parts and corresponding images

4.3 鋪粉與打印速度優化策略

鋪粉速度和打印速度是黏結劑噴射過程中的關鍵因素，它們不僅影響最終零件的質量，還決定成型的效率。鋪粉速度包括鋪粉輥的轉速和移動速度。隨著黏結劑噴射技術的發展，出現了如振蕩落粉和多級鋪粉的新型鋪粉機構，引入了振蕩速度、重涂速度等新參數。與傳統的激光粉床雙缸下送粉方式不同，現代黏結劑噴射設備通常采用單缸上落粉方式以提升效率和降低運動距離[131]。Barthel 等[132]的研究揭示了不同輥子移速（5 mm/s、20 mm/s）和鋪粉輥轉速（175 mm/s、350 mm/s）對初坯和燒結件密度的影響，指出較高的移速配合較低的轉速有助于獲得更高密度。Shrestha[128]發現較低的輥子移速有利于提升精度。Miao 等[133]的研究則表明低移速下鋪粉質量更優、初坯精度更高，并指出過快的移速會導致密度降低。因此，合適的輥子轉速和移速對提高粉床及初坯的密度和表面質量至關重要。此外，為深入理解鋪粉過程中粉末的相互作用，學者們開發了一系列物理模型[134–137]。

Miyanaji 等[138]的研究表明，打印速度涉及黏結劑液滴的水平和垂直移動速度[138]，即噴頭移動速度和液滴釋放速度。如圖10（a）所示，噴頭移速增加會導致液滴傾斜，影響零件的精度，尤其是在X、Y方向的不對稱擴散現象，使兩個方向的精度存在差異。此外，噴頭移動過快時，雖然液滴撞擊粉床會產生飛濺，但對精度的影響微小。如圖10（b）所示[139]，黏結劑釋放速度的增加可能導致液滴在粉床上反彈或飛濺，降低零件精度；而較低的速度會導致擴散現象，影響液滴滲透和擴散。因此，鋪粉和打印速度的平衡對于優化生產效率和零件質量極為關鍵，而這些尚需要大量的工藝優化和參數共享來實現。

4.4 打印方向的影響及其優化

打印方向在黏結劑噴射過程中扮演著至關重要的角色，不僅決定了零件的機械性能和表面粗糙度，還直接影響整體質量。Salehi 等[140]將打印方向分為層堆疊方向和零件擺放方向。如圖11（a）所示，層堆疊方向，即相對于Z軸的打印方向，對零件的孔隙率、表面質量和機械強度有顯著影響[141]。Shanjani 等[142]的研究顯示，沿機械載荷方向堆疊的零件在燒結強度上比垂直方向高出48%，展現了增材制造中常見的各向異性。此現象在黏結劑噴射中更為明顯，尤其是層間結合強度較低時。但在使用球形粉末時，這種層間方向性對孔隙率和強度的影響相對減弱[30]。

圖11 打印方向對初坯的影響Fig.11 Effect of print orientation on the green parts

如圖11（b）所示[143]，零件方向則關系到其在成型臺面內的相對位置。多項研究表明，不同的擺放方向會對零件性能產生不同影響[90，124，144–149]。例如，Castilho 等[145]研究發現，將圓柱形零件沿不同方向擺放后，其壓縮強度有顯著差異，其中沿噴頭移動方向（Y軸）的強度最高。這些研究揭示了擺放方向對零件機械性能的重要性，但對成型精度的影響相對較小。Oh 等[143]發現，試樣彎曲強度隨擺放角度的變化而減弱，且沿Y軸（噴頭移動方向）的強度明顯高于X軸。Asadi-Eydivand等[89]通過多孔圓柱模型分析了這一現象（圖11（c）），指出在黏結劑噴射中，Z方向的層接觸面積小于X和Y方向，導致其機械強度較低。此外，零件方向對表面粗糙度也產生影響，Gardan[150]的研究顯示，XY平面的表面質量更佳，而Li 等[146]也發現XY方向的粗糙度較低。因此，打印方向不僅影響零件的性能和表面質量，還影響打印時間。依據零件的結構和用途，選擇恰當的打印方向是至關重要的戰略決策。

