Please wait a minute...
Submit  |   Chinese  | 
Advanced Search
   Home  |  Online Now  |  Current Issue  |  Focus  |  Archive  |  For Authors  |  Journal Information   Open Access  
Submit  |   Chinese  | 
Engineering    2015, Vol. 1 Issue (1) : 113 -123
Research |
Additive Manufacture of Ceramics Components by Inkjet Printing
Brian Derby()
School of Materials, University of Manchester, Manchester M13 9PL, UK

In order to build a ceramic component by inkjet printing, the object must be fabricated through the interaction and solidification of drops, typically in the range of 10−100 pL. In order to achieve this goal, stable ceramic inks must be developed. These inks should satisfy specific rheological conditions that can be illustrated within a parameter space defined by the Reynolds and Weber numbers. Printed drops initially deform on impact with a surface by dynamic dissipative processes, but then spread to an equilibrium shape defined by capillarity. We can identify the processes by which these drops interact to form linear features during printing, but there is a poorer level of understanding as to how 2D and 3D structures form. The stability of 2D sheets of ink appears to be possible over a more limited range of process conditions that is seen with the formation of lines. In most cases, the ink solidifies through evaporation and there is a need to control the drying process to eliminate the: “coffee ring” defect. Despite these uncertainties, there have been a large number of reports on the successful use of inkjet printing for the manufacture of small ceramic components from a number of different ceramics. This technique offers good prospects as a future manufacturing technique. This review identifies potential areas for future research to improve our understanding of this manufacturing method.

Keywords additive manufacture      3D printing      inkjet printing      ceramic components     
Corresponding Authors: Brian Derby   
Just Accepted Date: 31 March 2015   Issue Date: 03 July 2015
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Brian Derby
Cite this article:   
Brian Derby. Additive Manufacture of Ceramics Components by Inkjet Printing[J]. Engineering, 2015, 1(1): 113 -123 .
URL:     OR
1   E. Sachs, M. Cima, P. Williams, D. Brancazio, J. Cornie. Three dimensional printing: Rapid tooling and prototypes directly from a CAD model. J. Manuf. Sci. Eng., 1992, 114(4): 481–488
2   Q. F. Xiang, J. R. G. Evans, M. J. Edirisinghe, P. F. Blazdell. Solid freeforming of ceramics using a drop-on-demand jet printer. Proc. Inst. Mech. Eng. J. Eng. Manuf., 1997, 211(3): 211–214
3   C. Ainsley, N. Reis, B. Derby. Freeform fabrication by controlled droplet deposition of powder filled melts. J. Mater. Sci., 2002, 37(15): 3155–3161
4   M. Mott, J. R. G. Evans. Zirconia/alumina functionally graded material made by ceramic ink jet printing. Mater. Sci. Eng. A, 1999, 271(1¯2): 344–352
5   B. Y. Tay, J. R. G. Evans, M. J. Edirisinghe. Solid freeform fabrication of ceramics. Int. Mater. Rev., 2003, 48(6): 341–370
6   B. Derby, N. Reis. Inkjet printing of highly loaded particulate suspensions. MRS Bull., 2003, 28(11): 815–818 
7   B. Derby. Inkjet printing of functional and structural materials: Fluid property requirements, feature stability, and resolution. Annu. Rev. Mater. Res., 2010, 40(1): 395–414
8   B. Derby. Inkjet printing ceramics: From drops to solid. J. Eur. Ceram. Soc., 2011, 31(14): 2543–2550
9   W. Thomson. Improvements in receiving or recording instruments for electric telegraphs. UK patent 2147, 1867−<month>7</month>−<day>23</day>
10   R. Elmqvist. Measuring instrument of the recording type. USA patent US2566443 A, 1951−<month>9</month>−<day>4</day>
11   T. Shimoda, K. Morii, S. Seki, H. Kiguchi. Inkjet printing of light-emitting polymer displays. MRS Bull., 2003, 28(11): 821–827
12   J. Perelaer,  Printed electronics: The challenges involved in printing devices, interconnects, and contacts based on inorganic materials. J. Mater. Chem., 2010, 20(39): 8446–8453
