供稿人：陳旭、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-05-26
陶瓷材料因具有高強度、高硬度、良好的耐熱性和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，被廣泛應用于電子、生物醫(yī)學、航空航天等領域。陶瓷增材制造作為一類快速發(fā)展的制造技術，在復雜、高精度的陶瓷零件的制造方面體現出獨特的優(yōu)勢。目前，大多數陶瓷增材制造技術都是針對單一材料開發(fā)的，這限制了具有復雜功能多材料集成組件的應用。此外，陶瓷多材料增材制造的嘗試也主要集中于多噴頭擠出成型工藝，制造精度差、不同材料易污染是存在的主要問題。
2022年1月，來自清華大學的團隊首次提出了一種基于DLP（digital light processing）的新穎高精度陶瓷多材料增材制造技術?？紤]到陶瓷漿料的高粘度特性和材料易交叉污染的問題，通過引入一種柔性周期性循環(huán)制造工藝來實現陶瓷多材料增材制造：漿料涂覆-曝光-清洗-烘干（如圖1所示），最多可以實現3種不同材料的集成打印。具體工藝流程為：首先根據多材料區(qū)域劃分和切片處理結果選擇目標材料，并將平臺和投影屏移動到對應的材料工位進行單層曝光固化；然后抬升平臺并判斷是否需要切換材料，如果無需切換材料則繼續(xù)進行下一層曝光固化，如果需要切換材料則將平臺依次移動到清洗、烘干和下一層材料對應的工位，如此循環(huán)往復得到多材料打印制件。
圖1 基于DLP技術的高精度陶瓷多材料增材制造工藝原理示意圖
通過對典型多材料模型的單層曝光圖案研究，得到“單連通圖案”優(yōu)先于“多連通圖案”的曝光策略更有利于高精度微小幾何特征的成形。針對4種典型的清洗劑（純水、75%乙醇、30%表面活性劑和石油醚），研究了多材料陶瓷制件在水平方向和豎直方向的界面結合情況及界面幾何精度，其中表面活性劑展現出了最好的清潔效果。針對典型多材料陶瓷制件，不同清洗劑的界面清洗效果如圖2所示。此外，研究還根據光散射效應提出了一種誤差補償方法以便更好地控制多材料陶瓷的界面幾何精度。
圖2 不同清洗劑的界面清洗效果對比
最后，研究者利用所提出的多材料陶瓷成形方案，進行了高精度陶瓷多材料復雜結構樣件（圖3）、陶瓷-金屬復合結構樣件的制備（圖4）。所制備的多材料樣件不僅展示了清晰的材料界面和精確的幾何特征，而且在一定程度上拓展了材料的應用范圍。該技術有望在面向復雜功能的多材料集成零件制造領域發(fā)揮潛在優(yōu)勢。
圖3 復雜結構多材料陶瓷樣件
圖4 功能性陶瓷-金屬復合樣件