陶瓷3D打印，10年规模4亿美元

【蜂耘网 3D打印】由于陶瓷材料固有的机械硬度和脆性，很难通过机械加工等减材方法成型，使得陶瓷3D打印技术越发诱人。过去几年中，从大型陶瓷公司到小型3D打印初创企业，进入该领域的厂商越来越多，提供了不同的解决方案，人们对陶瓷增材制造的兴趣与日俱增。

所谓利基市场（niche market）是指一个小而特定的市场，通常由一组有着共同需求、兴趣、习惯或喜好的厂商组成。利基策略讲究的是选定一个很小的产品或服务领域，集中优势兵力进入，成为市场领先者。这些厂商通常从本地市场到整个地区，再到全球，建立各种技术壁垒，逐渐形成持久的竞争优势。

按照安装基础、技术类型、材料使用和材料组成对行业进行细分，IDTechEx认为，到2032年，陶瓷3D打印将成为3D打印行业中一个典型的利基市场，预计价值可达4亿美元。SmarTech的预测如出一辙：到2032年该市场有望在2022年的基础上增长7倍，规模大抵相仿。

陶瓷3D打印的一些关键应用正在获得市场吸引力，其主要用途是研发和原型，此外，越来越多的行业也开始对陶瓷模具和小批量零件感兴趣，包括一些高价值行业，如航空航天和国防、化学工程和牙科的熔模铸造。其中航空航天和国防领域的商业利用率正在上升，代表了陶瓷增材制造进入高价值行业的最佳机会；其他领域的商业用途还是凤毛麟角。因为有大量国际研究机构致力于在储能、医疗设备和碳捕获等有趣的应用中推进陶瓷3D打印，研发相关的销售额仍有增长空间。

陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、绝缘等优点，广泛应用于航空、汽车、医疗等领域。相比传统金属、树脂材料，陶瓷材料3D打印的技术难度更大。之所以研发陶瓷3D打印，主要是用来替代耐热性、耐磨损性不足的现有金属零件，如飞机发动机、光刻机、电动汽车等行业的高附加值精密金属零件。

3D打印是计算机数控（CNC）的一种形式，是通过软件与物理硬件（如扫描仪、打印机和材料）的交互来累加制造产品。而陶瓷3D打印（或陶瓷增材制造）是指使用陶瓷类材料的3D打印。虽然可能涉及其他中间材料类型（聚合物），但陶瓷仍是其最终产品的主要材料。

陶瓷3D打印机

陶瓷3D打印同样可以利用数字光处理（DLP）技术，通过投影仪来逐层固化光敏聚合物液体，从而创建出3D打印对象。DLP投影仪将UV辐射发射到悬浮在环氧树脂/丙烯酸树脂（40-60%体积）中的陶瓷颗粒的光敏聚合物槽（vat）表面，这层陶瓷颗粒在暴露于UV辐射时聚合并固化；然后平台向下移动，用未聚合的树脂刷新槽顶层；最后对生坯进行清洗以去除未聚合的树脂并进行烧结。DLP陶瓷浆料可生产具有精细分辨率的组件，非常适合医疗和牙科应用。

DLP技术打印陶瓷

涉足陶瓷3D打印市场的包括专门的陶瓷3D打印公司、金属/聚合物3D打印机制造商和陶瓷材料供应商。事实上，对3D打印行业来说，新的陶瓷打印技术可以“改变3D打印行业”或医学等特定领域，但并非“彻底颠覆”。

3D打印陶瓷材料的可用性是扩大陶瓷3D打印潜在应用和市场的关键。虽然较便宜的氧化物陶瓷（如氧化锆和氧化铝）是目前最受欢迎的材料，但用于高性能和高价值应用的非氧化物陶瓷（如碳化硅和氮化硅）更受欢迎。

3D打印陶瓷技术和材料供应商

在3D陶瓷打印机制造商中，Lithoz、Admatec、Prodways和Illuminaid提供工业打印机；Tethon 3D是台式打印机。

据了解，Photocentric的陶瓷打印机还没有商业化；Formlabs是传统打印机中唯一的陶瓷兼容打印机（Form 2）；DOM Systems并不出售其专有的LAMP陶瓷打印机；Rapidia的打印机可以打印陶瓷，但这一功能尚未公开。另外，陶瓷负载热塑性长丝可用于FFF（多喷头并行）打印机，但目前市场上还没有专门的陶瓷FFF打印机。