13   K. A. M. Seerden, N. Reis, J. R. G. Evans, P. S. Grant, J. W. Halloran, B. Derby. Ink-jet printing of wax-based alumina suspensions. J. Am. Ceram. Soc., 2001, 84(11): 2514–2520 
14   B. Derby. Printing and prototyping of tissues and scaffolds. Science, 2012, 338(6109): 921–926
15   P. F. Blazdell, J. R. G. Evans. Application of a continuous ink jet printer to solid freeforming of ceramics. J. Mater. Process. Technol., 2000, 99(1¯3): 94–102
16   G. D. Martin, S. D. Hoath, I. M. Hutchings. Inkjet printing—The physics of manipulating liquid jets and drops. J. Phys. Conf. Ser., 2008, 105(1): 012001
17   S. Umezu, H. Suzuki, H. Kawamoto. Droplet formation and diropping position control in electrostatic inkjet phenomena. In: IS&T’S NIP21: International Conference on Digital Printing Technologies, Final Program and Proceedings, 2005: 283–286
18   C. E. Slade, J. R. G. Evans. Freeforming ceramics using a thermal jet printer. J. Mater. Sci. Lett., 1998, 17(19): 1669–1671
19   M. Mott, J. H. Song, J. R. G. Evans. Microengineering of ceramics by direct ink-jet printing. J. Am. Ceram. Soc., 1999, 82(7): 1653–1658
20   J. Windle, B. Derby. Ink jet printing of PZT aqueous ceramic suspensions. J. Mater. Sci. Lett., 1999, 18(2): 87–90 
21   P. Smith, B. Derby, N. Reis, A. Wallwork, C. Ainsley. Measured anisotropy of alumina components produced by direct ink-jet printing. Key Eng. Mater., 2004, 264¯268: 693–696 
22   T. M. Wang, B. Derby. Ink-jet printing and sintering of PZT. J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88(8): 2053–2058
23   R. Noguera, M. Lejeune, T. Chartier. 3D fine scale ceramic components formed by ink-jet prototyping process. J. Eur. Ceram. Soc., 2005, 25(12): 2055–2059 
24   B. Cappi, E. Özkol, J. Ebert, R. Telle. Direct inkjet printing of Si3N4: Characterization of ink, green bodies and microstructure. J. Eur. Ceram. Soc., 2008, 28(13): 2625–2628 
25   E. Özkol, J. Ebert, K. Uibel, A. M. Wätjen, R. Telle. Development of high solid content aqueous 3Y-TZP suspensions for direct inkjet printing using a thermal inkjet printer. J. Eur. Ceram. Soc., 2009, 29(3): 403–409
26   J. E. Fromm. Numerical calculation of the fluid dynamics of drop-on-demand jets. IBM J. Res. Develop., 1984, 28(3): 322–333
27   N. Reis, B. Derby. Ink jet deposition of ceramic suspensions: Modeling and experiments of droplet Formation. In: S. C. Danforth, D. B. Dimos, F. Prinz, eds. Solid Freeform and Additive Fabrication, 2000: 117–122 
28   B. W. Jo, A. Lee, K. H. Ahn, S. J. Lee. Evaluation of jet performance in drop-on-demand (DOD) inkjet printing. Korean J. Chem. Eng., 2009, 26(2): 339–348
29   D. Jang, D. Kim, J. Moon. Influence of fluid physical properties on ink-jet printability. Langmuir, 2009, 25(5): 2629–2635
30   P. C. Duineveld,  Ink-jet printing of polymer light-emitting devices. In: Z. H. Kafafi, ed. Proc. SPIE 4464, Organic Light-Emitting Materials and Devices V, 2002: 59–67
31   C. D. Stow, M. G. Hadfield. An experimental investigation of fluid flow resulting from the impact of a water drop with an unyielding dry surface. Proc. R. Soc. Lond. A Math. Phys. Sci., 1981, 373(1755): 419–441
32   R. Bhola, S. Chandra. Parameters controlling solidification of molten wax droplets falling on a solid surface. J. Mater. Sci., 1999, 34(19): 4883–4894
33   E. I. Haskal,  21.1: Ink jet printing of passive-matrix polymer light emitting displays. SID Symp. Digest Tech. Papers, 2002, 33(1): 776–779
34   D. Xu,  Inkjet printing of polymer solutions and the role of chain entanglement. J. Mater. Chem., 2007, 17(46): 4902–4907
35   B. V. Antohe, D. B. Wallace. Acoustic phenomena in a demand mode piezoelectric ink jet printer. J. Imaging Sci. Technol., 2002, 46(5): 409–414 
36   N. Reis, C. Ainsley, B. Derby. Ink-jet delivery of particle suspensions by piezoelectric droplet ejectors. J. Appl. Phys., 2005, 97(9): 094903
