多年來，塑料和金屬一直是3D打印業(yè)內(nèi)最主流的材料，陶瓷3D打印技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)沒有其他技術(shù)那樣迅猛。但陶瓷3D打印市場仍然發(fā)展迅速，其規(guī)模在2017年已經(jīng)達(dá)到9800萬美元，到2024年可能超過10億美元。

此外，據(jù)SmarTech分析公司發(fā)布的最新《陶瓷快速成型零件生產(chǎn)：2019-2030年》顯示，陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個(gè)拐點(diǎn)，屆時(shí)，一大批公司和行業(yè)將受益于該技術(shù)。

01醫(yī)療保健

醫(yī)療行業(yè)一直熱衷于采用3D打印技術(shù)。增材制造的速度和多功能性是從假肢到植入物等一系列醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。

傳統(tǒng)的醫(yī)療植入物制造方式既昂貴復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間又很長。3D打印則提供了更加便捷、低成本、個(gè)性化的制造優(yōu)勢，而且陶瓷具有類似人體骨骼的多孔表面，在醫(yī)療植入方面能夠達(dá)到更優(yōu)異的治療效果。

▲3D打印的陶瓷醫(yī)療植入物

與金屬不同，陶瓷沒有關(guān)于離子釋放或腐蝕的爭論，它們在軟組織和硬組織中都具有長期穩(wěn)定性。因此，陶瓷材料在制作長期看來盡可能自然的修復(fù)體時(shí)顯示出顯著的優(yōu)勢。

除了骨科植入物，牙科是陶瓷3D打印另一個(gè)重要的醫(yī)療應(yīng)用。隨著美學(xué)和性能要求的提高，陶瓷3D打印作為一種解決方案應(yīng)運(yùn)而生，可以滿足牙科領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。它提供了新的設(shè)計(jì)自由度，同時(shí)可以克服標(biāo)準(zhǔn)陶瓷工藝的技術(shù)局限性。

02航空航天

高溫陶瓷是一類應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域很有前景的材料：強(qiáng)度高、密度低、高溫性能好，可顯著減重、提高燃油效率、延長使用壽命，大大降低成本。陶瓷基復(fù)合材料（作為高溫合金的替代物）以及先進(jìn)陶瓷（作為飛機(jī)或者火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫結(jié)構(gòu)組件）在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

相比傳統(tǒng)工藝，陶瓷3D打印可以更輕松地自定義零件。由于該過程是在添加材料而不是將其切除，因此制作獨(dú)特的形狀并節(jié)省昂貴材料的使用并不具有挑戰(zhàn)性。對于需要高度專業(yè)化組件的航空航天工程，陶瓷3D打印是一項(xiàng)理想選擇。

▲陶瓷基渦輪葉片

美國HRL研究室使用3D打印制造出的超強(qiáng)陶瓷材料不僅擁有復(fù)雜的形狀，還能耐受超過1700攝氏度的高溫。一些成熟的陶瓷3D打印公司則已經(jīng)制造出了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的陶瓷葉片型芯、葉片、葉輪等產(chǎn)品。

03能源與電子

當(dāng)前，電氣和電子領(lǐng)域?qū)Σ捎?D打印生產(chǎn)復(fù)雜形狀和微機(jī)電系統(tǒng)以及壓電元件，這些難以用其他技術(shù)制造的元件越來越感興趣。陶瓷不僅有助于提高系統(tǒng)的可靠性，它的耐磨性、電絕緣性和剛性機(jī)械性能使其能夠在惡劣環(huán)境中（如熔爐中的傳感器）正常工作。3D打印還可以使用多種不同的陶瓷材料，生產(chǎn)具有多功能性的定制陶瓷，從而滿足不同的使用需求。

▲3D打印的無鉛陶瓷材料可用于壓電器件制造

3D打印的其他屬性，例如構(gòu)建具有定制孔隙率和成分產(chǎn)品的能力，正在促進(jìn)其在基材制造、電子設(shè)備包裝和陶瓷絕緣器件中的應(yīng)用。3D打印的氧化鋁已經(jīng)用于生產(chǎn)電路和天線基板。在天體物理學(xué)中，3D打印被用于天線的碳化硅微波饋電喇叭開發(fā)，從而提高了通過空間傳輸?shù)?a target="_blank">信號信噪比。

