一种用于3D打印陶瓷-金属部件的高稳定性预脱脂新策略

来源：奇遇科技
一项关于3D打印陶瓷-金属多材料部件的研究表明，通过引入“氧化铝粉末床”预脱脂技术，可显著提升部件在热处理过程中的形状稳定性，为制造复杂、高性能的多材料构件铺平了道路。
一、摘要
        在航空航天涡轮叶片、燃料电池及精密模具等高温应用中，陶瓷及金属-陶瓷复合材料因其优异的耐热性与稳定性被广泛关注。但传统成型工艺难以实现复杂结构制造。FFF 3D打印为复杂多材料构件提供了新路径，可直接构建近净形“生坯”。然而，其核心难题在于如何在不变形的情况下，高效去除约50%的聚合物粘结剂并完成烧结。
        传统热脱脂周期长且易变形，溶剂法虽快但存在环保问题。近日，弗莱贝格工业大学Piotr Malczyk教授带领团队在《Ceramics International》上发表题为《Development of powder bed pre-debinding techniques for the manufacturing process of 3D-printed multi-material parts made of polyethylene-based ceramic, metal and metal–ceramic filaments》的论文，研究提出了一种创新的粉末床预脱脂（Pre-debinding）技术，巧妙解决了这一核心矛盾。他们系统比较了四种不同的粉末床策略，发现细氧化铝粉末床能像“隐形支架”一样，在粘合剂被快速移除的初期，牢牢锁住部件的几何精度。

二、研究方法
       FFF打印的陶瓷/金属生坯，其内部是陶瓷/金属粉末被聚合物粘合剂（如聚乙烯、石蜡等）包裹的复合体。在脱脂（去除粘合剂）过程中，随着温度升高，粘合剂软化并开始分解、挥发。此时，生坯失去了“骨架”支撑，极易在自身重力或热应力的作用下发生变形、塌陷，甚至产生裂纹。传统的“粉末床脱脂”（Wick-debinding）是一种解决方案：将生坯埋入惰性粉末（如氧化铝）中，利用毛细作用将熔化的粘合剂“吸”走。但这种方法耗时极长，且对粉末性质要求苛刻。本研究的创新之处在于，将粉末床的应用从“全程脱脂”缩短为“预脱脂”步骤——即仅在粘合剂开始软化的关键阶段（约200-400℃）提供支撑，随后迅速转入常规热脱脂和烧结。这既利用了粉末床的稳定性优势，又大幅缩短了总工艺时间。
研究团队制备了五种不同成分的长丝，包括镧锶锰矿（LSM，一种陶瓷导体）、镁铝尖晶石（AR78）、不锈钢（316L）以及它们的复合材料。随后，他们设计了四组对比实验：
EX（参考组）
无任何预脱脂，直接进行常规热脱脂。
C（焦炭床）
将长丝完全埋入焦炭颗粒中，在还原性气氛下预脱脂。
A（氧化铝床）
将长丝完全埋入细氧化铝粉末中，在氧化性气氛下预脱脂。
A+C（复合床）
长丝先埋入氧化铝粉末，再整体埋入焦炭颗粒中，实现还原性气氛但避免与碳粉直接接触。
实验结果令人印象深刻。

形状稳定性：氧化铝床完胜
通过软化测试（将预脱脂后的长丝置于高温下观察其变形程度），研究人员发现：
*   EX组：长丝严重软化、坍塌，几乎无法保持原始形状。
*   C组：情况有所改善，但部分长丝仍出现明显变形。
*   A组和A+C组：长丝形状保持得最为完好，几乎看不到变形。这表明，细氧化铝粉末床提供了卓越的物理支撑，有效抑制了粘合剂软化阶段部件的蠕变。

三、微观世界的证据：稳定性如何影响最终质量？
形状稳定性的优劣，最终会反映在烧结后的微观结构上。研究团队利用扫描电子显微镜（SEM）对烧结后的长丝进行了观察。

对于LSM陶瓷，EX组的样品内部出现了大量不规则的大孔隙和微裂纹，这是变形和收缩不均匀的直接后果。而A组和A+C组的样品结构非常致密，孔隙细小且分布均匀，表明预脱脂期间的形状稳定为后续的均匀烧结创造了良好条件。

对于镁铝尖晶石（AR78）及其与TiO2的复合材料，结果同样一致：采用氧化铝床预脱脂的样品，其内部结构缺陷更少，尤其是避免了因局部过度收缩而导致的“分层”或“开裂”现象。

四、研究结果
理论验证之后，研究团队进行了最关键的挑战——利用最有利的预脱脂工艺（很可能是A或A+C），打印并烧结了一个由LSM和AR78+TiO2两种材料组成的复杂多材料演示件。

结果该演示件在脱脂和烧结后，不仅保持了精确的几何形状，而且两种材料的界面结合良好，没有出现开裂、分层或明显的翘曲变形。这强有力地证明了，优化的粉末床预脱脂工艺是制造高质量、复杂多材料陶瓷/金属部件的可靠技术路径。
五、研究结论与展望
     这项研究为FFF打印陶瓷/金属多材料部件提供了一种高效、可靠的工艺解决方案。核心结论如下：
1.  粉末床预脱脂是提升部件形状稳定性的有效手段。
2.  细氧化铝粉末床在物理支撑和维持形状方面，效果远优于焦炭床或无预脱脂。
3.  “氧化铝+焦炭”复合床设计，在提供优异支撑的同时，还能灵活控制烧结气氛，具有广阔的应用前景。

未来，该技术有望在固体氧化物燃料电池、微反应器、定制化植入体等高端制造领域大放异彩。研究人员可以进一步探索粉末粒度、升温速率等参数对脱脂动力学的影响，并尝试将该工艺应用于更复杂的多材料梯度结构。

论文信息：
Piotr Malczyk, P., et al. (2026). Development of powder bed pre-debinding techniques for the manufacturing process of 3D-printed multi-material parts made of polyethylene-based ceramic, metal and metal–ceramic filaments.Ceramics International, 50(12),2123421245.

https://dywey3u-s-a2318.95182.top/10.1016/j.ceramint.2026.01.076