供稿人：高靖遠(yuǎn)、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-12-03
基于光和墨水的 3D 打印方法極大地?cái)U(kuò)展了陶瓷的設(shè)計(jì)空間和幾何復(fù)雜性。然而，基于光的方法通常局限于相對(duì)較小范圍的陶瓷前體和載有顆粒的樹脂，而基于墨水的方法由于分層組裝導(dǎo)致幾何復(fù)雜性有限。盡管基于光和墨水的3D打印方法都取得了重大進(jìn)展，但自由成型制造具有任意成分和幾何形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。
哈佛大學(xué)B. Román-Manso等人報(bào)告了一種將嵌入式3D打印與微波活化固化相結(jié)合的方法，用于制造具有任意幾何形狀的可控成分的結(jié)構(gòu)陶瓷。這種集成制造方法能夠以可編程的成分制造出形狀自由的復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)，這可能對(duì)結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)和能源應(yīng)用具有潛在意義。
圖 1 顯示了采用微波激活固化的嵌入式3D打印。噴嘴在自修復(fù)硅膠支撐基質(zhì)內(nèi)平移，打印的細(xì)絲通過噴嘴擠出。打印后，每個(gè)陶瓷結(jié)構(gòu)都會(huì)暴露在微波輻射下，以誘導(dǎo)嵌入膠體墨水的快速熱固化，通過這種方法可以分離干燥和固化過程。打印和固化的陶瓷結(jié)構(gòu)足夠堅(jiān)固，可以承受導(dǎo)致裂紋形成的毛細(xì)管誘導(dǎo)干燥應(yīng)力。微波激活固化還可以最大限度地減少導(dǎo)致硅膠支撐基質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)不均勻熱膨脹區(qū)域的溫度梯度。固化后，這些物體的強(qiáng)度足以從硅膠基質(zhì)中取出，以便進(jìn)行后續(xù)的清潔、干燥和燒結(jié)步驟。通過嵌入式3D打印，可以通過單獨(dú)的噴嘴依次打印兩種或多種墨水，以生成多材料結(jié)構(gòu)。
圖1 微波激活和嵌入式陶瓷打印
通過改變水與聚合物的體積比、微波功率優(yōu)化微波激活固化，盡量減少缺陷，如表面剝落開裂或氣泡。
圖2 燒結(jié)陶瓷結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)演變
本文展示了一種微波激活嵌入式3D打印方法，用于創(chuàng)建單片和多材料圖案的復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)。此方法為化學(xué)兼容的支撐基質(zhì)創(chuàng)建了具有優(yōu)化成分和流變性的油墨，并使用嵌入式3D打印實(shí)現(xiàn)了陶瓷部件的全新幾何復(fù)雜性?？焖俅蛴『臀⒉ü袒w粒填充聚合物材料的能力為生成從陶瓷到輕質(zhì)聚合物復(fù)合材料和織物等結(jié)構(gòu)物質(zhì)開辟了新途徑。