4.5 創新策略及其應用

打印策略，最初聚焦于掃描方式，如矢量掃描、光柵掃描和光柵矢量掃描[19]。矢量掃描雖精度高，但耗時較長；光柵掃描則時間短但精度較低。目前，黏結劑噴射設備普遍采用綜合兩者優點的光柵矢量掃描策略。隨技術發展，出現了多種創新打印策略。國立臺灣科技大學的Cheng 等[151]進行了一系列試驗，發現灰度打印能有效提升零件的尺寸精度，如圖12（a）所示，灰度打印通過調節每個噴孔的黏結劑噴射量來實現不同灰度級別。這種策略通過細化控制噴墨量為方式，不僅提升了初坯精度，還減輕了液滴在邊緣的擴散。德國夫瑯禾費鑄造學院的Hartmann 等[152]采用灰度打印和二分法策略，提升了鑄型的表面質量并減少階梯效應，如圖12（b）～（d）所示。二分法通過控制特定區域的黏結劑飽和度，優化局部液滴分布，提高表面質量。如圖12（e）所示，Rahman 等[153]提出的“外殼”打印策略則專注于打印外輪廓部分，形成一種外殼包裹松散粉末的結構。通過試驗比較，研究者發現這種策略降低了坯體中的黏結劑含量，提升了零件的純度和機械強度。這些創新策略展現了黏結劑噴射技術在精細度和效率上的新可能，為解決特定問題提供了關鍵途徑。

圖12 不同打印策略及其對初坯的影響Fig.12 Different printing strategies and their effects on green parts

近年來，除了掃描和打印策略外，切片軟件和打印過程的創新方法也受到了各界的關注?？紤]到層厚對成型質量和效率的影響，如圖13（a）和（b）所示，土耳其馬伊斯大學的Ba? 等[154]開發了一種自適應切片方法和可控黏結劑含量算法。該方法針對復雜零件設計，使復雜區域采用較小層厚以保證質量，而簡單區域則使用較大層厚以提高效率。與傳統均勻切片相比，此法可減少38%的層數，同時維持相似表面質量。這為復雜零件的高效制造提供了新思路，盡管目前還在試驗階段，需針對不同材料和設備進一步優化。如圖13（c）和（d）所示，Inkley 等[155]則提出了一種預潤濕工藝，以減輕液滴撞擊粉床的影響并增強黏結劑在粉床的潤濕性。這種工藝通過在每層打印前向粉床噴灑霧化流體混合物的方式，提高了初坯前幾層的表面質量，并緩解了多層部件的起球現象，這為液滴和粉床之間表面張力差異較大的情況提供了有效的解決方案。綜上所述，隨著對工藝參數及機理的深入了解，更多創新的打印策略和方法將不斷出現，推動打印設備和技術的發展。

圖13 不同打印方法對初坯及打印層質量的影響Fig.13 Effect of different printing methods on the quality of green parts and printed layers

4.6 后處理工藝進展與應用

在陶瓷黏結劑噴射技術中，后處理工藝是至關重要的步驟，分為固化和脫脂等常規工藝和致密化處理兩大類。常用的致密化工藝包括固相燒結、前驅體浸滲熱解、化學氣相沉積、反應燒結和等靜壓處理。固相燒結通過加熱和保溫來降低晶粒間表面能，促進原子擴散。燒結溫度和時間[76，156]、孔隙率[157]、粒徑[119]和形狀[80]等都是關鍵參數。但黏結劑噴射陶瓷初坯的孔隙率較高（質量分數40%以上），固相燒結效果有限。前驅體浸滲熱解利用坯體的高孔隙率，通過負壓將前驅體溶液浸入坯體中，經熱作用裂解得到陶瓷產物，已應用于碳化硅[158]、氮化硅[159]以及氧化鈦[160]等。該工藝能在較低溫度下實現致密化，但成本高且應用范圍有限。浸滲納米陶瓷漿料是另一有效手段，Zhao 等[107]通過此法得到的ZrO2坯體在1400 ℃燒結后，收縮率和表面粗糙度降低，彎曲強度提高145%，化學氣相沉積與前驅體浸滲熱解類似，但價格高且致密化程度有限，適用于高純陶瓷[58]。反應燒結通過引入特定元素與坯體中的元素反應實現致密化。Cramer 等[43]用此法得到的SiC 零件孔隙率低于2%，力學性能良好。反應燒結雖可降低燒結溫度，但難以控制反應過程。等靜壓處理能提高坯體密度，但需要額外措施避免坯體破裂[45，161]?？傮w來看，黏結劑噴射陶瓷的致密化工藝既包括傳統陶瓷工藝，也有針對其高孔隙率特性的創新工藝。根據材料特性和最終使用需求，選擇合適的工藝至關重要。

