王婭妮　張紹和　張謙　孔祥旺　何燾　趙東鵬　高華

關(guān)鍵詞 直寫成形；3D 打??；多孔陶瓷；金剛石工具

中圖分類號(hào) TG74; TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）01-0049-10

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0082

收稿日期 2022-06-28 修回日期 2022-11-02

金剛石具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可用其制造各種金剛石工具，如鋸切、鉆探、磨拋工具等。同時(shí)，金剛石工具加工時(shí)具有應(yīng)力低、使用壽命長、加工效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于建筑建材、石油鉆探、地質(zhì)勘探、公路養(yǎng)護(hù)、航空航天、材料加工等諸多領(lǐng)域，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。

制備金剛石工具的傳統(tǒng)方法有熱壓燒結(jié)法、電鍍法、釬焊法等。這些方法中金剛石磨料通常以鑲嵌方式與基體結(jié)合，使用過程中的金剛石顆粒常因把持力不足、結(jié)合面較小等原因發(fā)生非正常磨損及脫落[2]，造成金剛石原料的大量浪費(fèi)；同時(shí)，工具容屑空間較小，磨削產(chǎn)生的工件殘?jiān)兔撀涞慕饎偸w粒會(huì)對工件表面造成不同程度的損傷，且存在金剛石出刃高度較低導(dǎo)致金剛石工具工作效率低、使用壽命短等問題。

根據(jù)結(jié)合劑不同可將金剛石工具分為金屬基、樹脂基、陶瓷基等金剛石工具，其中的陶瓷基金剛石工具因具有耐酸堿、耐水、耐油、剛性大、變形小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[3]。經(jīng)驗(yàn)表明，對陶瓷基金剛石工具進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，從而提升加工性能。如多孔結(jié)構(gòu)陶瓷基金剛石砂輪在使用過程中具有良好的自銳性、較大的容屑空間和較小的磨削力，因此在加工半導(dǎo)體基底、硬質(zhì)合金和新型陶瓷等硬度高、脆性大、精度要求高的材料方面具有顯著優(yōu)勢 [4]。然而，目前陶瓷基金剛石工具制備的主要技術(shù)瓶頸在于傳統(tǒng)的制造方法難以制備復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，如現(xiàn)有技術(shù)中主要采用熱壓成形法制備多孔結(jié)構(gòu)陶瓷砂輪，只能壓制簡單形狀，無法滿足復(fù)雜磨削軌跡的要求；另外，通過造孔劑燒結(jié)分解或水溶解等產(chǎn)生被動(dòng)氣孔，存在造孔劑易堆積、燒結(jié)過程中砂輪易變形等問題， 難以對形成的氣孔大小和形狀進(jìn)行優(yōu)化控制[5]。

研究認(rèn)為增材制造（additive manufacturing， AM）技術(shù)（即3D 打印技術(shù)）可有效解決上述問題。自20世紀(jì)90 年代發(fā)展起來，打破了傳統(tǒng)方法對原材料進(jìn)行去除?切削?組裝的減材制造模式，形成了一種新型的可以將不同形態(tài)的原料（如低熔點(diǎn)絲材、粉末材料、漿料等）通過配套的3D 打印機(jī)自下而上、逐層制造成形的增材制造模式。該技術(shù)生產(chǎn)過程是一個(gè)從無到有的制造過程，因其無結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制的特點(diǎn)突破了傳統(tǒng)制造方式對模具的依賴，可以實(shí)現(xiàn)對幾乎所有復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的制造[6]。

漿料直寫成形（direct ink writing，DIW）技術(shù)屬于3D 打印技術(shù)中的一種，源于1998 年CESARANO 等[7] 提出的自動(dòng)注漿成形。該技術(shù)起初主要針對的是陶瓷等材料的三維模型成形制造，后期經(jīng)過不斷地研究拓展，逐漸發(fā)展為今天的DIW 增材制造技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用于微電子、光伏、能源、組織工程等領(lǐng)域 。

為此，對DIW 技術(shù)在陶瓷基金剛石工具中的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分析，并對DIW 制備金剛石工具的關(guān)鍵步驟進(jìn)行探討，包括原料選擇、漿料配置、打印適性及脫脂、燒結(jié)工藝等；其次，對DIW 制造工藝中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析與討論；最后，指出DIW 制造陶瓷基金剛石工具應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。

