幾種主流陶瓷3D打印工藝的關鍵特點及航空航天應用面臨的挑戰
航空航天領域陶瓷3D打印的主要興趣之一是使用該技術來制造陶瓷基復合材料，此類材料相對于超級合金具有明顯的性能優勢，而且密度要低得多。對于航空航天應用，重點是開發SiC基復合材料的燃燒室襯里、預混合燃料噴嘴護罩、渦輪導向葉片、噴嘴等發動機部件。
這些部件的常規制造方法均基于預成型件的滲透，如化學氣相滲透、聚合物滲透熱解、熔融滲透以及結合了這些過程的混合方法。這些方法通常速度很慢，涉及多個步驟以及大量的后處理。3D打印則會更簡單，并且可以實現自由和復雜的幾何形狀，包括截面尺寸的急劇變化，以及混合和多功能復合材料的制造。此外，3D打印可以減少生產步驟，縮短生產時間，從而降低成本。其中的挑戰主要在于纖維增強材料的混合，實現零件完全致密以及工藝和性能的優化。
幾種主流陶瓷3D打印工藝的關鍵特點
目前，幾種陶瓷3D打印工藝都在探索軍用飛機的應用，如SLA、DLP、直接墨水書寫（DIW）、粉末床激光燒結以及氣溶膠噴射（AJP）等等。
SLA與DLP具有類似的原理，都在樹脂中加入陶瓷粉末得到陶瓷漿料進行3D打印。與其他技術相比，基于光固化的技術適合制備高精度、形狀復雜的大型零件。但其對于漿料的要求一般較高，如漿料需要有較高的固相含量、較低的密度，同時陶瓷顆粒需要在樹脂中分散均勻，而且該方法的所使用的設備昂貴，制造成本較高。國際知名的幾家陶瓷3D打印設備商均采用該成型技術。
粘結劑噴射技術（3DP）是在粉末床上選擇性的噴射粘結劑，通過層層制造得到最終的陶瓷坯體。該技術在制備多孔陶瓷零件時有較大優勢，但是其成形精度較差，表面較粗糙，這與粉體成分、顆粒大小、流動性和可潤濕性等有較大聯系。在制造過程中，可以通過控制粉末層的濕度來提高所得毛坯的尺寸和表面的精度。3DP成形法所制備的零件致密度一般較低，通常需要后續工藝來提高其致密度，如在燒結前進行冷等靜壓和高壓浸滲處理，可以顯著提高燒結后制品的致密性，但同時也會使生產率降低。研究使用3DP技術制備Ti3SiC2陶瓷，隨后進行硅熔體和鋁硅合金的滲透，復合材料密度可以達到4.1g/cm3，這種全致密材料的彎曲強度最高為233 MPa，力學性能較好。3DP技術為陶瓷復合材料的制備提供了一種新型方案。
粉末床激光燒結（SLS）是采用激光選擇性地掃描粉末床表面，使粉末材料受熱熔化并粘結在一起，并最終形成坯體。陶瓷材料的燒結溫度很高，難以直接進行燒結成形。目前，只能通過間接激光選區燒結法對陶瓷材料燒結，其方法是將低熔點的有機粘結劑覆蓋于陶瓷顆粒表面，然后激光只對有機粘結劑進行熔化，使陶瓷顆粒相互結合。雖然改進后的成形過程較簡單，但是由于有機高分子粘結劑含量較高，因而所得坯體密度較低，疏松多孔，故通常需進行后續處理提高致密度，如等靜壓處理、浸滲技術等。
SiC基復合材料的3D打印工藝有層壓制造（LOM）、粘結劑噴射（3DP）和直接墨水書寫（DIW）。LOM可在對商用機器進行改造后用于生產連續纖維增強復合材料；粘結劑噴射技術則允許使用量身定制的粘結劑和短切纖維增強材料進行打印，即使對于高SiC纖維負載量（體積比高達65％），硅熔體滲透也能完全致密化；直接墨水書寫技術也顯示出一定的應用前景，一項重要的需求是建模工作，以協助進行材料設計和工藝優化。
3D打印制造的SiC復合陶瓷零件的機械性能仍落后于常規加工手段，但該技術制造的渦輪發動機零件（如第一級噴嘴和高壓渦輪噴嘴段）已經證明可行。
軍用飛機行業也在探索3D打印以提高戰備能力和負擔能力。陶瓷3D打印已經證明可以用于生產金屬鑄造的型芯和模具，從而大大節省時間和成本。就此而言，陶瓷3D打印可用于模制傳統零件并制造具有改進冷卻通道設計的新翼型，而這些新設計無法通過傳統方法制造。
盡管一些公司已經開發出了完整的陶瓷3D打印技術，但截至目前，陶瓷相對于其他材料的3D打印仍然非常小眾，屬于新興技術領域。據SmarTech分析公司發布的最新《陶瓷快速成型零件生產：2019-2030年》顯示，隨著所有主要的陶瓷增材制造技術的全面發展，并建立起足夠的系列化生產，陶瓷3D打印市場將在2025年后迎來一個拐點。屆時，一大批公司和行業將受益于該技術。到2030年，陶瓷增材制造市場的收入估計將達到48億美元。
作為航空航天領域極富前景的高溫陶瓷材料，3D打印將為其專業化組件的生產發揮作用。無論是作為高溫合金替代物的陶瓷基復合材料，還是作為飛機或者火箭發動機高溫結構組件的先進陶瓷材料，3D打印或將改變這些領域的制造方式。
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