陶瓷基多材料增材制造为高度功能化构件制造开辟新道路

所有零件的性能都依赖3个关键因素：材料、零件几何形状和表面处理。材料的选择至关重要，每种材料诸如聚合物、金属、陶瓷或玻璃等都呈现不同特性。随着应用变得复杂，对材料组合的需求日益增长，由此催生了功能梯度材料（FGMs）的发展，通过成分梯度变化实现多功能集成。

陶瓷材料因其卓越的热学、化学与机械性能，成为众多工业领域不可或缺的关键材料。然而陶瓷工艺链中存在脱脂与烧结等挑战，且烧结后陶瓷因高硬度与脆性导致后续加工困难。

几何功能化通过形状与微观结构改变来提升零件性能，增材制造（AM）等先进制造技术为实现复杂几何形状提供了可能。对于难以机械加工的陶瓷材料而言，增材制造更是颠覆性技术——通过直接成型高度复杂的几何结构，既能充分发挥陶瓷的优异特性，又可显著减少后续加工需求。面对日益复杂的几何形态，算法设计与人工智能的融合对优化制造流程至关重要。数据驱动方法与先进几何描述技术已成为不可或缺的支撑手段。陶瓷增材制造（CerAM）技术的持续进步将推动质量提升、成本优化，并深化我们对陶瓷工艺链中相互作用机制的理解。

本期谷·专栏将分享弗劳恩霍夫(Fraunhofer)陶瓷技术和系统研究所等机构发表于Progress in Additive Manufacturing 期刊中的论文。该文阐述了陶瓷基多材料零件增材制造领域的最新进展，及这一技术为高度功能化构件的实现开辟的道路。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s40964-025-01112-6

01 简介和动机

当谈论零件的性能时，关注点通常集中在它的强度与刚性，耐腐蚀或耐温性、质量或功能等方面。但这些属性都可以归纳为3个方面：所用材料（针对复合材料而言）、几何形状与表面处理。

1.1 特殊材料零件的属性

零件的物理和化学属性取决于使用的材料。使用单一材料的零件往往属性一致，选择一组不同类别的材料如聚合物、金属、陶瓷或玻璃，工艺设计很关键。聚合物轻便容易生产，陶瓷生产更复杂但相较于金属具有更好的耐化学性、耐温性和机械应力。随着应用需求变得更加复杂，单一材料已不能满足对多种材料特性组合的要求。

下面是一些有趣的属性组合：

• 高硬度+ 高延展性

• 导电性+ 绝缘性

• 导热性+ 隔热性

• 高密度+ 多孔结构

• 磁性+ 非磁性

• 多色彩呈现

• 多种特性组合的复合体系

当单一材料不能提供期望的性能时，混合不同材料则很有必要。传统复合材料属于均匀混合物，这往往会削弱各部分的原有性能。功能梯度材料（FGMs）通常能提供更先进的解决方案，这类材料的成分呈空间梯度变化，从而形成性能的递变特性。通过策略性的结构设计，功能梯度材料能够实现多功能集成，满足特定性能需求。根据梯度变化特征，功能梯度材料可分为以下几种类型：

1.1.1非连续梯度

零件的不同区域具有不同属性，各区域分别由材料A或材料B构成。

1.1.2梯度界面层

内部的过渡层由材料A和B混合而成，在两个不同属性区域之间实现性能的平滑渐变。

1.1.3渐进式梯度

构件由分层排列的梯度层构成，每层内部保持恒定的材料A与B配比。通过增加梯度层数量，可有效减小各层间的性能跳跃。

1.1.4连续梯度

零件在整个截面上呈现连续的性能渐变，其材料B与材料A的配比沿梯度方向持续递增。

在某些情况下，单一材料可通过不同状态实现梯度性能，例如部分区域致密而其他区域多孔。目前已有多种制造策略可实现该特性，例如通过原位调控工艺参数达成性能渐变。

1.2 特殊几何形状零件属性

几何功能化指通过改变构件的宏观形状、表面结构或微观组织，以获得特定的机械、光学或电学性能。例如，利用微纳结构增强表面粘附性，或通过改变孔隙结构来优化吸收与过滤性能。