1 DIW 制備金剛石工具的技術(shù)原理和優(yōu)勢

3D 打印技術(shù)以無結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制的特點(diǎn)受到科研人員重視，幾乎可制備所有復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件。因此，在陶瓷基金剛石工具制造中引入3D 打印技術(shù)，可為其提供一種新的工藝方法，有助于解決陶瓷基金剛石工具中異型結(jié)構(gòu)制備的難題。

目前，可用于3D 打印陶瓷基金剛石工具的技術(shù)包括光聚合成形技術(shù)（vat polymerization， VP）、黏合劑噴射成形技術(shù)（binder jetting， BJ）、電子束熔化成形技術(shù)（electron beam melting， EBM）、選擇性激光熔融技術(shù)（selective laser melting，SLM）、材料擠出式3D 打印技術(shù)（ material-extrusion based 3D printing， ME-3DP）等 [8-9]，VP、BJ、EBM 和ME-3DP 3D 打印技術(shù)的工作原理如圖1 所示。其中：VP 技術(shù)要求陶瓷粉末對光源透明以促進(jìn)聚合，這一要求限制了VP 在陶瓷基金剛石工具中的應(yīng)用；同時(shí)，粒徑小于10 μm 的陶瓷粉末不能使用BJ 技術(shù)，因?yàn)樵摴に嚂?huì)產(chǎn)生打印件表面粗糙度高、孔隙率大、燒結(jié)致密性差等缺陷；另外，EBM 和SLM技術(shù)依賴高能量的激光束或電子束高溫?zé)Y(jié)，但過高的溫度可能會(huì)使金剛石石墨化，且激光或電子束逐層燒結(jié)存在燒結(jié)質(zhì)量不均勻等缺陷。不同于上述各種技術(shù)，ME-3DP 技術(shù)中的變體技術(shù)?漿料直寫成形，在金剛石工具制造中，具有產(chǎn)業(yè)化潛力好、不會(huì)損傷金剛石、制造成本較低等優(yōu)勢[10]。

DIW 技術(shù)首先利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)合理的零件結(jié)構(gòu)，然后將文件轉(zhuǎn)為STL 格式并導(dǎo)入3D 打印機(jī)中，并將制備好的漿料放入DIW 打印機(jī)的料筒中便開始打印。此時(shí)，漿料在氣壓、柱塞或螺桿等推動(dòng)力的作用下從噴嘴處擠出，并在噴嘴與基板平臺(tái)的相對運(yùn)動(dòng)中按照圖案設(shè)計(jì)的行動(dòng)軌跡沉積成形，完成零件的第1 層制造。之后，Z 軸帶動(dòng)噴嘴上升一個(gè)層高，然后在第1 層的基礎(chǔ)上再進(jìn)行材料的累積打印[11]，完成零件的第2 層制造；如此反復(fù)，便可得到所設(shè)計(jì)的零件。DIW 技術(shù)具有成形速度快、制造周期短等特點(diǎn)，其具體工作原理如圖2 所示。

DIW 技術(shù)應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具制造的優(yōu)越性在于[12]：（1）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)理想的模型文件，然后采用DIW 技術(shù)進(jìn)行自下而上的增材制造，因制造過程中無模具需求，所以可制造任意形狀和結(jié)構(gòu)的零件。（ 2） 能夠避免損傷工具內(nèi)部的金剛石。含金剛石的陶瓷漿料在常溫下完成打印，不會(huì)對金剛石本身帶來影響，打印件也不會(huì)受到熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力的影響。（3）原料制備簡單，儀器價(jià)格低廉，成形周期短，且具備產(chǎn)業(yè)化潛力。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中能夠同時(shí)使用多臺(tái)DIW 打印機(jī)打印生坯，然后統(tǒng)一進(jìn)行脫脂、燒結(jié)等后處理工藝，最后獲得性能高度一致的產(chǎn)品，因此有條件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。（4）成形速度快，體積制造效率極高。目前已有3D 打印機(jī)具備多噴嘴裝置，多噴嘴可以同時(shí)噴射不同組分的漿料，并同時(shí)在多個(gè)區(qū)域沉積成形，具備實(shí)現(xiàn)多組分混合打印的條件。（5）制品固相含量高。漿料中固相體積分?jǐn)?shù)在50% 以上，較高的固相含量使打印件在燒結(jié)后可得到較高的密實(shí)度，從而增加其機(jī)械性能和力學(xué)性能。

