奥地利莱奥本山地大学的研究人员和德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(FraunhoferIKTS) 的研究人员发表了一项详细的研究，对增材制造陶瓷中限制强度的缺陷进行了系统识别和分类。
研究成果以题为《增材制造陶瓷中的强度限制缺陷》的论文发表于《OpenCeramics》期刊，提供了一个全面的分类系统，用于描述主要陶瓷 3D 打印工艺中的缺陷，包括大桶光聚合 (VPP)、材料喷射(MJT) 和材料挤出 (MEX)。研究由莱奥本山地大学的 Maximilian Staudacher 领导，与 Tanja Lube、Eric Schwarzer-Fischer、Johannes Abel 以及德累斯顿弗劳恩霍夫 IKTS 的同事合作。
陶瓷增材制造 (CAM) 技术可用于制造复杂几何形状、内部通道和高强度部件，广泛应用于航空航天、机械和生物医学领域。尽管具有这些优势，但通过 VPP、MJT 或 MEX 工艺生产的部件通常机械强度较低，表面质量也较差，与传统工艺生产的陶瓷相比。这种差异主要是由制造过程中产生的微观不规则性（例如孔隙、分层和夹杂物）造成的。
△图形摘要。图片来自 ScienceDirect。
在本研究中，作者区分了“瑕疵”（脆性材料中不可避免的小规模不规则性）和“缺陷”（工艺引起的、会显著降低强度的缺陷）。他们的分类系统将缺陷类型与制造的每个阶段联系起来，从切片和原料准备到清洁和处理。研究团队使用奥地利陶瓷3D打印专家Lithoz GmbH的CeraFab8500 3D打印机、捷克制造商Prusa Research的改进型Prusa i3 MK3S+打印头以及德累斯顿增材制造公司AMAREATechnology GmbH开发的多材料喷射（MMJ）系统制造了测试样本。
所有样品均在专注于先进陶瓷和系统集成的研究机构弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所(Fraunhofer IKTS) 制作和烧结，断裂测试则在莱奥本山地大学(Montanuniversität Leoben) 使用四点弯曲装置进行。显微镜、扫描电子分析和断口分析相结合，能够精确识别缺陷的形态和来源。
△由于分层结构（金字塔左侧）以及基于 DLP 的 VPP 中悬浮液与基于像素的固化（金字塔右侧）相结合而产生的混叠效应。图片来自 ScienceDirect。
添加剂方法的主要发现
在所有检测方法中，孔隙、团聚体、层间粘附力差和分层等缺陷反复出现，限制了材料的强度。在槽式光聚合工艺中，不当的曝光参数和浆料高度不足会导致“虫洞”缺陷——细长的孔隙延伸至多层。过度使用乙醇或超声波清洗会导致坯体表面剥落和部分溶解。在材料喷射工艺中，喷嘴堵塞和液滴形成不一致会造成空隙和表面应力集中，而边缘缺陷以及周边与填充层之间的几何过渡则会导致早期失效。
材料挤出呈现出不同的缺陷特征，主要表现为沉积线材之间的空隙和层间结合不良。不均匀的挤出速率会导致挤出不足和过度区域，而喷嘴磨损严重会导致金属夹杂物和尺寸误差。垂直打印方向尤其容易出现分层，弯曲试验表明，由于垂直于层界面的应力作用，垂直打印方向的样品强度比水平打印样品降低高达50%。
△a)中靠近拉伸面的弯曲试样中的团聚体，以及 b) 中层间存在的孔隙（以黄线标记）。图片来自 ScienceDirect。
作者认为，断裂起源通常可以追溯到孔隙形貌、表面形貌和加载方向等多种因素的综合作用。研究人员写道：“虽然通过增材制造生产的陶瓷的起始粉末可能相同，但每种方法都会在最终部件中引入特征性的缺陷分布。因此，它们的强度分布不同，从组件设计的角度来看，它们不能被视为同一种材料。”
断口分析已被证明是一种特别有效的故障分析诊断工具，它能够洞察缺陷的形成机制，而无需像无损成像那样花费高昂的成本。尽管计算机断层扫描和现场检测技术不断改进，但研究得出结论，分辨率限制仍然阻碍了对致密陶瓷中较小但关键缺陷的可靠检测。
△由于料桶内浆料高度不足，弯曲试件中产生了孔隙。白色箭头标记了构建方向 z。图片来自 ScienceDirect。
陶瓷增材制造研究背景
弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所 (Fraunhofer IKTS) 一直是基于光刻技术的陶瓷制造 (LCM) 和多材料喷射 (MMJ) 领域的领先中心，这两种技术均可为工业应用提供高精度陶瓷部件。IKTS 早期的研究证实了多材料陶瓷打印的可行性，但也强调了实现全密度和强层间结合的挑战。
莱奥本山地大学材料科学系推进了3D打印陶瓷的机械特性表征，将断裂强度与微观结构不规则性联系起来。在此基础上，本研究引入了标准化命名法，以提高研究组之间的交叉可比性，并支持诸如EN ISO/ASTM 52900:2021和VDI 3405等新兴的增材制造标准。
△弯曲杆状结构中孔隙聚合形成的“虫洞”，白色箭头指向 z 方向。图片来自 ScienceDirect。
迈向标准化理解和流程改进
作者提出了一种分类法，根据缺陷的工艺来源进行分类：切片、原料制备、层形成、成型、清洁、处理、污染、设备磨损以及湿度和温度等环境因素。每种来源都会引入特征性缺陷，从表面混叠和层间空隙到分层和污染引起的夹杂物。
通过绘制这些关系，该研究为系统性工艺优化奠定了基础。研究人员认为，在烧结前及早识别坯体中的缺陷，可以指导打印参数、材料配方和处理方案的改进。尽管由于陶瓷固有的脆性，完全消除缺陷是不可能的，但控制缺陷的尺寸和分布对于提高可靠性至关重要。作者建议在未来的工作中将断口数据与机器学习和现场监测相结合，以预测制造过程中缺陷的形成。
研究结果表明，工艺诱导的缺陷是增材制造的固有特性，每种方法都会产生独特的微观结构缺陷模式，从而影响零件的性能。通过系统地对这些缺陷进行分类，该研究为定量强度建模和缺陷感知组件设计奠定了基础。
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