供稿人：王永輝 、連 芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-05-05
高性能陶瓷材料因其高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的陶瓷成型如離心注漿成型和凝膠注射成型仍面臨復(fù)雜幾何形狀的制造困難，一系列增材制造(AM)技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，包括選擇性激光燒結(jié)(SLS)，立體光刻技術(shù)，陶瓷熔合沉積(FDC)，陶瓷噴墨打印，陶瓷糊(擠出)直接書(shū)寫(xiě)。其中，立體光刻技術(shù)已成為一種較為成熟的增材制造技術(shù)。基于陶瓷漿料光固化反應(yīng)的立體光刻技術(shù)可分為立體光刻設(shè)備(SLA)和數(shù)字光刻技術(shù)(DLP)。然而，現(xiàn)有的基于立體光刻的陶瓷3D打印技術(shù)存在分層非連續(xù)的缺點(diǎn)，存在如下缺點(diǎn):(1)各向異性的力學(xué)性能;(2)表面質(zhì)量低;(3)制造度低。即使是商用的陶瓷DLP和SLA技術(shù)也只能實(shí)現(xiàn)較低的制造速度(8500和3600的CeraFab為10 mm/h, 3600為20 mm/h)。因此，需要一種連續(xù)高效的陶瓷材料3D打印技術(shù)。
2021年2月，青島理工大學(xué)山東省增材制造工程技術(shù)研究中心的團(tuán)隊(duì)提出了基于DLP技術(shù)的連續(xù)陶瓷3D打印方法。為了實(shí)現(xiàn)陶瓷漿料的連續(xù)成型，研究人員利用氧氣抑制光固化漿料交聯(lián)反應(yīng)的這一特性，使用自制的復(fù)合富氧膜不但能提供可控的死區(qū)（氧阻聚層）厚度，厚度最大為102μm，并且復(fù)合富氧膜有足夠的支撐強(qiáng)度以及較低的表面能。該復(fù)合富氧膜由支撐層(微孔PET膜，平均孔徑0.45μm，厚度10μm)和富氧釋放層(聚二甲基硅氧烷，PDMS厚度50μm)組成。同時(shí)，制備了與之相匹配的高固含量、低粘度陶瓷漿料。在此基礎(chǔ)上，研究了基于DLP技術(shù)的連續(xù)陶瓷3D打印的影響因素。
圖1 使用富氧膜的DLP打印原理(a,b)與打印過(guò)程(c,d,e)
圖2 打印零件及其顯微形貌
打印結(jié)果表明，當(dāng)陶瓷漿料固含量為40 vol%時(shí)，最大打印速度可達(dá)143 mm/h，打印速度從50 mm/h提高到143 mm/h并不會(huì)使表面質(zhì)量變差。最后，成功地打印出空心結(jié)構(gòu)、薄壁結(jié)構(gòu)和葉輪等典型結(jié)構(gòu)，并燒結(jié)成致密(98.3%)或多孔(86.7%)的顯微組織。因此，該方法可以為陶瓷材料制造中必不可少的高效率、低成本的陶瓷3D打印提供一條新的途徑。