Vat photopolymerization 3D printing of ceramic cores: Advances, challenges, and prospects
光固化3D打印陶瓷型芯技术：进展、挑战与展望
Xiang Li, Hai-jun Su, Dong Dong, Hao Jiang, Ya-wen Ma, Zhong-lin Shen, Yi-nuo Guo, Yun Zhang, Zhuo Zhang, and Min Guo
李翔，苏海军，董栋，姜浩，马雅文，申仲琳，郭一诺，张云，张卓，郭敏（西北工业大学）
引用格式：Li X, Su H J, Dong D, et al. Vat photopolymerization 3D printing of ceramic cores: Advances, challenges, and prospects. China Foundry, 2025, 22(5): 493-506. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4240-9
摘要：为满足航空发动机等高端装备的持续发展需求，陶瓷型芯的结构与性能要求日益严格。光固化3D打印技术凭借其无模具、柔性制造等优势，在复杂结构陶瓷型芯制备方面展现出显著潜力。然而，该技术在实际应用中仍存在诸多挑战：包括本征层状结构导致的性能各向异性、打印与烧结过程中出现的开裂与变形缺陷、成形精度不足以及表面粗糙度控制困难等问题。近期研究主要集中于浆料配方与流变性能优化、固化性能改进、烧结助剂与添加剂的应用、成形参数调控以及烧结工艺优化等方面。尽管如此，如何有效抑制层状缺陷、实现高精度尺寸控制及复杂结构中优良的表面质量，仍是当前亟待突破的核心科学技术难题。未来研究应致力于深化固化机理认识、推动粉末设计与有机体系优化、一体化调控成形—脱脂—烧结过程，促进光固化3D打印陶瓷型芯在航空航天等高端装备制造领域的产业化应用。
Preparation of soluble ceramic cores via additive manufacturing technology: A review
增材制造技术制备可溶性陶瓷芯：综述
Xiao-peng Yu, Wen-ming Jiang, Yun-xia Wang, Li Yang, Zi-wei Peng, and Zi-tian Fan
余小鹏，蒋文明，王云霞，杨力，彭子伟，樊自田（华中科技大学）
引用格式: Yu X P, Jiang W M, Wang Y X, et al. Preparation of soluble ceramic cores via additive manufacturing technology: A review. China Foundry, 2025, 22(5): 507-518. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4210-2
摘要：陶瓷型芯是精密铸造中形成复杂铸件内腔的关键，随着航空航天等领域的不断发展，具有复杂空腔结构铸件的需求不断增大。然而，采用不可溶的陶瓷型芯铸造时，铸件面临着复杂盲腔难以清除的问题，严重影响了铸件的成形完整度。可溶性陶瓷型芯置于水中即可溃散，极大的简化了型芯脱除工艺，保证了能够完整地成形具有复杂空腔结构铸件。此外，与传统工艺制备可溶性陶瓷型芯相比，增材制造技术无需模具，可以实现复杂型芯的直接成型，简化了制备工艺，降低了生产周期和成本。当前，多种增材制造技术，如光固化技术、选择性激光烧结技术、分层挤出技术与微滴喷射粘结成形技术等，已经成功应用于陶瓷型芯的制备。本文分析了各种增材制造技术的优势与局限性，对各种增材制造技术制备可溶性陶瓷型芯的研究进展以及材料分类进行综述，并对未来发展进行展望。
最终烧结温度对立体光刻增材制造纳米ZrO2增强SiO2基陶瓷型芯性能的影响
Qi-qi Huang, Chao-yue Chen, Yu-hao Yin, Song-zhe Xu, Xia Li, Tao Hu, Shuo Yin, Jiang Wang, Wei-dong Xuan, and Zhong-ming Ren
黄琪琪，陈超越，殷宇豪，徐松哲，李霞，胡涛，殷硕，王江，玄伟东，任忠鸣（上海大学）
引用格式：Huang Q Q, Chen C Y, Yin Y H, et al. Influence of final sintering temperature on properties of nano-ZrO2 reinforced SiO2-based ceramic cores via stereolithography additive manufacturing. China Foundry, 2025, 22(5): 519-533. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4182-2