其应用领域广泛涵盖轻量化结构（如通过集成加强筋提升强度）、过滤技术、生物技术（调控表面润湿性）、工模具制造（内置冷却通道）以及齿轮技术（优化齿形设计）等。

核心挑战始终在于：如何选定适宜的制造工艺以实现所需的几何结构，并综合考虑成本。

增材制造（AM）技术显著拓展了几何功能化的实现维度，能够高效制造传统方法难以加工或成本高昂的复杂几何结构。该技术具备无需模具的生产特性，支持多种几何构型的快速迭代优化。

02 陶瓷增材制造

2.1 高性能陶瓷

陶瓷材料常在其它材料无法胜任的工况下展现卓越价值，其以优异的热稳定性、化学惰性和机械强度著称。现代生活离不开陶瓷材料——无论是钢铁冶炼、玻璃制造、垃圾焚烧还是水泥生产，都依赖这些高温稳定材料的存在。此外，陶瓷凭借低密度和高刚性展现出显著的轻量化潜力，兼具优良的电绝缘性能，使其成为高压应用的理想选择。

陶瓷材料与活细胞相互作用时表现出的优异特性，更为医疗领域开启了广阔的应用前景。陶瓷材料在牙科种植及膝关节、髋关节置换领域成为当代典型标准，绝非偶然。

陶瓷工艺链中的挑战主要来自生坯成型后的最后两个热处理阶段。在脱脂过程中，必须去除生坯中的非陶瓷部分，以便在后续烧结阶段实现完全致密化并获得理想的陶瓷性能。此过程伴随的体积收缩通常可达45%-60%，这会放大生坯中所有关键不均匀性，最终以缺陷或变形的形式显现。

若需对烧结成型的陶瓷部件进行再加工，其机械性能会带来另一重挑战。该材料兼具极高硬度（莫氏硬度≥9）和脆性特征，导致后续加工难度极大且成本高昂。通常必须采用金刚石 刀具 进行加工，且材料去除率较低。正因如此，以经济可行的方式制造几何结构高度复杂的陶瓷部件仍面临重大技术挑战。

2.2 陶瓷增材制造

陶瓷增材制造（CerAMfacturing）与聚合物和金属增材制造显著不同。陶瓷部件的增材制造始终涉及通过该技术成型生坯，随后必须经过脱脂和烧结工序，才获得典型的陶瓷属性。

这意味着需要使用专用成型材料（即陶瓷颗粒与聚合物添加剂的混合物）进行增材制造来生产生坯（亦即聚合物基体与嵌入陶瓷颗粒的复合材料），因此所有适用于聚合物增材制造的技术均可用于陶瓷部件的成型。研究表明，目前商业化最成熟的是VPP（还原光聚合）类技术，它能实现最佳表面性能和最精细分辨率，但其他增材制造类别也可获得相应材料体系，例如作为MEX（材料挤出）代表的FFF（熔丝制造）技术可使用陶瓷填充丝材。为避免混淆，本文仍在技术缩写前冠以"CerAM"标识，例如采用VPP或FFF技术制造陶瓷部件时记作CerAM VPP或CerAM FFF。

凭借其几何自由度优势，陶瓷增材制造技术已成为行业"颠覆性力量"——不仅能显著减少后处理工序，更可将几何功能化设计与高性能陶瓷的卓越特性相结合。

2 .3 功能梯度材料零件的增 材制 造

功能梯度材料（FGM）的陶瓷增材制造挑战主要体现在两方面：一方面在于成型环节需并行处理多种材料，另一方面则在于热加工阶段。

在烧结过程中，超过1500°C的极限温度及约50%的体积收缩率通常存在，这使得多材料构件的烧结主要面临两大挑战：其一，只有热膨胀系数相近的材料才能共同加工，因为热应力会导致变形与缺陷——该问题源于烧结后冷却过程中的失配现象，也可能引发运行故障；其二，组合材料必须呈现相似的收缩行为，否则在烧结过程中就会产生缺陷。