IDTechEx按照粘结剂喷射、材料喷射、立体光刻（SLA）、DLP和挤压细分，分析了每家工业打印机制造商在对数刻度上可用的最大可能构建量。粘结剂喷射成形技术在最大可能构建量方面明显占优，而DLP占比不大。

打印机制造商的最大构建量

3D陶瓷打印使用的原料多种多样，大致可以分成以下几类：

浆料：大多数挤压陶瓷打印机（主要是台式打印机）都使用浆料作为原料。最常见的浆料是粘土和瓷糊状物（通过将普通粘土/瓷与5-15重量百分比的水或乙醇混合制成）。

Imerys的“即用型”粘土浆料

颗粒：一些挤压打印机（如3D Figo和Pollen AM台式打印机）使用陶瓷颗粒作为原料。值得注意的是，因为打印机可以直接使用陶瓷注塑颗粒，无需进一步处理即可打印。开放的材料意味着可以使用简单的工业级粗颗粒，而非专有解决方案，用户可以自由地从任何地方获取材料，或者使用自己的配方。

Pollen AM的pam o2陶瓷打印机

丝材：FFF用的陶瓷丝（氧化锆、氧化铝、粘土）是通过将陶瓷粉末与热塑性粘合剂（按体积计各占50%）混合制成的。Nanoe开发了Zetamix品牌，是市场上唯一的陶瓷长丝生产线，其丝材兼容所有的FFF打印机。

树脂：陶瓷树脂用于还原光聚合方法（DLP/SLA），因此通常由光固化聚合物和陶瓷颗粒组成（占浆料体积的40-60%）。目前，氧化物和非氧化物陶瓷树脂都可商购。

粉末：陶瓷粉末用于粘结剂喷射和选择性激光烧结（SLS），后者仅用于研究，而非商业陶瓷增材制造。陶瓷粉末的颗粒大小因陶瓷材料而异。在粘结剂喷射中，陶瓷粉末颗粒由水基、溶剂基或酚醛粘结剂结合而成。

悬浮体：陶瓷纳米颗粒的悬浮液用于XJet开发的纳米颗粒喷射（NPJ）。这些纳米颗粒（氧化铝或氧化锆）悬浮在水中；水在与热印刷基板接触喷射之后蒸发。

Xjet的纳米粒子喷射技术

值得一提的3D打印材料是氮化硅（Si₃N₄和β-SiAlON），它是新材料领域中一颗耀眼的明珠。与常规材料相比它有巨大的优势：它是一种超硬物质，密度小，具有润滑性，耐磨损；除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，同时具有高温抗氧化、抗冷热冲击、急剧冷却再加热也不会碎裂。

氮化硅3D打印材料制造商3D Ceram和Lithoz的技术兼容SLA和DLP。3D Ceram已经向欧洲市场推出了3D打印制造的生物陶瓷（BioCranuim®系列），根据要求定制的羟基磷灰石陶瓷植入物，可以替代头盖骨和下颚等关键部位的坏死或损坏部分，为生物结构提供保护。

3D Ceram的生物陶瓷

3D打印陶瓷的目标行业包括：医学应用、牙科应用、熔模铸造、化学工程、艺术与设计以及其他新兴应用。不同行业的现状和市场潜力有所不同，这可以从商业化和市场渗透两个方面来考量。

不同行业的现状和市场潜力

从发展趋势来看，多材料和混合3D打印——陶瓷基复合打印正在兴起，成为了陶瓷3D打印的新材料趋势。目前，市场上已经有许多多材料打印机，其中两种能够同时打印多种材料；有几种打印机能够打印陶瓷以外的材料，人们对能够在一次打印中打印多种材料（如陶瓷和金属）的打印机也越来越感兴趣。

以Lithoz的DLP打印机为例，多材料打印机有两槽光敏树脂，将打印件浸入其中，然后通过紫外线选择性固化。3D Ceram的C900 Flex则是一款SLA打印机，配有4根树脂分配管。对于每一层，所需材料的树脂都会被泵出，用刮刀将其均匀地涂在打印机表面，然后刮除器擦掉多余的树脂，由紫外线选择性固化树脂。

多材料打印机