摘要：作为一种可靠的增材制造技术，立体光刻（SLA）陶瓷型芯需要定制的烧结工艺才能达到性能。本研究探讨了最终烧结温度（具体为1,150、1,250和1,300 ℃）对纳米ZrO₂（含量分别为1.0wt.%、1.5wt.%和2.0wt.%）增强的SLA制备SiO₂基陶瓷型芯性能的影响。结果表明，提高最终烧结温度和加入纳米ZrO₂可以增强石英玻璃的粘性流动，从而提高烧结程度。随着最终烧结温度的升高，陶瓷样品的收缩率增大，显气孔率降低，体积密度增加。较高的最终烧结温度也促进了方石英的析出，从而促进了熔模铸造过程中石英的数量和析出速率的增加。当纳米ZrO2含量为1.5wt.%-2.0wt.%时，烧结温度为1,250 ℃，此时石英玻璃Z向收缩率为3.35%-3.68%，孔隙率为25.57%-26.03%，体积密度为1.612-1.645 g·cm-3,室温弯曲强度为26.79-27.85 MPa,高温弯曲强度为30.77-33.02 MPa。高温下挠度为3.37-5.31 mm，上表面表面粗糙度为3.26-4.79 μm，侧面表面粗糙度为4.97-5.79 μm。研究结果为优化SLA陶瓷型芯的烧结工艺提供了指导，具有工业应用潜力。
立体光刻技术下3D打印角度对二氧化硅陶瓷型芯微观结构与力学性能的影响
Yue Gu, Wen-yan Duan, Gong Wang, Bing-shan Liu, Xiao-dong Liu, and Shan Li
顾玥，段文艳，王功，刘兵山，刘晓东，李珊（中国科学院大学）
引用格式：Gu Y, Duan W Y, Wang G, et al. Effect of 3D printing angle on microstructure and mechanical properties of silica ceramic cores by stereolithography. China Foundry, 2025, 22(5): 534–544. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4072-7
摘要：通过立体光刻技术制备的陶瓷型芯在铸造涡轮叶片方面展现出巨大潜力。以往关于陶瓷型芯的成型研究主要采用垂直打印技术，这不仅导致成型时间过长，还削弱了机械强度。本研究采用数字光处理（DLP）技术，以65vol.%的陶瓷浆料为原料，通过不同打印角度制备出具有精细复杂几何形状的二氧化硅（SiO₂）陶瓷型芯。研究发现打印角度显著影响陶瓷素坯的表面精度、收缩率、成型效率，以及烧结后陶瓷型芯样品的微观结构与力学性能。随着素坯成型时打印角度增大，层与层之间结合面积减小，导致XY平面表面粗糙度增大以及Z方向收缩加剧，并且成型效率下降。随着打印角度增大导致烧结后的陶瓷样品弯曲强度降低。当打印角度为30°时，打印时间缩短至90°时的一半，可以提高成型效率。同时，获得的烧结陶瓷型芯的体积密度为1.71 g·cm-3，开孔率为24%，弯曲强度为10.6±1 MPa，能够满足陶瓷型芯的要求。因此通过设计优化打印角度，可实现收缩率、打印效率与弯曲强度的平衡。
Effect of polysilazane on microstructure and properties of Al2O3-based ceramic core for 3D printing
陶瓷前驱体聚硅氮烷对3D打印Al2O3基陶瓷型芯微观结构和性能的影响
Sheng-qi Liu, Rui-long Yu, Wen-jun Dong, Qiao-lei Li, Ang Li, Wei Liu, Xi-he Liu, Xin-yan Yue, Jing-jing Liang, and Jin-guo Li
刘升启，于瑞龙，董文俊，李乔磊，李昂，刘伟，刘西河，岳新艳，梁静静，李金国（中国科学院金属研究所）
引用格式：Liu S Q, Yu R L, Dong W J, et al. Effect of polysilazane on microstructure and properties of Al2O3-based ceramic core for 3D printing. China Foundry, 2025, 22(5): 545-554. https://doi.org/10.1007/s41230-025-5003-3
摘要：叶片内部的冷却流道是决定叶片冷却效率的关键，陶瓷型芯是制备叶片内部冷却流道的重要过渡部件。随着航空发动机进气口温度的大幅提升，涡轮叶片的内腔结构越来越复杂，由于工艺限制，传统的热注射型芯工艺在制备复杂结构陶瓷型芯时面临巨大的挑战。光固化3D打印陶瓷型芯技术无需模具，大大缩短了生产周期，为生产复杂结构的陶瓷型芯提供了一种新技术。为了满足熔模铸造工艺的技术要求，陶瓷型芯需在达到足够机械强度和高精度的同时，具有适当的开孔隙率。在本工作中，为了提高型芯强度，减小烧结收缩，利用陶瓷前驱体聚硅氮烷（PSZ）制备了陶瓷型芯浆料，提高了浆料的陶瓷含量，并利用3D打印技术制备了高性能的Al2O3基陶瓷型芯，研究了陶瓷前驱体对陶瓷型芯性能的影响机制。结果表明，随着PSZ含量的增加，陶瓷型芯的抗弯强度先增加后降低，当PSZ含量为5%时，25 ℃和1,500 ℃下的抗弯强度分别为31.5 MPa和13.1 MPa，孔隙率为36.7%。这项工作为高陶瓷含量的陶瓷型芯光固化增材制造提供了新的思路。