5 未來展望

5.1 粉末原材料的創新與標準化

雖然部分陶瓷材料已成功應用黏結劑噴射成型，但對于航空航天等特殊領域，更多高性能陶瓷材料的開發仍迫在眉睫。未來的研究可以集中在開發滿足高溫穩定性、抗熱振性和輕量化需求的新型陶瓷材料上。目前由于不同研究機構使用的材料差異較大，迫切需要通過大數據平臺建立一套粉末選擇和處理的標準化數據庫。此外，要解決微細粉末的鋪展和成型問題，如改性粉末、二次造粒、顆粒級配等，離散元仿真技術等將在新型粉末材料的鋪展和調控中發揮關鍵作用。

5.2 黏結劑的研發與應用

黏結劑與不同粉床的相互作用機制尚未完全清晰。今后應開發與各類陶瓷粉床相互作用的黏結劑模型，以深入理解黏結劑在粉床表面及內部的動力學行為?，F有的通用黏結劑在適應性和強度方面存在局限，特別是缺乏專門針對高強度陶瓷材料的黏結劑。因此，未來的工作應包括針對不同陶瓷材料的專用黏結劑研發，并建立成熟的黏結劑設計和配置標準。

5.3 工藝參數優化與后處理技術創新

工藝參數在影響陶瓷初坯和最終零件質量方面發揮著關鍵作用。未來的工作需要在現有知識的基礎上，為不同類型的設備構建參數模型，并通過仿真手段預測各參數的協同效應。在后處理方面，應進一步探索適用于不同陶瓷材料的技術，尤其是在燒結致密化方面。此外，如反應燒結、滲透等近凈成型工藝應進一步拓展應用范圍。最終目標是開發一體化設備，實現陶瓷材料的成型與后處理的智能化和高效化。

5.4 復雜結構打印優化與梯度材料的開發

航空航天等領域常需復雜結構零部件以實現高性能和功能性。黏結劑噴射技術在實現復雜幾何結構方面具有優勢。未來的發展將專注于打印過程的優化，實現更高精度的復雜結構打印，并確保打印件具有均勻的微觀結構和優良的力學性能。多材料組合或功能梯度材料（FGM）的開發也將成為重點，以滿足在單一組件內部具有逐漸變化的性能需求。

5.5 增強人工智能與機器學習在黏結劑噴射技術中的應用

隨著人工智能和機器學習技術的進步，未來可能看到這些技術在陶瓷黏結劑噴射技術研究和優化中得到更廣泛的應用。通過機器學習分析大量試驗數據，可以更準確地預測材料行為、優化工藝參數，并自動調節設備設置，從而提高產品質量和生產效率。此外，這些技術的應用還能實現智能故障診斷和設備維護，降低運營成本，提高生產的可靠性。

6 結論

本文歸納了陶瓷黏結劑噴射技術的基本原理、關鍵參數，以及國內外發展趨勢。特別關注了流動性和堆積密度等粉末特性，以及黏度和表面張力等黏結劑特性對打印質量的影響。指出了打印過程中層厚度和黏結劑飽和度的重要性，并強調了持續開發新型打印策略和針對不同材料采用特定后處理工藝的必要性。針對未來發展，文章提出開發高性能陶瓷材料以滿足特定領域需求；研發與陶瓷粉體高度匹配的黏結劑，提升成型件強度和韌性；利用人工智能和機器學習建立工藝參數數據庫，實現智能化調控；創新后處理技術，提高制件致密度和力學性能；探索復雜結構和多材料組合打印技術及增強智能化應用以提升打印效率和降低成本。這些展望旨在引導陶瓷噴射技術向更高性能、更廣應用領域發展。