結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、性能更優(yōu)越的多孔結(jié)構(gòu)陶瓷基金剛石工具，是金剛石工具未來的發(fā)展方向之一，而傳統(tǒng)制造工藝無法或很難制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷基金剛石工具。如前文所述，一般的3D 打印技術(shù)也不具備制造陶瓷基金剛石工具的條件，因此將DIW 技術(shù)應(yīng)用于該工具的制造具有重要研究價(jià)值。

2 DIW 制備金剛石工具的關(guān)鍵技術(shù)和問題

利用DIW 制造陶瓷基金剛石工具需經(jīng)歷4 個(gè)工藝環(huán)節(jié)：漿料配制及相應(yīng)的流變學(xué)研究，打印測試及打印效果評價(jià)，成形后坯體的干燥、燒結(jié)處理工藝，最終產(chǎn)品的性能表征及相關(guān)應(yīng)用。其中，高性能、穩(wěn)定的陶瓷漿料是陶瓷基金剛石工具能否成形的前提，漿料按設(shè)定軌跡均勻擠出是成形過程的主體，干燥、燒結(jié)等后處理工藝是提高成形工件機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)鍵，最終的產(chǎn)品性能測試是決定其能否應(yīng)用和市場化的前提[13]。這4 個(gè)步驟環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。

在DIW 制造過程中，有多種因素顯著影響最終零件的機(jī)械、力學(xué)性能和表面形貌特征，如漿料的黏度和密度、噴嘴的直徑和形狀、打印速度、脫脂技術(shù)和燒結(jié)方法等，許多科研人員對這些因素開展了大量研究工作。

2.1 原料選擇

DIW 制備金剛石工具所使用的原料是由金剛石、陶瓷粉末和添加劑混合而成的一種復(fù)合材料。含金剛石的陶瓷粉末顆粒對DIW 工藝的適用性主要取決于各種粉末特性，如平均粒度、粒徑分布、顆粒形狀、化學(xué)性質(zhì)和比表面積等；此外，陶瓷粉末特性也顯著影響最終零件的強(qiáng)度、可燒結(jié)性、最小特征尺寸和表面粗糙度等。為了獲得更好的漿料流動(dòng)性和燒結(jié)效果，應(yīng)優(yōu)選粒徑小于20 μm 的顆粒；就顆粒形狀而言，應(yīng)優(yōu)選球形顆粒，因?yàn)榍蛐晤w?？梢员苊忸w?；ユi，從而減小顆粒內(nèi)部摩擦，實(shí)現(xiàn)更好的流動(dòng)性。

受金剛石性質(zhì)的影響，添加劑的種類和含量在獲得優(yōu)質(zhì)打印零件方面起著關(guān)鍵作用。金剛石是一種由碳元素組成的礦物，其化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，自然狀態(tài)下難以與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。制備含金剛石的陶瓷漿料時(shí)通常會(huì)遇到金剛石顆粒游離狀態(tài)嚴(yán)重，無法均勻分布在溶劑中的問題，因此要制備合格漿料的前提是提高金剛石顆粒的表面性質(zhì)。在含金剛石的陶瓷漿料中加入添加劑的目的，就是通過降低金剛石的表面勢能或提高其表面電位改變金剛石顆粒的表面性質(zhì)，使其能完全被溶劑浸潤并很好地分散于溶劑中[14]。

不同種類、不同含量的添加劑會(huì)對含金剛石的陶瓷漿料的性能產(chǎn)生不同的影響。常用的添加劑包括增加漿料黏結(jié)性、觸變性的黏結(jié)劑，提高漿料流動(dòng)性的潤滑劑，使微粉顆粒均勻分散不發(fā)生團(tuán)聚的分散劑，以及降低漿料黏度、減小粉體摩擦的增塑劑等。各添加劑的種類和含量應(yīng)通過大量試驗(yàn)確定，并控制在合理范圍內(nèi)，否則將影響漿料性能。如當(dāng)漿料中的黏結(jié)劑含量過多時(shí)，會(huì)使其黏度過大，漿料流動(dòng)性變差，打印時(shí)易堵塞噴嘴；含量過少會(huì)使?jié){料中的粉體物質(zhì)過于分散，無法充分溶解于溶劑中，使?jié){料的打印性能變差。