早在陶瓷增材技术问世之前，传统制造的功能梯度陶瓷材料就已采用共烧结工艺，因此目前已积累数十年的经验并形成多种成熟的材料组合。

在成型方面，材料施加方式对制造多材料构件至关重要。Zocca等人提出将增材制造技术划分为直接成型与间接成型两大类。

间接增材制造是先在整个成型空间内铺设基础材料，随后在指定区域进行选区固化。典型技术包括粘结剂喷射成型（BJT）、粉末床熔融（PBF）及光固化成型（VPP）。

直接增材制造是材料仅在当前层所需位置进行沉积与固化，因此无需在添加新材料前清除未固化材料。典型代表是材料挤出（MEX）与材料喷射（MJT），这两种技术可通过多通道给料系统实现不同材料的并行沉积。

2.4 多材料喷射（Mult-material jetting）

多材料喷射成型（MMJ）在增材制造领域脱颖而出，因其能有效实现多材料增材制造（MMAM）。该技术定位于熔丝制造（FFF）与基于立体光刻的还原光聚合（VPP）之间，成功将优异的成型材料特性与创新成型技术相融合。

多材料喷射成型（MMJ）技术于2014年在德累斯顿弗劳恩霍夫IKTS研究所研发成功，迄今已为其多材料增材制造设备完成超过15种材料及组合的资质认证。该设备已为多家工业客户成功制造出原型件。为推进MMJ技术的商业化进程，弗劳恩霍夫IKTS在德国联邦经济事务和气候保护部的支持下，于2023年2月创立AMAREA Technology GmbH公司，旨在将MMJ技术转化为工业化生产体系。

多材料喷射成型（MMJ）使用含粉末材料的低粘度热塑性悬浮体，可实现多种陶瓷粉末乃至金属和玻璃材料的高固化载荷水平（40-50%体积）。基于材料特性，几乎任何粉末都可以使用，实现功能梯度材料（FGM）的增材制造。

MMJ独特的成型逻辑是使用压电微滴喷射系统选择性沉积微小液滴。这些液滴在X-Y轴融合形成丝状结构，并在Z轴堆叠从而创建复杂的3D物体。微米级液滴确保高成型精度，沉积速率最高可达每秒800滴。

多通道给料系统可搭载不同成型材料，实现单次成型作业中制造多功能构件。通过添加支撑材料可防止悬垂结构塌陷，从而真正实现功能梯度增材制造。

03 MMJ技术陶瓷增材制造可加热的陶瓷零件

温度控制在很多工艺中都非常重要。例如流体的温度通常决定了其黏度，化学反应的温度通常决定了其反应率，固体材料的温度通常决定了其成型性能。因此，在陶瓷 刀具 或混合器中集成加热元件，是显著提升这些工艺效率的极具前景的解决方案。

现已确定的具有这种组合特性的材料组合由两种混合物组成，每种都含有氮化硅（Si₃N₄）和二硅化钼（MoSi₂）其他陶瓷添加剂。这两种材料的主要区别在于MoSi2的配比。具有更高二硅化钼含量的混合物在烧结后呈现导电特性，而另一种混合物则具有电绝缘性能。

3.1 多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造陶瓷模具

一种应用于成型解决方案的"可调节"模具 被提出。在很多实际成型过程中，加热或冷却对工艺控制至关重要。该模具 需满足以下技术要求：其结构设计采用带纹理的上模作为成型模具，该模具定位在轴体顶端并延伸至坯料区域，轴体末端设有连接空间操纵器的扩展法兰。基体材料需具备高强度、高硬度及化学惰性，并呈现极低的热膨胀系数，以确保尺寸稳定性和耐用性。此外，加热与冷却功能需要集成于零件内部，以实现有效的温度控制。

图 1 ：多材料陶瓷成型工模具的设计：黄色：冷却通道支撑材料；红色：加热器导电通路；灰 / 黑色：电绝缘材料

图2：陶瓷成型模具生坯

该部件的多材料（MM）设计（包括形状与材料）如图1所示。图2展示了采用陶瓷材料多材料喷射技术（CerAM MMJ）制造的生坯部件，图3为共烧结后的成型部件，图4则展示了加热功能演示过程中的零件状态。在不超过48V的电压下，仅需数秒即可产生远超600°C的高温。