在光學(xué)和光電子領(lǐng)域，3D打印陶瓷可用于激光、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和梯度折射率光學(xué)器件，以及濾光片支架、平移臺(tái)、運(yùn)動(dòng)鏡/鏡頭安裝架等機(jī)械組件的生產(chǎn)。此外，陶瓷3D打印還可用于生產(chǎn)鋰離子電池、固體氧化物燃料電池和核反應(yīng)堆的組件。

04汽車制造

陶瓷的硬度和韌性在汽車制造領(lǐng)域有重要應(yīng)用，它能很好的平衡各種溫度波動(dòng)、振動(dòng)，并能在潮濕和各種化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境下工作。尤其是氧化鋯陶瓷，其優(yōu)勢在汽車上發(fā)揮的作用淋漓盡致，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器、制動(dòng)器、減震器等重要裝置中都有涉及。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙中，采用3D打印可以生成各種耐熱組件，如閥門和燃油泵組件，研究部門還可更方便的對耐熱成分進(jìn)行分析。這些部件可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音水平，實(shí)現(xiàn)更高的效率并減少磨損。

在氣體或液體回路中以及在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，對存儲(chǔ)、密封和滑環(huán)的要求特別高。在各種侵蝕性環(huán)境中，3D打印的氧化鋁和氧化鋯陶瓷能夠耐高溫并具有出色的耐磨性和高彈性。

在排氣閥門的應(yīng)用中，3D打印的氧化鋯陶瓷經(jīng)受住了傳統(tǒng)元件因?yàn)閴勖潭У目简?yàn)。由于其較低的彈性模量、高強(qiáng)度和耐磨性，出色的表面性能以及與鋼相對應(yīng)的熱膨脹系數(shù)，氧化鋯是3D打印制造排氣閥的理想選擇。

05軍事和防御

同航空航天領(lǐng)域一樣，國防部門也是陶瓷3D打印的領(lǐng)先采用者之一。陶瓷材料的高比剛度、高比強(qiáng)度以及相對于金屬的低密度、高硬度和高抗壓強(qiáng)度，使其在大到裝甲系統(tǒng)、小到防彈衣上的應(yīng)用非常廣泛。

▲防彈陶瓷（圖源：寧波伏爾肯）

傳統(tǒng)的陶瓷制造方法無法像3D打印那樣快速或經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)定制零件。增材制造可使國防機(jī)構(gòu)盡快生產(chǎn)出獨(dú)特而有彈性的陶瓷件。2019年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室就已在鮑魚殼的啟發(fā)下開發(fā)出了3D打印陶瓷裝甲/防彈衣。由3D打印制造的碳化硼和碳化硅材料，具有梯度或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)陶瓷成型技術(shù)無法生產(chǎn)的。

除了極強(qiáng)的機(jī)械性能外，陶瓷的耐高溫性能可用于制造超音速導(dǎo)彈的高溫部件。由于與空氣的劇烈摩擦，高超聲速飛行器的表面會(huì)產(chǎn)生極高的溫度和壓力，因此可以采用高溫陶瓷制造整個(gè)外殼。3D打印的自由成型能力相比于傳統(tǒng)成型技術(shù)更可以制造出形狀復(fù)雜的零件。在上文中我們已經(jīng)提到美國HRL已經(jīng)開發(fā)出了能耐1700℃的3D打印陶瓷，此舉獲得美國空軍相關(guān)部門的合作。

▲HRL開發(fā)的3D打印陶瓷耐高溫達(dá)1700℃

陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展在近幾年可謂迅速，其背后的主要驅(qū)動(dòng)力是對零件更高耐熱性、強(qiáng)度和韌性不斷增長的需求將金屬推到了性能極限，而工業(yè)陶瓷則具有更優(yōu)異的表現(xiàn)。陶瓷3D打印工藝和材料也更加多樣化，此前昂貴的技術(shù)正在變得可以承受。

總而言之，陶瓷3D打印技術(shù)正在變得日趨成熟，那些最初采用塑料或金屬增材制造技術(shù)的醫(yī)療、能源、汽車等行業(yè)，已經(jīng)開始發(fā)展陶瓷3D打印，這也預(yù)示著，該技術(shù)的市場應(yīng)用開始初露端倪。