37   N. Reis, C. Ainsley, B. Derby. Viscosity and acoustic behavior of ceramic suspensions optimized for phase-change ink-jet printing. J. Am. Ceram. Soc., 2005, 88(4): 802–808
38   A. L. Yarin. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing. Annu. Rev. Fluid Mech. 2006, 38, 159–192
39   S. H. Davis. Moving contact lines and rivulet instabilities. Part 1. The static rivulet. J. Fluid Mech., 1980, 98(2): 225–242
40   S. Schiaffino, A. A. Sonin. Formation and stability of liquid and molten beads on a solid surface. J. Fluid Mech., 1997, 343: 95–110
41   D. Soltman, V. Subramanian. Inkjet-printed line morphologies and temperature control of the coffee ring effect. Langmuir, 2008, 24(5): 2224–2231
42   P. J. Smith, D. Y. Shin, J. E. Stringer, B. Derby, N. Reis. Direct ink-jet printing and low temperature conversion of conductive silver patterns. J. Mater. Sci., 2006, 41(13): 4153–4158
43   J. Stringer, B. Derby. Limits to feature size and resolution in ink jet printing. J. Eur. Ceram. Soc., 2009, 29(5): 913–918
44   J. Stringer, B. Derby. Formation and stability of lines produced by inkjet printing. Langmuir, 2010, 26(12): 10365–10372
45   P. C. Duineveld. The stability of ink-jet printed lines of liquid with zero receding contact angle on a homogeneous substrate. J. Fluid Mech., 2003, 477: 175–200
46   R. D. Deegan, O. Bakajin, T. F. Dupont, G. Huber, S. R. Nagel, T. A. Witten. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. Nature, 1997, 389(6653): 827–829
47   R. D. Deegan, O. Bakajin, T. F. Dupont, G. Huber, S. R. Nagel, T. A. Witten. Contact line deposits in an evaporating drop. Phys. Rev. E., 2000, 62(1): 756–765
48   R. Dou, T. Wang, Y. Guo, B. Derby. Inkjet printing of zirconia: Coffee staining and line stability. J. Am. Ceram. Soc., 2011, 94(11): 3787–3792
49   B. J. de Gans, U. S. Schubert. Inkjet printing of well-defined polymer dots and arrays. Langmuir, 2004, 20(18): 7789–7793
50   Y. Zhang, S. Yang, L. Chen, J. R. G. Evans. Shape changes during the drying of droplets of suspensions. Langmuir, 2008, 24(8): 3752–3758
51   H. Hu, R. G. Larson. Analysis of the effects of Marangoni stresses on the microflow in an evaporating sessile droplet. Langmuir, 2005, 21(9): 3972–3980
52   M. Di Biase, R. E. Saunders, N. Tirelli, B. Derby. Inkjet printing and cell seeding thermoreversible photocurable gel structures. Soft Matter, 2011, 7: 2639–2646
53   E. Tekin, B. J. de Gans, U. S. Schubert. Ink-jet printing of polymers—From single dots to thin film libraries. J. Mater. Chem., 2004, 14(17): 2627–2632
54   H. Kang, D. Soltman, V. Subramanian. Hydrostatic optimization of inkjet-printed films. Langmuir, 2010, 26(13): 11568–11573
55   D. Soltman, B. Smith, H. Kang, S. J. S. Morris, V. Subramanian, Methodology for inkjet printing of partially wetting films. Langmuir, 2010, 26: 15686–15693
56   R. Dou, B. Derby. Formation of coffee stains on porous surfaces. Langmuir, 2012, 28(12): 5331–5338
57   I. M. Hutchings. Ink-jet printing for the decoration of ceramic tiles: technology and opportunities. In: Qualicer '10, 11th World Congress on Ceramic Tile Quality. Castellon, Spain, 2010
58   R. van Noort. The future of dental devices is digital. Dental Materials, 2012, 28: 3–12
59   J. Ebert,  Direct inkjet printing of dental prostheses made of zirconia. J. Dental Res., 2009, 88: 673–676
[1] Kan Wang, Chia-Che Ho, Chuck Zhang, Ben Wang. A Review on the 3D Printing of Functional Structures for Medical Phantoms and Regenerated Tissue and Organ Applications[J]. Engineering, 2017, 3(5): 653 -662 .
[2] Jia An, Joanne Ee Mei Teoh, Ratima Suntornnond, Chee Kai Chua. Design and 3D Printing of Scaffolds and Tissues[J]. Engineering, 2015, 1(2): 261 -268 .
[3] Bingheng Lu, Dichen Li, Xiaoyong Tian. Development Trends in Additive Manufacturing and 3D Printing[J]. Engineering, 2015, 1(1): 85 -89 .
Copyright © 2015 Higher Education Press & Engineering Sciences Press, All Rights Reserved.