由此可見，如何在種類龐雜、數(shù)量眾多的添加劑中選取最適用于含金剛石的陶瓷漿料的添加劑，是DIW 技術(shù)應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具制造時(shí)首要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2.2 漿料配置

高性能、穩(wěn)定的陶瓷漿料是DIW 技術(shù)打印成形的基礎(chǔ)。具備優(yōu)良性能、可用于3D 打印的漿料必須滿足以下要求[15]：（1）混有金剛石的陶瓷粉體顆粒在溶劑中均勻分散，無團(tuán)聚、無結(jié)塊、無氣泡；（2）漿料具有可調(diào)控的黏度和流變學(xué)性能，在剪切應(yīng)力作用下，料筒中的漿料可以從精細(xì)的噴嘴中順利擠出；（3）漿料中含金剛石的陶瓷微粉的體積分?jǐn)?shù)必須大于50%，以實(shí)現(xiàn)坯體的最大密度，從而減小脫脂、燒結(jié)過程中的體積收縮、裂縫、翹曲和殘余應(yīng)力，最終減小零件的尺寸誤差；（4）漿料必須具備足夠的屈服強(qiáng)度和剛度，從噴嘴擠出落到基板上時(shí)需快速固化，以保持原先設(shè)計(jì)的形狀和精度，并足夠支撐后續(xù)打印層的質(zhì)量，做到整體不變形、不開裂。

在漿料配置過程中，微粉顆粒的均勻分散對打印零件的質(zhì)量和形貌精度有重要影響。一般來說，漿料的假塑性和顆粒的均勻分散是獲得優(yōu)異打印適性的關(guān)鍵[16]。DIW 技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)勢是漿料的固相含量高，這有利于打印件通過脫脂、燒結(jié)后獲得更高的密實(shí)度。然而，對這種高固相含量的漿料，必須保證漿料均勻，并防止其結(jié)塊，否則將造成小尺寸噴嘴堵塞，并對零件的整體打印產(chǎn)生不利影響。另外，當(dāng)使用該技術(shù)進(jìn)行金剛石工具制造時(shí)，由于金剛石顆粒性能穩(wěn)定，難以與其他材料發(fā)生反應(yīng)，漿料的團(tuán)聚問題將被進(jìn)一步放大。

粉體顆粒的團(tuán)聚分為軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚。軟團(tuán)聚主要是作用效果相對較弱的靜電力和范德華力所致，可通過一些簡單的化學(xué)作用或球磨等物理手段去除；而硬團(tuán)聚中存在一些作用效果相對較強(qiáng)的化學(xué)鍵。因此，硬團(tuán)聚體不易被破壞，需要采取一些特殊的方法對其進(jìn)行控制[17]。

團(tuán)聚后的粉體會(huì)喪失其優(yōu)異特性，進(jìn)而影響漿料的擠出成形以及打印件的結(jié)構(gòu)性能，不利于獲得高質(zhì)量的陶瓷基金剛石工具：（1）團(tuán)聚不利于漿料的連續(xù)擠出。因?yàn)閳F(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致漿料黏度急劇增高，容易黏附在管壁上導(dǎo)致擠出不暢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起噴嘴堵塞；（2）團(tuán)聚使粉末顆粒分布不均勻。使用含較多團(tuán)聚體，尤其是硬團(tuán)聚體的粉料時(shí)，只能獲得低密度、高氣孔的生坯，導(dǎo)致坯體表面粗糙、形態(tài)不規(guī)則，且易在燒結(jié)體中留下較大的氣孔；（3）漿料中的粉體團(tuán)聚對打印件的顯微結(jié)構(gòu)、燒結(jié)溫度有較大影響，最終直接影響燒結(jié)體的物理力學(xué)性能和微觀組織結(jié)構(gòu)；（4）陶瓷漿料中含有的硬團(tuán)聚體越多，生坯燒結(jié)密度就越低。研究表明：含有更多硬團(tuán)聚體的生坯燒結(jié)后的致密度遠(yuǎn)低于含有更多軟團(tuán)聚體生坯的，因此硬團(tuán)聚體對于漿料和生坯的危害更大，會(huì)使最終的零件致密度大大降低 [18]。