高固含量浆料对光固化硅基陶瓷型芯实现性能优化
Yong-kang Yang, Bo-ran Wang, Zi-qi Jia, Shu-xin Niu, Xin Li, Ya-jie Guo, and Xi-qing Xu
杨永康，王博冉，贾子祺，牛书鑫，李鑫，郭亚杰，许西庆（长安大学）
引用格式：Yang Y K, Wang B R, Jia Z Q, et al. Vat photopolymerization of silica-based ceramic cores using high solid loading slurry with performance optimization. China Foundry, 2025, 22(5): 555-564. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4178-y
摘要：光固化（VPP）三维打印技术是一种适用于复杂形状陶瓷型芯的优化技术，其中陶瓷浆料的固相含量在很大程度上影响着陶瓷部件最终的微观结构和性能。然而，浆料的高固含量受到高粘度的极大限制。在本研究中，考虑到固化、流变和双键转换率等因素，通过成分设计优化性能，实现了固相含量高达68 vol.%的硅基陶瓷型芯浆料。其中，单体质量比为3:2、分散剂BYK111为4 wt.%时，浆料具有优异的固化和流变性能。随后，研究了固相含量对微观结构和机械性能的影响。随着固含量的增加，微观结构逐渐变得致密，抗弯强度提高到19.5 MPa。此外，烧结收缩变得更加均匀，有效满足了铸造要求。这项研究为制备高固含量陶瓷浆料提供了指导。
Vat photopolymerization 3D printing of Al2O3 ceramic cores with TPMS micro lattice structure
光固化3D打印具有TPMS微点阵结构的Al2O3陶瓷型芯
Xiao-fei Zhai, Jing-yi Chen, Xue-qin Zhang, Yuan-hong Qian, Rong Chen, Wei Zhang, and Ru-jie He
翟小菲，陈婧祎，张学勤，钱远宏，陈荣，张玮，何汝杰 [航天增材科技（北京）有限公司]
引用格式：Zhai X F, Chen J Y, Zhang X Q, et al. Vat photopolymerization 3D printing of Al2O3 ceramic cores with TPMS micro lattice structure. China Foundry, 2025, 22(5): 565-573.
摘要：用于铸造空心涡轮叶片的复杂陶瓷型芯，需兼具高孔隙率与高弯曲强度。为实现孔隙率与弯曲强度的平衡，其微结构设计需从无序造孔转向有序造孔。基于此，本研究采用光固化3D打印技术，制备出具有极小曲面（TPMS）结构的有序多孔氧化铝陶瓷型芯。通过制备具有gyroid、diamond和neovius三种微点阵构型的陶瓷型芯，系统研究了微点阵构型与体积分数（30%、40%、50%）变化对型芯收缩率、微观结构及弯曲性能的影响规律。不同构型的收缩率之间的关系为neovius构型>diamond构型>gyroid构型。随着结构体积分数增加，型芯的弯曲强度呈现显著上升趋势，从54.95 MPa增至139.1 MPa。值得注意的是，在50%孔隙率（即50vol.%体积分数）下，diamond构型表现出的弯曲强度，高达139.1 MPa。即便在70%的高孔隙率（30vol.%体积分数）下，型芯强度仍能维持在50-70 MPa的较高水平。在相同体积分数下，diamond构型展现出高于其他构型的弯曲强度。本研究通过调控型芯的孔形态、孔径与孔隙度，基于微点阵结构设计，成功实现了高孔隙率与高强度的协同，为3D打印陶瓷型芯的性能优化提供了新思路。
填充模式对浆料挤出增材制造型壳性能的影响
Jiao Liu, Hong-jun Liu, Guo-liang Su, and Ya-min Li
刘娇，刘洪军，苏国梁，李亚敏（兰州理工大学）
引用格式：Liu J, Liu H J, Su G L, et al. Effects of infill patterns on properties of slurry extrusion-based additive manufactured shell moulds. China Foundry, 2025, 22(5): 574-582. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4021-5.
