最新3D列印陶瓷，光固化打造高強度PDC複合材料

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2025/10/08 最新3D列印陶瓷，光固化打造高強度PDC複合材料

陶瓷3D列印正在加速！法國工業級3D列印設備製造商Prodways，與美國加州的HRL Laboratories(休斯實驗室)攜手克服長年的技術瓶頸──如何在高溫下製造無裂紋的陶瓷材料。

CERAM PRO 365工業DLP列印機

以ProMaker L5000 DLP光固化系統，利用高分子前驅體(Polymer-Derived Ceramics, PDC)為基礎，製作碳矽烷複合材料，經過熱轉化後形成堅固的矽氧碳化物(SiOC)陶瓷。這項研究精準確認了顆粒大小、形狀與分佈對結構完整性的影響，並證實這類3D列印陶瓷在強度與韌性上，可媲美傳統的燒結陶瓷。

無裂陶瓷的關鍵：顆粒大小與形狀決定命運
HRL研究團隊透過同步輻射X光斷層掃描技術(X-ray CT)，即時觀察材料在高達1000°C的氬氣環境中進行裂解(pyrolysis)的過程。結果發現：

1. 顆粒大於60微米，容易在基質中形成徑向裂紋；
2. 小於5微米的微粒則能安全融入，完全不產生損傷。

此外，顆粒形狀也很關鍵──片狀填料產生的拉應力高於球形顆粒，使材料更易受損。這項結果揭示了陶瓷3D列印中的顆粒尺寸與形狀，是控制強度與密度的關鍵門檻。

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由聚合物衍生複合材料製成的3D列印測試件

厚度與填充比例的完美平衡
研究進一步指出，當填料比例超過20%體積時，材料在燒結過程中會形成氣孔、削弱結構；而控制在10–15%之間，則能大幅提升斷裂韌性(達3 MPa•m^1/2)。

同時，材料厚度也需嚴格控制：

1. 無填充的SiOC厚度若超過1mm，易因氣體滯留而產生孔洞；
2. 含10%莫來石(mullite)複合物，厚度可穩定至約3mm。

最終測試顯示，最佳化樣品的彎曲強度超過300MPa，密度比強度達110–160 MPa/g•cm³，性能可與高級氧化鋁陶瓷相當。

3D列印驅動陶瓷，航太、能源、國防全受惠
這項成果不僅是材料科學的突破，更為航太、能源與國防產業開啟新可能。傳統陶瓷加工需要多次高溫燒結和浸漬步驟，而PDC 3D列印技術則可一次成型、直接生成耐高溫、高韌性的陶瓷零件。

Prodways也同步推出專為陶瓷研發設計的Ceram Pro 365平台，與ProMaker L5000並列，成為材料研究與量產製造雙用途的先進設備。

這場跨國合作，證明了數位光固化(DLP)系統結合精密材料的控制，能讓陶瓷3D列印突破裂紋與氣孔的極限，打造出更堅固、更穩定的工業級複合材料。

陶瓷3D列印的未來
透過Prodways與HRL的技術整合，陶瓷不再只是高溫易碎的代名詞。新一代PDC 3D列印，讓設計師與工程師以更自由的幾何構型，創造耐高熱、抗應力的零件，為能源、航太與國防產業注入嶄新的製造動能。

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