该零件有效满足以下要求：

• 单一耐用部件：将冲头、轴身与法兰整合为坚固的整体式结构，精准呈现冲头纹理与法兰轮廓等精细细节。

• 集成加热功能：在冲头附近嵌入固态加热线圈，法兰上设有便于连接的接点，通过贯穿轴体的绝缘导电通路实现电气连接。

图3：共烧结陶瓷成型模具

图4：加热状态下的陶瓷成型模具（温度约600℃）

3.2 多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造陶瓷反应器

在化学反应器中，反应器温度和温度的分部是工艺控制的关键因素，这些因素直接决定了反应物和产物的黏度和反应行为。目前，催化剂支撑结构常采用填充床或蜂窝载体，但是二者内部的热传导效率很低，对于需从外部供热的内吸热反应，或需从内部排热的外放热反应而言，当前反应器设计方案因传热效率不足而存在明显局限。

这正是增材制造（AM）多材料反应器的优势所在——它为实现定制化反应器几何结构、集成冷却通道与加热器开辟了新途径。

图5展示了3D-cat公司模块化反应器概念的CAD数据，该设计甚至可实现不同区域的独立温控。图6所示为一个处于加热状态的加热器模块，其整个横截面呈现出卓越的温度均匀性。

该模块集成了所有必要功能，并依托陶瓷材料赋予了零件所需的化学耐腐蚀性与长期稳定性。

图5：3D-cat公司模块化反应器设计概念CAD数据；左：模块；右：整个结构

图6：电热陶瓷反应器模块功能测试期间红外相机的图像

04 多材料喷射成型技术（MMJ）陶瓷增材制造致密-多孔零件

在化工过程中，需要采用兼具致密与多孔区域的零件，这种结构组合极具应用价值。例如，蜂窝状作为催化剂的载体结构时，其表面会施加催化活性材料，期间通常还会使用一种被称为"涂层"的中间层。该涂层通过为化学反应提供更大表面积并促进活性材料分布，可有效提升催化剂材料的活性和效率。多孔涂层在确保最大化表面积和活性材料牢固附着的同时，其下方的蜂窝结构则提供了机械强度与一定的热传导能力——至少优于多孔涂层的导热性能。

虽然蜂窝结构相较于填充床设计具有显著更低的压降，但其缺点在于壁面流入性能较差，导致活性材料区域的反应物注入量不足，因此在相同体积下整体化学转化率明显低于填充床反应器。

增材制造技术能够针对特定应用需求定制反应器设计，并在转化率与压降方面实现优化。然而，这也带来了在复杂几何结构上实现涂层均匀覆着的技术挑战。

在这种情况下，功能梯度材料（FGM）的增材制造技术能将致密和多孔结构集成于单一零件之中。图7展示了采用多材料喷射成型陶瓷增材制造技术制造的氧化铝零件界面结构，该零件融合了致密的内部结构与多孔的表面，实现该结构采用了两种不同的氧化铝原料：一种未添加造孔剂（PFA），另一种则添加了约10%体积的造孔剂。

图 7 ：致密 - 多孔铝零件的横截面，使用多材料喷射成型技术（ MMJ ）陶瓷增材制造

图8：采用陶瓷增材制造多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造的致密-多孔氧化锆零件；

左：CAD数据；右：烧结成品零件

为直观展示这种特性，研究团队采用氧化锆制备了一个零件——基于多孔区与致密区对光线的不同散射作用，该零件可呈现差异化的透光效果。此演示件采用两种不同氧化锆原料：一种完全不添加造孔剂（PFA），另一种则添加约10%体积的造孔剂。图8展示了该零件的CAD数据（左图）与烧结成品（右图），图9则显示了光源前置条件下烧结零件的透光状态。

图9：采用陶瓷增材制造多材料喷射成型技术（MMJ）增材制造的致密-多孔氧化锆零件在光线下；

左：前方视图；右：顶部视图

05 算法设计，数据驱动算法及 AI

随着零件几何结构的日益复杂，对零件设计与仿真以及制造过程监控提出了更高要求——尤其当多种材料需在几何结构高度复杂的零件中实现组合时。

实现复杂几何结构的功能化亟需新型设计方法，因为传统CAD方法已逐渐力不从心。这些新方法运用算法，基于众多边界条件（如载荷、重量等）生成多种满足特定目标的优化几何结构。统计方法可识别关键输入参数以实现定向优化，而模拟自然生长过程的仿生算法同样具有重要价值。基于晶胞的网格等重复性结构也属于该设计方法论的组成部分。