綜上，目前在DIW 制造金剛石工具的研究過程中，尚未解決漿料配制環(huán)節(jié)中遇到的粉體團(tuán)聚這一關(guān)鍵性難題，粉體間的硬團(tuán)聚不僅難以去除，而且嚴(yán)重影響漿料質(zhì)量，進(jìn)而影響打印效果、燒結(jié)溫度和產(chǎn)品性能。因此，需進(jìn)一步研究解決漿料配置中的粉體團(tuán)聚現(xiàn)象，使DIW 技術(shù)更好地應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具的制造中。

2.3 打印適性

打印適性是漿料性能對DIW 影響程度的度量標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榱慵某叽缇?、制造精度和表面粗糙度均取決于漿料的打印適性。在打印過程中，從錐形或圓柱形噴嘴中擠出具有圓形橫截面的連續(xù)絲材，為了提高其打印精度，應(yīng)使用較小直徑的噴嘴，這當(dāng)然會(huì)顯著增加成形時(shí)間和擠出壓力。受打印機(jī)精度限制，通過DIW 制造的尺寸最小精度約為200 μm，并且由于逐層打印，零件的表面粗糙度也具有類似的數(shù)量級(jí)。噴嘴的位置隨計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定的模式移動(dòng)，絲材在線性沉積速度（通常為5～50 mm/s）下以恒定的體積流動(dòng)速率通過噴嘴，其整體尺寸和制造精度取決于零件的層高度、層間距和光柵圖案等[19]?？傊?DIW 的打印精度取決于以下5 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[20]：（1）計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的模型；（2）漿料的固相含量；（3）漿料的流變特性；（4）打印參數(shù)設(shè)置；（5）干燥方法和燒結(jié)技術(shù)。

目前，尚不明確漿料的哪一流變學(xué)參數(shù)范圍能完全滿足這些條件，但如果能將主觀的打印觀測結(jié)果與客觀的流變學(xué)試驗(yàn)參數(shù)結(jié)合起來，建立正確、完整的評價(jià)體系，那么打印適性將更準(zhǔn)確、具體地反應(yīng)漿料性能對DIW 的影響程度。此時(shí)，根據(jù)打印效果就可對漿料成分進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，同時(shí)也可根據(jù)漿料性能對打印結(jié)果做出提前預(yù)測。當(dāng)預(yù)測結(jié)果足夠準(zhǔn)確時(shí)，就可建立漿料性能與打印適性之間的數(shù)學(xué)模型。

2.4 脫脂和燒結(jié)工藝

含金剛石的陶瓷漿料中含有各種添加劑，如表面活性劑、分散劑、黏結(jié)劑等，這些成分會(huì)使打印生坯燒結(jié)后產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致零件體積收縮并形成裂紋，從而降低零件的密度和機(jī)械強(qiáng)度。因此，通過脫脂和燒結(jié)工藝，從打印件中完全去除添加劑是最終獲得合格精密零件的一個(gè)重要步驟。脫脂的具體步驟應(yīng)根據(jù)陶瓷漿料中添加劑的成分和含量來制定，即確定了陶瓷粉末和添加劑之后，具體的脫脂工藝也就確定了。合理的脫脂工藝能使生坯脫脂時(shí)間更短，脫脂效果更完全，且盡量避免脫脂缺陷的產(chǎn)生，如翹曲、裂紋、變形、鼓泡等。添加劑的去除方法主要有2 種：溶劑脫脂和熱脫脂。為了提高脫脂效率，一般將2 種方法結(jié)合起來，即先將打印生坯浸入特定溶劑中一段時(shí)間，溶解部分添加劑后進(jìn)行熱脫脂，在200～600 ℃ 下完全去除添加劑，具體的升溫速率和保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)添加劑成分和含量而定，并根據(jù)試驗(yàn)效果修改至最適宜的參數(shù)。