摘要：型壳结构设计直接影响精铸件的品质，增材制造技术为多级孔隙结构型壳的可控构建提供了有力手段。本文基于浆料挤出增材制造技术，采用铝矾土浆料制备了具有不同型壁结构的多孔型壳，系统研究了直线型、网格型和蜂窝型三种填充模式对型壳性能的影响。结果表明型壁孔隙由填充形成的宏观孔隙与铝矾土颗粒间的微观孔隙共同构成。不同填充模式通过改变孔隙的分布形态与几何特征，进而调控型壳性能。蜂窝填充模式相较于另外两种模式综合性能更好，具有的抗弯强度（11.62 MPa）和孔隙率（41.6%），还具备良好的传热能力，平均收缩率控制在2.0%以内。本研究为开发新型结构精铸型壳提供了创新思路与技术方案。
基于增材制造的CaO掺杂氧化铝陶瓷型芯力学性能与显微结构优化研究
Zong-dong Hao, Wei-zhe Tang, Rui Dou, and Li Wang
郝宗栋，唐炜哲，窦睿，王醴（江南大学）
引用格式：Hao Z D, Tang W Z, Dou R, et al. Optimizing mechanical performance and microstructural integrity in CaO-doped alumina ceramic cores by additive manufacturing. China Foundry, 2025, 22(5): 583–591. https://doi.org/10.1007/s41230-025-4208-9
摘要：氧化铝陶瓷因其优异的热稳定性和力学性能，在涡轮叶片等高性能工程领域中具有重要应用。然而，传统制备工艺往往难以在强度、孔隙率与尺寸精度之间实现协调平衡。针对这一问题，本研究通过系统考察氧化钙掺杂对基于陶瓷光固化增材制造的氧化铝陶瓷型芯的影响，在控制掺杂比例与烧结参数的条件下，对相关性能调控机理进行了探索，以部分弥补现有研究中的空白。实验中采用粗、细复合氧化铝颗粒，并引入氧化钙作为烧结助剂制备陶瓷膏体，经脱脂与烧结工艺优化后，获得了性能均衡的陶瓷型芯。研究结果表明，适量氧化钙掺杂能够在保持20%-30%孔隙率的同时，显著提升氧化铝陶瓷型芯的抗折强度，并有效将烧结收缩率控制在约5%。此外，氧化钙的引入可抑制球状细颗粒向片状晶粒的转变，从而改善显微结构并提高烧结活性。然而，随着氧化钙掺杂量的进一步增加，材料的抗弯强度虽有所增强，但烧结收缩率亦随之上升，导致整体孔隙率降低，对涡轮叶片成形过程中的尺寸精度控制产生不利影响。综上所述，氧化钙掺杂在提升氧化铝陶瓷强度与显微结构方面具有显著作用，但要实现的尺寸控制，仍需进一步优化掺杂含量与烧结工艺参数。
锆石添加对光固化3D打印Al2O3基陶瓷型芯各向异性的优化
Bo-yang Qu, Rui-long Yu, Tian-chi Chen, Qiao-lei Li, Ang Li, Wei Liu, Xi-he Liu, Xin-yan Yue, Jing-jing Liang, and Jin-guo Li
曲博扬，于瑞龙，陈天赐，李乔磊，李昂，刘伟，刘西河，岳新艳，梁静静，李金国（中国科学院金属研究所）
引用格式：Qu B Y, Yu R L, Chen T C, et al. Mitigating anisotropy of vat photopolymerization 3D printing Al2O3-based ceramic cores through zircon addition. China Foundry, 2025, 22: 592-602. https://doi.org/10.1007/s41230-025-5001-5
摘要：陶瓷型芯是高温合金空心涡轮叶片成型的关键过渡部件，随着航空发动机推重比的提高，其结构越来越复杂。复杂的结构给传统型芯制造工艺带来了极大挑战。光固化3D 打印技术为结构复杂的陶瓷型芯的制备提供了新的选择。然而，光固化 3D 打印陶瓷型芯的层状结构导致材料各向异性的出现，制约了其更广泛的工业运用。本研究以 Al2O3 粉末为基体材料，深入研究了锆石含量对 Al2O3 基陶瓷型芯的烧结收缩率、开孔率、抗弯强度等性能的影响。分析了锆石分布对型芯各向异性烧结收缩的影响机理，从热力学和动力学两个方面探讨了锆石分解后原位生成的莫来石对陶瓷型芯的强化机理。通过对陶瓷型芯性能的综合评价，锆石含量为 15vol.%的 Al2O3 基陶瓷型芯表现出性能。与未添加锆石的型芯样品相比，锆石含量为 15vol.%的 Al2O3 基陶瓷型芯在 25 °C 时的抗弯强度从 14.80 MPa 提高到 61.54 MPa，提高了315.8%；1,500 °C 时从 4.91 MPa 提高到 11.59 MPa，提高了 136.0%。Z轴收缩率降低21%，较好地改善了 3D 打印Al2O3 基陶瓷型芯烧结收缩的各向异性。锆石分解原位形成的 ZrO2 相和莫来石相，提高了Al2O3基陶瓷型芯的综合性能。通过光固化3D 打印成功制备了高性能的Al2O3基陶瓷型芯，促进了光固化增材制造技术在复杂结构陶瓷型芯领域的工业化应用。