中國粉體網(wǎng)訊 近日，江南大學(xué)劉仁教授團(tuán)隊(duì)新提出了一種陶瓷打印方法，通過將直接墨水書寫和近紅外誘導(dǎo)轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)無支撐多尺度、大跨度陶瓷的3D打印。該技術(shù)可原位固化直徑從410µm到3.50mm的多尺度細(xì)絲，通過無支撐打印成功構(gòu)建了扭轉(zhuǎn)彈簧、三維彎曲和懸臂梁等陶瓷結(jié)構(gòu)。這種方法將為復(fù)雜形狀陶瓷的無支撐3D打印制造帶來更多創(chuàng)新。
陶瓷具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、能源、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，受制于陶瓷材料固有的硬脆特性，復(fù)雜形狀陶瓷部件的精密快速制造難以通過傳統(tǒng)成型工藝實(shí)現(xiàn)。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為獲得結(jié)構(gòu)和功能一體化的復(fù)雜陶瓷提供了一種高效便捷的途徑，進(jìn)而能夠促進(jìn)實(shí)現(xiàn)陶瓷的更多先進(jìn)應(yīng)用。
增材制造為先進(jìn)陶瓷的制造提供了更高的設(shè)計(jì)自由度，為高性能陶瓷材料的制造提供了革命性的推動力。增材制造的快速發(fā)展離不開工藝技術(shù)的進(jìn)步和適用材料體系的擴(kuò)大。傳統(tǒng)領(lǐng)域也正面臨著重大的制造方式轉(zhuǎn)變，即按需制造具有足夠分辨率的定制功能結(jié)構(gòu)，在不同尺度上具有可調(diào)的化學(xué)成分。盡管立體光刻、數(shù)字光處理或粘結(jié)劑噴射等工藝可以制造分辨率高的陶瓷部件，但仍存在一些挑戰(zhàn)。
1. 探索大跨度無支撐陶瓷3D打印的必要性
一個主要問題是由于重力原因，在不使用額外支撐結(jié)構(gòu)的情況下，很難通過3D打印直接制造具有大跨度或異形結(jié)構(gòu)的陶瓷。由于后期需要去除支撐結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)所謂的“所求即所得”的優(yōu)勢并未得到充分體現(xiàn)。同時，額外的輔助支撐會造成表面質(zhì)量和尺寸精度較差，并增加加工時間長和成本。除此之外，去除支撐件容易產(chǎn)生微裂紋，這可能導(dǎo)致組件在使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，增加陶瓷部件失效的風(fēng)險。對于一些特殊設(shè)計(jì)的開放性較差的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部支撐去除幾乎是不可能的。為滿足陶瓷的功能性和輕量化要求，探索大跨度結(jié)構(gòu)的無支撐陶瓷3D打印技術(shù)具有重要意義。
2. 使用近紅外光代替?zhèn)鹘y(tǒng)紫外光進(jìn)行3D打印
基于紫外線的原位光固化輔助直接墨水書寫（DIW）技術(shù)保留了光聚合的時空控制優(yōu)勢。適合的光固化行為可以提高DIW構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，并使聚合材料的無支撐打印成為可能。然而，在陶瓷打印時，由于紫外線或可見光在高固含量陶瓷漿料中的穿透力有限，固化效率和產(chǎn)量遠(yuǎn)不能令人滿意。光敏漿料中大量懸浮的陶瓷顆粒引入了額外的光散射、折射，經(jīng)過多次吸收、散射和折射后，光能在感光介質(zhì)中梯度衰減，阻礙了光聚合過程。與紫外光相比，近紅外光(NIR)由于其在各種介質(zhì)中的線性吸收和瑞利散射較小，因此具有更強(qiáng)的穿透能力。近紅外光誘導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合方法已成功應(yīng)用于深度光固化、活性/可控光聚合、生物醫(yī)學(xué)材料的3D打印。
直接墨水書寫示意圖
不同光聚合條件之間的差異
對此，江南大學(xué)劉仁教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，將直接墨水書寫與近紅外光誘導(dǎo)聚合相耦合，使用近紅外輻射以受控的固化速率進(jìn)行按需固化，能夠獲得具有靈活幾何形狀和高分辨率特征尺寸的陶瓷結(jié)構(gòu)。
3. 實(shí)現(xiàn)高縱橫比和大跨度復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)無支撐打印
