面向復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷的可控陶瓷坯體3D打印技術(shù)

供稿人:曹繼偉,、魯中良

復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷零件往往由于陶瓷自身硬脆的特性,，在脫脂、燒結(jié)過(guò)程中易在細(xì)小結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形,、開(kāi)裂等現(xiàn)象,。針對(duì)這一問(wèn)題，新加坡國(guó)立大學(xué)研究課題采用直寫(xiě)成型首先實(shí)現(xiàn)釔穩(wěn)定二氧化鋯（YSZ）陶瓷微細(xì)結(jié)構(gòu)成型,；然后通過(guò)后二次成型工藝進(jìn)行陶瓷坯體的宏觀結(jié)構(gòu)成型,；最后在經(jīng)過(guò)脫脂燒結(jié)工藝完成零件制造。最終通過(guò)這種先微細(xì)結(jié)構(gòu)后宏觀結(jié)構(gòu)的成型方式,，成功制造了復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷零件,，如圖1所示。所制備陶瓷零件密度達(dá)到理論密度的99.0%以上且具有良好的機(jī)械剛性,。

圖1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的制造方法與工藝流程

在成型微細(xì)結(jié)構(gòu)陶瓷坯體時(shí),，該技術(shù)以多元醇為塑化劑，并通過(guò)控制固相含量來(lái)調(diào)節(jié)直寫(xiě)漿料的剪切模量，進(jìn)而可控制打印素坯的彈性模量,，如圖1a所示,。當(dāng)固相含量低于34.0 vol.%時(shí)，所成形陶瓷坯體為柔性體,，其宏觀結(jié)構(gòu)保型能力較弱,；當(dāng)固相高于34.0vol.%時(shí)，所成形陶瓷坯體為彈性體,，宏觀結(jié)構(gòu)保型能力較強(qiáng),。該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這兩種不同特性的陶瓷坯體，分別進(jìn)行了不同的二次成型工藝,。

對(duì)于剛性陶瓷坯體,，采用自組裝輔助成型工藝（Self Assembly-assisted Shaping,，SAS）完成零件的宏觀結(jié)構(gòu)成型,，如圖2所示。在陶瓷坯體兩端預(yù)設(shè)計(jì)-打印出接觸點(diǎn),，然后通過(guò)這些接觸點(diǎn)將坯體首尾拼合裝配成型,。再通過(guò)UV光輻射來(lái)引發(fā)坯體內(nèi)有機(jī)物的聚合。待坯體內(nèi)有機(jī)物完全固化后,，加熱完成零件脫脂與燒結(jié)工藝,。

圖2 彈性陶瓷坯體宏觀結(jié)構(gòu)成型方法

柔性陶瓷坯體其保型能力較差，研究課題通過(guò)模具輔助成型方法(Mold-Assisted Shaping,，MAS)完成陶瓷零件宏觀結(jié)構(gòu)成型,，如圖3所示。將直寫(xiě)成型柔性陶瓷坯體置入陶瓷/樹(shù)脂模具中,，加壓加熱,。待陶瓷坯體內(nèi)塑化劑（多元醇）揮發(fā)殆盡后去除陶瓷/樹(shù)脂模具。最終獲得結(jié)構(gòu)完整的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件,。

圖3 柔性陶瓷坯體宏觀結(jié)構(gòu)成型方法

通過(guò)最初的直寫(xiě)成型與后續(xù)柔/彈性陶瓷坯體的二次成型方法完成了陶瓷零件精細(xì)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜外形的成型,。最終可實(shí)現(xiàn)低固相陶瓷坯體向高致密（99.0%）異形結(jié)構(gòu)陶瓷零件的轉(zhuǎn)變。此外,，利用光固化陶瓷懸浮液優(yōu)于水性陶瓷懸浮液的優(yōu)點(diǎn),，可以實(shí)現(xiàn)多功能、多相復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷的制備,。該技術(shù)簡(jiǎn)單易行使其成為一種制備獨(dú)特宏觀結(jié)構(gòu)陶瓷制品的方法,，且豐富了目前最先進(jìn)的陶瓷增材制造技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：
D. Zhang, E. Peng, R. Borayek, J. Ding. Controllable Ceramic Green‐Body Configuration for Complex Ceramic Architectures with Fine Features. Advanced Functional Materials. 2019, 29 (12): 1807082.

供稿人:曹繼偉,、魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室