江南大學重磅研究：3D打印無支撐、多尺度、大跨度復雜結構陶瓷
導讀：3D打印技術參考注意到，江南大學劉仁教授團隊于近日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轉換粒子輔助光聚合相結合，可以實現無支撐多尺度、大跨度陶瓷的3D打印。該技術可原位固化直徑從410μm到3.50mm的多尺度細絲，通過無支撐打印成功構建了扭轉彈簧、三維彎曲和懸臂梁等陶瓷結構。這種方法將為復雜形狀陶瓷的無支撐3D打印制造帶來更多創(chuàng)新。
陶瓷具有結構穩(wěn)定、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異力學性能，廣泛應用于機械、電子、能源、航空航天、生物醫(yī)學等領域。然而，受制于陶瓷材料固有的硬脆特性，復雜形狀陶瓷部件的精密快速制造難以通過傳統(tǒng)成型工藝實現。增材制造技術的出現為獲得結構和功能一體化的復雜陶瓷提供了一種高效便捷的途徑，進而能夠促進實現陶瓷的更多先進應用。
增材制造為先進陶瓷的制造提供了更高的設計自由度，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)展離不開工藝技術的進步和適用材料體系的擴大。傳統(tǒng)領域也正面臨著重大的制造方式轉變，即按需制造具有足夠分辨率的定制功能結構，在不同尺度上具有可調的化學成分。盡管立體光刻、數字光處理或粘結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構的情況下，很難通過3D打印直接制造具有大跨度或異形結構的陶瓷。由于后期需要去除支撐結構，3D打印技術所謂的“所求即所得”的優(yōu)勢并未得到充分體現。同時，額外的輔助支撐會造成表面質量和尺寸精度較差，并增加加工時間長和成本。除此之外，去除支撐件容易產生微裂紋，這可能導致組件在使用過程中出現應力集中，增加陶瓷部件失效的風險。對于一些特殊設計的開放性較差的結構，內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，探索大跨度結構的無支撐陶瓷3D打印技術具有重要意義。
2. 使用近紅外光代替?zhèn)鹘y(tǒng)紫外光進行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構建復雜結構的能力，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，固化效率和產量遠不能令人滿意。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，經過多次吸收、散射和折射后，光能在感光介質中梯度衰減，阻礙了光聚合過程。與紫外光相比，近紅外光(NIR)由于其在各種介質中的線性吸收和瑞利散射較小，因此具有更強的穿透能力。近紅外光誘導的上轉換粒子輔助光聚合方法已成功應用于深度光固化、活性/可控光聚合、生物醫(yī)學材料的3D打印。
直接墨水書寫示意圖
在此，江南大學劉仁教授團隊開發(fā)了一種新方法，將直接墨水書寫與近紅外光誘導聚合相耦合，使用近紅外輻射以受控的固化速率進行按需固化，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構。
3. 實現高縱橫比和大跨度復雜陶瓷結構無支撐打印
通過調整輻照強度和打印速度，陶瓷漿料可以在擠出過程中原位固化，無需使用支撐。擠出結構強度和自支撐能力提高了制造精度，而且3D打印的靈活性可擴展到XYZ空間，更容易打印低角度甚至水平的懸垂。NIR-DIW技術進一步增強了陶瓷增材制造的靈活性和自由度，允許打印多材料結構，并實現高縱橫比和大跨度復雜陶瓷結構的無支撐打印。
該技術滿足大跨度的制造需要，具有更大的設計靈活性。打印的懸臂結構長絲超過85mm，形狀保持良好，沒有觀察到粘彈性下垂。通過將NIR光誘導的光聚合應用于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度長絲和陶瓷組件。選擇這些特定結構只是為了證明概念驗證，即制造具有懸臂的多尺度復雜結構，這是其他沒有支撐材料的增材制造技術無法實現的。
在增材制造領域，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構，因此很難通過DIW直接打印懸浮結構。為了最大限度提高打印能力并生成更復雜的3D結構，研究人員將打印方法擴展到了XYZ維度。
4. 多材料陶瓷結構3D打印
多材料3D打印可以將設計空間擴展到不同的材料，無需組裝即可一次制造具有多種功能特性的產品。與高分子多材料增材制造技術相比，陶瓷多材料增材制造技術仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的研究領域。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溫度的差異也容易導致高溫燒結時產生翹曲、分層和裂紋。
為了確保多材料部件更好的共燒結，不同材料的燒結溫度通過燒結添加劑匹配，調整熱處理曲線和固含量。在這項研究中，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構。
END
基于NIR-DIW的無支撐增材制造技術為陶瓷增材制造設計開辟了更高的自由度，這項技術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。這些突破進一步優(yōu)化了3D打印陶瓷零件的表面質量，同時還消除了支撐結構占用的成型空間。在近紅外光誘導聚合的協(xié)助下，一旦NIR輻射強度達到一定值，光敏陶瓷漿料可瞬間凝固成穩(wěn)定的結構，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構件。該技術可提高材料利用率并增加設計自由度。
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構（如扭力彈簧），燒結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（噴嘴直徑、擠壓壓力、移動速度、光照強度等），可以獲得分辨率更高、外觀獨特的物體。相信NIR-DIW方法將得到進一步擴展，無支撐生產的陶瓷幾何形狀將有助于產生更多的創(chuàng)新組件，并促進增材制造技術的廣泛應用。