通過調(diào)整輻照強(qiáng)度和打印速度，陶瓷漿料可以在擠出過程中原位固化，無需使用支撐。擠出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和自支撐能力提高了制造精度，而且3D打印的靈活性可擴(kuò)展到XYZ空間，更容易打印低角度甚至水平的懸垂。NIR-DIW技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)了陶瓷增材制造的靈活性和自由度，允許打印多材料結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)高縱橫比和大跨度復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的無支撐打印。
該技術(shù)滿足大跨度的制造需要，具有更大的設(shè)計(jì)靈活性。打印的懸臂結(jié)構(gòu)長絲超過85mm，形狀保持良好，沒有觀察到粘彈性下垂。通過將NIR光誘導(dǎo)的光聚合應(yīng)用于DIW打印，研究人員在不使用任何支撐材料的情況下打印出了具有高一致性和高形狀保持性的高強(qiáng)度長絲和陶瓷組件。選擇這些特定結(jié)構(gòu)只是為了證明概念驗(yàn)證，即制造具有懸臂的多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這是其他沒有支撐材料的增材制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。
打印部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和保真度評估
打印部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和保真度評估
在增材制造領(lǐng)域，人們對制造單一零件較感興趣。然而，由于漿料本身的粘彈性和剪切稀化特性無法保持異形結(jié)構(gòu)，因此很難通過DIW直接打印懸浮結(jié)構(gòu)。為了最大限度提高打印能力并生成更復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，研究人員將打印方法擴(kuò)展到了XYZ維度。
4. 多材料陶瓷結(jié)構(gòu)3D打印
多材料3D打印可以將設(shè)計(jì)空間擴(kuò)展到不同的材料，無需組裝即可一次制造具有多種功能特性的產(chǎn)品。與高分子多材料增材制造技術(shù)相比，陶瓷多材料增材制造技術(shù)仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。除了陶瓷材料的光固化特性不同外，陶瓷各向異性的尺寸收縮和燒結(jié)溫度的差異也容易導(dǎo)致高溫?zé)Y(jié)時產(chǎn)生翹曲、分層和裂紋。
對不同漿料的多材料3D打印
為了確保多材料部件更好的共燒結(jié)，不同材料的燒結(jié)溫度通過燒結(jié)添加劑匹配，調(diào)整熱處理曲線和固含量。在這項(xiàng)研究中，研究人員展示了使用NIR-DIW打印多色陶瓷材料和離散梯度結(jié)構(gòu)。
最后
基于NIR-DIW的無支撐增材制造技術(shù)為陶瓷增材制造設(shè)計(jì)開辟了更高的自由度，這項(xiàng)技術(shù)不僅消除了典型打印過程中所需的支撐，而且還帶來了許多其他優(yōu)勢，例如減少打印時間、材料使用和后處理工作量。同時成功構(gòu)建了扭力彈簧、三維彎曲、懸臂梁等高保真局部懸垂和低角度陶瓷幾何體。這些突破進(jìn)一步優(yōu)化了3D打印陶瓷零件的表面質(zhì)量，同時還消除了支撐結(jié)構(gòu)占用的成型空間。在近紅外光誘導(dǎo)聚合的協(xié)助下，一旦NIR輻射強(qiáng)度達(dá)到一定值，光敏陶瓷漿料可瞬間凝固成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，打印出的曲線無需支撐即可在空間自由伸展。打印過程連續(xù)流暢，無需加熱等待冷卻。時間和空間可控，可以快速制造異形結(jié)構(gòu)件。該技術(shù)可提高材料利用率并增加設(shè)計(jì)自由度。
它在制備高縱橫比組件、快速打印和多材料兼容性方面具有優(yōu)勢。雖然使用較小直徑的噴嘴打印可以獲得更高的精度，但對于單絲無搭接形成的結(jié)構(gòu)（如扭力彈簧），燒結(jié)后的形狀保持性要差得多。通過優(yōu)化墨水成分和打印參數(shù)（噴嘴直徑、擠壓壓力、移動速度、光照強(qiáng)度等），可以獲得分辨率更高、外觀獨(dú)特的物體。相信NIR-DIW方法將得到進(jìn)一步擴(kuò)展，無支撐生產(chǎn)的陶瓷幾何形狀將有助于產(chǎn)生更多的創(chuàng)新組件，并促進(jìn)增材制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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