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2025
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07
知识解读丨DLP陶瓷3D打印在高精制造领域的技术前沿与应用新机遇
作者：
数字光处理（DLP）因其出色的成型精度与复杂结构制造能力，近年来在陶瓷3D打印领域展现出巨大的潜力。然而，由于其对陶瓷浆料性能要求极高，且设备成本较高，尚未实现广泛产业化应用。但随着材料体系与工艺优化的不断突破，DLP技术正逐步向功能陶瓷、高端医疗、多孔结构等高附加值方向拓展。
本文将简单梳理DLP陶瓷3D打印在压电陶瓷、多孔陶瓷、生物医用陶瓷以及牙科等关键领域的应用前景与研究进展。
一、压电陶瓷：能量收集、智能传感
压电陶瓷因其在传感、驱动与能量转换方面的优异性能，在医疗器械、微机电系统（MEMS）等领域具有广泛应用。DLP打印的压电陶瓷虽在形状精度方面具有显著优势，但仍面临电性能劣于传统成型方式的挑战。
1. 铅基陶瓷（PZT）
PZT具备极高的d₃₃值和极化能力，是主流压电材料。研究者通过添加可溶性淀粉或聚乙烯来改善其固化性能，但同时也带来了孔隙率上升、性能下降等副作用。通过优化浆料配方（如使用分散剂BYK-142）和控制固相含量，已可实现d₃₃超过300 pC/N的性能表现。
2. 无铅陶瓷（BaTiO₃、KNN等）
无铅陶瓷因其环境友好性正受到越来越多关注。通过优化粒径分布、固相比例以及构建织构结构（如应用模板晶粒生长法），其压电常数已可突破275 pC/N，性能逐步逼近PZT。无铅压电陶瓷的DLP打印，有望成为绿色制造的重要路径。
(A) 柔性压电陶瓷。281 (B)和(C) DLP 打印 PZT 压电陶瓷的形貌。285 (D )应用 TGG 进行打印的 DLP 原理示意图，(E) 不同烧结温度下 BaTiO 3的XRD，以及 (F) 随机样品和织构样品的 P-E 曲线
二、多孔陶瓷：结构轻量化与功能集成
多孔陶瓷因其低密度、高比表面积与良好的热管理性能，被广泛应用于过滤、热防护、隔音降噪、生物支架等领域。然而，传统制备方式如海绵浸渍、发泡烧结等工艺，孔隙分布不均、结构控制差。
DLP打印在该领域的关键优势体现在拓扑结构自由设计、微尺度孔隙调控能力以及高温隔热与透气结构的设计一体化等方面：
拓扑结构自由设计：可构建有序或梯度孔隙结构（如TPMS结构），实现力学性能与流体传输性能协同优化；
微尺度孔隙调控能力：基于投影控制与高分辨率打印头，孔径可实现从几十微米到亚毫米级的精准控制；
高温隔热与透气结构的设计一体化：在热防护应用中，可将孔隙设计与壳体结构集成于一体，显著提升系统轻量化水平。
例如，利用DLP打印构建的氧化铝/碳化硅多孔陶瓷热防护壳体，不仅具备700°C以上的热稳定性，还可实现透气率＞60%、压缩强度＞10 MPa的双重性能要求。
(A) Li 4 SiO 4卵石结构的横截面和 3D CT 扫描，(B) 卵石孔隙的 SEM 图像，(C) 烧结样品。325 (D )和 (E) 印刷蜂窝结构的 Li 4 SiO 4增殖剂
四、生物医用陶瓷：个性化重建与细胞诱导
生物陶瓷如羟基磷灰石（HA）、β-磷酸三钙（β-TCP）因其与人体骨组织高度相容，常用于骨修复与组织工程支架。然而，传统模压或注浆成型难以满足复杂形态及孔隙结构的定制化需求。
DLP陶瓷打印的应用优势主要体现在患者个性化建模、成骨诱导结构设计、多材料打印探索等方面。
患者个性化建模：通过CT/MRI获取病灶数据，结合3D建模与打印，可直接制造吻合度高的植入体；
成骨诱导结构设计：可精准控制孔径（100–500 μm）、孔隙率（50–80%）和连通性，形成有利于成骨细胞爬行与血管化的微环境；
多材料打印探索：结合骨/软骨界面材料（如HA与聚合物层），构建异质组织结构植入体成为可能。
研究表明，DLP打印β-TCP支架经表面改性后，其成骨速率与骨整合能力显著优于传统烧结支架，且在动物实验中表现出良好的生物降解行为与力学支撑。
(A) 不同硅酸钙含量的骨支架样品上细胞的数量和分布。350 (B ) 氮化硅骨生坯，和 (C) 烧结骨样品。254 (D )ZrO₂牙齿和 (E) 样品的半透明度
四、牙科应用
氧化锆（ZrO₂）陶瓷因其优异的生物相容性和力学性能，被广泛用于牙科修复。DLP技术打印的ZrO₂牙体在强度和精度上已接近临床标准。研究表明，使用42 vol.%浆料打印并烧结后，样品与大鼠骨髓间充质干细胞结合良好，显示出优异的生物适应性。
但四方相ZrO₂具有光学双折射性，材料呈纯白色，缺乏天然牙齿的透明感。相比之下，立方相具有光学各向同性，有助于提高透光性。提高Y₂O₃掺杂量和烧结温度可增加立方相比例，但会削弱相变增韧效果，降低强度。Kim等人使用4Y-ZrO₂粉末配制50 vol.%浆料，在1500℃烧结后获得99.4%密度，样品透光率达30%，抗弯强度仍达831 MPa，表现出良好的综合性能。
此外，对比牙科铣削、SLA与DLP打印的ZrO₂牙冠精度，DLP虽略逊于铣削，但在临床仍属可接受。通过优化支撑结构设计与去除工艺，DLP有望在个性化牙科修复中发挥更大优势。
结语
随着陶瓷3D打印技术的不断演进，数字光处理（DLP）正逐步突破传统成型工艺的限制，在高精度、高复杂度和多功能陶瓷器件制造中展现出独特优势。无论是在压电功能器件、多孔结构部件，还是生物医用及牙科修复体的个性化制备方面，DLP都以其精细成型与结构可控能力打开了全新的应用空间。尽管其产业化仍面临材料体系优化、电性能提升及成本控制等挑战，但可以预见，DLP陶瓷打印将在未来的高端制造、生物医疗及先进功能材料领域扮演越来越关键的角色。
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