脫脂完成后，零件立刻在600～1 300 ℃ 下進(jìn)行燒結(jié)，以實(shí)現(xiàn)粉體致密化，燒結(jié)過程中零件體積通常會(huì)收縮12%～20%[21]。燒結(jié)作為金剛石工具制造的最后一項(xiàng)工藝，對其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)影響很大。陶瓷基金剛石工具的燒結(jié)過程可以分為以下4 個(gè)階段：（1）脫水階段，這一階段是為了去除生坯中殘余的自由水和部分結(jié)合水，因此該階段的升溫速率應(yīng)適當(dāng)放緩，避免生坯內(nèi)的水分驟變成水蒸氣，使坯體內(nèi)壓力突增，導(dǎo)致坯體開裂；（2）排膠階段，這一階段坯體內(nèi)的添加劑開始以氣體的形式逸出，胚體質(zhì)量也開始下降，為了保證添加劑充分揮發(fā)并保持胚體形狀和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，此階段的升溫速率應(yīng)更慢，并設(shè)置一定的保溫時(shí)間；（3）保溫階段，這一階段坯體的質(zhì)量未發(fā)生明顯變化，但是陶瓷結(jié)合劑開始熔化，金剛石磨料逐漸被結(jié)合劑包裹。因此，該階段的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)具體的產(chǎn)品需求而定，若產(chǎn)品中需要大量孔隙，則應(yīng)設(shè)置較低的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間，避免孔洞完全被陶瓷粉末占據(jù)，反之則適當(dāng)提高；（4）冷卻階段，坯體燒結(jié)完成后，需冷卻至一定的溫度才能出爐，此過程需要采取合適的降溫方式，避免坯體因降溫速率不當(dāng)引起收縮過大甚至開裂等缺陷，一般情況下隨爐冷卻即可。

綜上，應(yīng)用DIW 技術(shù)制造陶瓷基金剛石工具時(shí)，首先，應(yīng)選取合適的添加劑、陶瓷和金剛石粉末；其次，用選取的原料配置性能良好，適合打印的陶瓷漿料；再次，在打印過程中設(shè)置合理的打印參數(shù)并完成打??；最后，試驗(yàn)最優(yōu)的脫脂和燒結(jié)工序。以上便是DIW 制造金剛石工具的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

3 DIW 制備陶瓷基工具的應(yīng)用實(shí)例

3.1 DIW 制造陶瓷基材料的相關(guān)研究

面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷部件的個(gè)性化制造和快速批量制造需求，3D 打印技術(shù)顯示出極大優(yōu)勢。適用于陶瓷材料的增材制造工藝種類多、發(fā)展速度快，其中DIW技術(shù)因其工藝特性尤其適合制造復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)工件。

CESARANO 等[7] 首次使用DIW 技術(shù)制造氧化鋁零件，采用的漿料由高固體含量（固體體積分?jǐn)?shù)>60%）氧化鋁和極少量的有機(jī)黏結(jié)劑（體積分?jǐn)?shù)<1%）組成。高固體含量使打印件在燒結(jié)過程中更容易致密化，并降低其熱應(yīng)力，但很難防止噴嘴堵塞。同時(shí)，CESARANO等[7] 關(guān)注了漿料的表面相互作用和顆粒間作用力，獲得了假塑性流體漿料，為保持零件的3D 結(jié)構(gòu)形狀，還得出了絲材在沉積后應(yīng)立即干燥的結(jié)論。RUESCH-HOFF 等[22] 分析了氧化鋁粉末含量對漿料、打印件性能的影響，即對漿料的流變性、均勻性、打印件的密度、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、物理性能等的影響。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)聚合物黏結(jié)劑和分散劑的總體積分?jǐn)?shù)為4% 時(shí)，隨著氧化鋁固體含量的增加，漿料的剪切應(yīng)力和黏度都有所提高，如圖3 所示；打印的所有零件都可燒結(jié)到真密度的98% 以上，且燒結(jié)零件的抗彎強(qiáng)度沒有受到氧化鋁固體含量的影響。試驗(yàn)結(jié)果還表明：當(dāng)氧化鋁粉末體積分?jǐn)?shù)為51% 時(shí)，由于漿料的剪切應(yīng)力太小，打印時(shí)最底部的沉積層無法支撐其余層的質(zhì)量；當(dāng)氧化鋁粉末體積分?jǐn)?shù)為58% 時(shí)，打印件中檢測到不規(guī)則的沉積層高度，該含量不適用精密零件的制造。因此，固相體積分?jǐn)?shù)為53%～56% 的氧化鋁漿料最適合DIW 工藝，其打印件在該范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生坍陷，并且沉積層間具有良好的一致性。這一研究為DIW 應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具制造提供了理論依據(jù)和工藝經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確指出了配置漿料時(shí)的基本要求和固相含量的合理界限。