未来，来自制造过程、产品及环境传感器（如载荷工况、温度曲线）的数据，将转化为创新设计的"大数据"数字化输入（数据驱动设计）。此外，几何描述方法也需调整——传统CAD系统中的B-rep几何模型已无法高效表征复杂结构，必须同步采用离散化与隐式表达（如三角网格、体素场）等描述方式。

对于高性能陶瓷而言，经济化生产至关重要，提升产线良品率是实现规模化量产的必要条件。设计方案需深度融合生产导向视角，通过数据驱动方法与人工智能来解析陶瓷全工艺链中的流程交互关系。

陶瓷工艺链中数据驱动方法的应用现状表明，相关技术的数字化及其与数据管理系统的集成是必要前提。可基于基础度量（如边界框、体积）创建几何模型，以兼顾曲率、材料厚度等局部属性。现代生产设备通常配备数据导出接口，支持制造过程的记录与评估。基于多任务学习或回归链的"关联算法"能有效整合这些数据。

此外，虽然分析材料-工艺-结构-性能关系的算法在材料工程中已有广泛应用，但必须针对陶瓷工艺链进行专门开发。

为展示这些创新设计方法的潜力，我们开发了用于混合两种流体的演示零件：该零件不仅具有复杂路径布局，更在轮廓近端集成了电热导体。图10与11分别展示了零件的几何结构示意图与集成加热导体设计，图12则呈现了成型生坯（左图）及热成像仪下最终测试时的烧结零件状态（右图）。

图10：可加热混合器概念设计研究（2D），具备几何结构复杂的流体控制功能；红色：集成加热器几何结构和连接点。

图11：可加热混合器概念设计研究，具备几何结构复杂的流体控制功能（3D）；红色：集成加热器几何结构和连接点

图12：可加热混合器概念设计研究，采用陶瓷增材制造的多材料喷射成型技术（MMJ）与氮化硅-二硅化钼（Si3N4–MoSi2）混合材料制造；

左图：生坯状态；右图：烧结成型后可加热混合器在功能测试中的红外热成像图

06 总结和展望

这些优势为各领域的创新应用创造了显著潜力，使得能够开发新颖复杂功能，并易于进行概念验证演示。研究团队成功通过三种不同应用场景验证了可制造功能显著增强的陶瓷零件。文献中还可查阅更多演示案例。当前陶瓷增材制造（CerAM）技术正在不断提升零件质量与可重复性，同时进一步降低废品率和生产成本。目前最大的挑战在于多材料零件中不同材料的必要共烧结工艺。本研究重点探讨了温控制度、炉内气氛及零件几何结构对零件（电学）性能的影响机理。理解陶瓷工艺链中所有工序与零件最终性能之间的相互作用至关重要，而数据驱动方法在解析参数—性能关联性中正发挥关键作用。

为充分发挥增材制造的技术潜力，近年来组件的设计与构造可能性已显著扩展。然而该领域仍需进一步发展，以全自动化工作流程取代当前需要大量人工投入的组件设计工作。

此外，需要精准识别那些通过组件功能化能产生高附加值的应用领域，使较高的生产成本得以快速抵消。这需要设计人员具备超越传统路径的想象力与创造力，并勇于探索新理念、开辟新道路。

访问以下链接可查看该许可协议全文：http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。

作者：

Uwe Scheithauer1；

uwe.scheithauer@ikts.fraunhofer.de；

Robert Johne2；

robert.johne@amarea.de；

Lisa Gottlieb1；

lias.gottlieb@ikts.fraunhofer.de；

Steven Weingarten2；

steven.weingarten@amarea.de；

Hajo Wiemer3；

hajo.wiemer@tu-dresden.de；

Stefan Holtzhausen3；

stefan.holtzhausen@tu-dresden.de；

1.弗劳恩霍夫( Fraunhofer )陶瓷技术和系统研究所， 德累斯顿 ，德国

2.AMAREA Technology GmbH, 德累斯顿 ，德国

3.TU Dresden, 德累斯顿 ，德国

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投稿 丨daisylinzhu 微信

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