2022年7月6日，苏州大学李文利团队等在《材料工程》上发表题为“光固化3D打印陶瓷浆料及流变性研究进展”的研究论文，综述了立体光固化SL和数字光处理DLP两种主流光固化3D打印方法用于光固化陶瓷打印的技术方案和工作原理，并提出了光固化3D打印陶瓷浆料的主要发展趋势和面临的挑战。

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文章简介

基于光固化技术原理的陶瓷3D打印因可制备尺寸精度高、表面光洁度好、显微结构均匀和力学性能优异的复杂结构陶瓷零件而备受关注,是实现高性能陶瓷零件增材制造的重要技术手段之一。该技术的核心是制备同时具有高固含量和良好打印适性要求的陶瓷浆料,其组成对固化效果和打印进程有着至关重要的影响。本文综述了立体光固化(SL)和数字光处理(DLP)两种主流光固化3D打印方法用于光固化陶瓷打印的技术方案和工作原理,比较了两者的优缺点。围绕近年来在陶瓷浆料领域的研究工作,讨论了单体/低聚物和稀释剂、分散剂、陶瓷颗粒物理性质以及固含量等对黏度、剪切稀化/增稠行为、黏弹性、屈服应力等流变行为的影响,并提出了光固化3D打印陶瓷浆料的主要发展趋势和面临的挑战,为构建高固含量光固化3D打印陶瓷浆料提供了一般性指导原则。

研究背景

陶瓷材料因高强度、高硬度、耐高温、高的化学稳定性以及良好的生物相容性等优异性能而被广泛应用于成形陶瓷结构的常规方法,如注射成型、凝胶成型、干压成型、流延成型等,或需要模具,或需要后续机械加工,尤其在涉及高度复杂结构的生产时,生产周期长,劳动成本高,制造精度低等,阻碍了陶瓷材料在工程和医学领域的应用。相比而言,陶瓷增材制造技术(3D打印)实现了高度灵活的复杂结构设计和制造, 可不需要模具、不受形状复杂程度限制,能构建几乎任意几何特征零件,尤其适用于单件小批量个性化产品的制造,成为迅速拓展应用的重要制造技术。

近期发表了多篇关于光固化陶瓷3D打印的优秀综述论文,涵盖了各种光固化陶瓷3D 打印的工作原理、优点和用途,但少有文章阐述陶瓷浆料组成与流变特性相关性对于实现复杂结构构建和优异力学性能的重要性。本文综述了用于陶瓷增材制造的两种主要的光固化3D打印技术,比较了相关的工作原理, 基于近年来用于光固化陶瓷 3D 打印的陶瓷浆料配方,讨论了单体、稀释剂、分散剂、陶瓷颗粒物理性质和固含量等对陶瓷浆料的影响,并分析了流变特性在其中的重要作用。本文还讨论了光固化陶瓷3D 打印的发展趋势和面临的挑战,并提出了制备光固化3D打印陶瓷浆料的一般性指导原则。

研究内容解读

光固化陶瓷3D 打印通过增加设计自由度、丰富打印材料、无模制造和单件小批量生产,给先进陶瓷个性化和定制化制造带来了最具成本优势的解决方案。然而由于陶瓷的高熔点、高脆性以及对制造缺陷的低容忍度,陶瓷材料的3D 打印比聚合物和金属更具挑战性。本文综述了SL和 DLP两种主流3D 打印方法用于光固化陶瓷打印的技术原理,围绕近年来在陶瓷 浆料领域的研究工作,讨论了单体/低聚物和稀释剂、分散剂、陶瓷颗粒物理性质以及固含量等组成对陶瓷浆料黏度和打印适性的影响,并分析了与打印过程有关的流变特性。光固化陶瓷3D 打印要求陶瓷浆料具有高固含量和良好的打印适性,以达到高致密度、可控收缩以及良好力学性能的目的。然而,陶瓷浆料的组成和流变行为关系十分复杂,因此,在针对特定陶瓷粉体开发陶瓷浆料时,需要对材料性能、打印设备和打印工艺进行综合考虑。最后,本文对陶瓷浆料的设计提出一般性指导原则如下:(1)将单体/低聚物组合使用,提升固含量的同时防止黏度过大,并与陶瓷粉体的折射进行匹配,改善穿透深度和固化宽度;(2)重视非反应性稀释剂或塑化剂调控生坯内应力的作用,避免脱脂分层和烧结开裂;(3)根据设备对打印材料的要求(如低黏度浆料和高黏度膏体),选择与分散介质和陶瓷颗粒亲和性好的分散剂,建立分散剂用量与颗粒表面积的关系;(4)考虑将不同粒径的陶瓷颗粒做级配处理,增加最大填充量,提高固含量;(5)关注陶瓷浆料本征流变特性,以及与剪切速率和剪切应力相关的剪切流变效应。

图1 光固化3D打印技术原理 (a)立体光固化;(b)数字光处理

参考文献：

[1]李文利,周宏志,刘卫卫,于海宁,王晶,巩磊,邢占文.光固化3D打印陶瓷浆料及流变性研究进展[J/OL].材料工程,2022(07):40-50[2022-11-11].//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1800.TB.20220705.1150.008.html