隨著DIW 技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，研究人員嘗試將其與多孔陶瓷的制備方法相結(jié)合，使不同尺度的孔隙整合在同一材料中，從而實(shí)現(xiàn)材料功能的最大化。HUANG等[23] 采用不同劑量的黃原膠 （xanthan gum，XG） 溶液制造了3 種不同結(jié)構(gòu)的砂輪，分別為實(shí)心結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)證明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3% 的XG 溶液的打印適性最好。此外，還研究了燒結(jié)溫度和聚甲基丙烯酸甲酯 （polymethyl methacrylate，PMMA） 成孔劑含量對砂輪尺寸收縮率、表面形態(tài)、機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率等的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)PMMA 微珠的體積分?jǐn)?shù)為30% ，并在 670 ℃ 燒結(jié)時(shí)，金剛石砂輪具有最佳的成孔率和氣孔孔徑。XIA 等[24] 將SiC 粉體、碳纖維、丙烯酰胺等制成陶瓷漿料，將其倒入由DIW 技術(shù)制成的樹脂模具中，通過冷凍干燥和化學(xué)氣相滲透技術(shù)制得具有單向通道的碳化硅基復(fù)合材料，材料將同時(shí)具有由3D 打印模具產(chǎn)生的宏觀孔和冰晶在冷凍干燥條件下定向生長產(chǎn)生的微孔。這種制備多孔陶瓷的DIW 方法為制備多孔陶瓷基金剛石工具提供了可靠的研究思路。陸靜等[5] 成功采用DIW 技術(shù)制備網(wǎng)格、三角多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷基金剛石砂輪，其制備過程如圖4 所示。制備的砂輪氣孔率和氣孔孔徑大小可控且氣孔分布均勻，且制備過程中未出現(xiàn)金剛石的石墨化現(xiàn)象。該研究直接證明了DIW 技術(shù)能夠用于金剛石工具的制造，但該工藝的打印精度和質(zhì)量還有待提高，主要是由于漿料中金剛石微粉團(tuán)聚的問題尚未解決，這也將阻礙DIW 技術(shù)在金剛石工具中的進(jìn)一步應(yīng)用。

3.2 DIW 陶瓷基漿料的相關(guān)研究

DIW 技術(shù)自20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)以來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在漿料制備方面取得了巨大的進(jìn)步，目前已有大量漿料體系、漿料流變學(xué)性能、漿料分散與穩(wěn)定性等方面的研究結(jié)果。

隨著陶瓷性能的多樣化，DIW 技術(shù)的黏結(jié)劑體系逐漸增多，且陶瓷基打印件的致密度不斷提高。XIA等[25] 以水溶性環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑，制備固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)58%，黏度低于10 Pa·s 的漿料； ROSENTAL 等[26] 用無機(jī)鈦酸鋇溶膠?凝膠前驅(qū)體取代了有機(jī)添加劑，從而在保持打印適性的同時(shí)增加了固體含量，最終打印的零件結(jié)構(gòu)幾乎完全致密（達(dá)到理論密度的97.8%）；YU 等[27] 使用高固體含量的氧化鋯膏體（體積分?jǐn)?shù)為60%） 直寫成形致密的陶瓷結(jié)構(gòu)， 其相對密度高達(dá)98.1%，且顯微CT 成像表明DIW 能夠制造孔隙率非常低的氧化鋯零件。此外，水凝膠基漿料也適用于制造致密的陶瓷結(jié)構(gòu)。FEILDENL 等[28] 采用熱可逆水凝膠基漿料（分別含有α-Al₂O₃和Al₂O₃前驅(qū)體）用于組裝致密陶瓷支柱，此漿料由范德華力相互作用支撐并形成一個(gè)相互連接的凝膠狀網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出漿料所需的黏彈性和流變性；同時(shí)，此漿料打印成形的最終零件密度能夠達(dá)到理論密度的97.0%， 其熱塑性強(qiáng)度高達(dá)600MPa，是M′BARKI 等[29] 的4 倍以上。制作的陶瓷零件顯微結(jié)構(gòu)如圖5 所示， 其中在 Si C 零件 中， S 表示α-SiC 相，L 表示富氧化釔?氧化鋁相。這些研究中所涉及的黏結(jié)劑體系是目前DIW 技術(shù)的首選，也是配置含金剛石的陶瓷漿料的主要路線。

SMAY 等[30] 以聚醚酰亞胺包覆的單分散SiO₂微球?yàn)樵?，將其分散在去離子水中制成懸浮液，發(fā)現(xiàn)SiO₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46% 時(shí)的懸浮液在其pH 值調(diào)節(jié)到某一特殊值時(shí)，陶瓷漿料完成了流體向凝膠的轉(zhuǎn)變。此方法的原理是通過控制顆粒間的靜電力和范德華力，使膠體漿料獲得了理想的固相含量和流變學(xué)性能。此外，除了通過控制漿料的pH 值以獲得理想的流變學(xué)性能外，還可在漿料中添加鹽類物質(zhì)或者帶有相反電荷的聚合物電解質(zhì)等。目前，利用這種設(shè)計(jì)方法已成功制備出多種膠體漿料，如鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、氧化鋁、莫來石、氮化硅以及羥基磷灰石等[31-35]。這種獲得漿料理想流變學(xué)性能的方法，也為解決含金剛石的陶瓷漿料的團(tuán)聚問題提供了新思路。

4 結(jié)語

3D 打印技術(shù)中的DIW 工藝應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具制造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值，但國內(nèi)外開展的此項(xiàng)工藝研究仍處于起步階段，在漿料配制環(huán)節(jié)仍存在粉體團(tuán)聚等難題，有待進(jìn)一步深入研究。此外，從DIW 制造工藝的應(yīng)用實(shí)例中，探討了DIW 工藝制造陶瓷基金剛石工具中存在的主要問題，分析了這些實(shí)例對今后應(yīng)用研究的啟發(fā)。

未來DIW 工藝制造陶瓷基金剛石工具的主要難點(diǎn)如下：

（1）在制備含金剛石的陶瓷漿料時(shí)，可選用的添加劑種類龐雜、數(shù)量繁多，不同的添加劑使用效果不同，復(fù)合添加劑的共同作用效果也不同，如何根據(jù)需要制備的漿料類型選擇添加劑種類、確定添加劑含量是未來DIW 技術(shù)發(fā)展的一大難題。

（2）金剛石在陶瓷漿料中穩(wěn)定性極佳，難以與其他材料產(chǎn)生反應(yīng)，含金剛石的陶瓷漿料中更容易出現(xiàn)粉體團(tuán)聚問題。如何通過添加劑消除軟團(tuán)聚、減少硬團(tuán)聚，并在一定的時(shí)間尺度上較好地固定其物理分散狀態(tài)，是未來DIW 技術(shù)應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具制造的另一大難題。

（3）漿料的流變特性在DIW 制造中起著關(guān)鍵作用，通過DIW 技術(shù)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的瓶頸主要在于噴嘴堵塞以及沉積的漿料無法承擔(dān)后續(xù)層的負(fù)載等，且對高黏度漿料，噴嘴堵塞現(xiàn)象更嚴(yán)重，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)漿料擠出不連續(xù)或突然釋放的問題，導(dǎo)致打印件結(jié)構(gòu)不均勻、尺寸精度較低。因此，需建立一個(gè)可將漿料流變性和打印適性聯(lián)系起來的評價(jià)體系，從漿料的流變特性就可對其打印適性進(jìn)行提前預(yù)測，反之也可通過漿料的打印表現(xiàn)確定其流變特性。

（4）控制生坯在脫脂和燒結(jié)過程中產(chǎn)生的變形，也是DIW 技術(shù)應(yīng)用于陶瓷基金剛石工具中應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。含金剛石的陶瓷漿料含有多種添加劑，這些成分會(huì)使打印生坯經(jīng)過脫脂、燒結(jié)工藝后產(chǎn)生各種缺陷，如翹曲、裂紋、變形、鼓泡等，從而降低零件的致密度和機(jī)械強(qiáng)度等。因此，采取何種脫脂方式，如何控制燒結(jié)過程，直接影響零件的外觀形貌和最終性能。