面向復雜精細結構陶瓷的可控陶瓷坯體3D打印技術

供稿人:曹繼偉、魯中良

復雜精細結構陶瓷零件往往由于陶瓷自身硬脆的特性，在脫脂、燒結過程中易在細小結構出現變形、開裂等現象。針對這一問題，新加坡國立大學研究課題采用直寫成型首先實現釔穩(wěn)定二氧化鋯（YSZ）陶瓷微細結構成型；然后通過后二次成型工藝進行陶瓷坯體的宏觀結構成型；最后在經過脫脂燒結工藝完成零件制造。最終通過這種先微細結構后宏觀結構的成型方式，成功制造了復雜精細結構陶瓷零件，如圖1所示。所制備陶瓷零件密度達到理論密度的99.0%以上且具有良好的機械剛性。

圖1 復雜結構陶瓷零件的制造方法與工藝流程

在成型微細結構陶瓷坯體時，該技術以多元醇為塑化劑，并通過控制固相含量來調節(jié)直寫漿料的剪切模量，進而可控制打印素坯的彈性模量，如圖1a所示。當固相含量低于34.0 vol.%時，所成形陶瓷坯體為柔性體，其宏觀結構保型能力較弱；當固相高于34.0vol.%時，所成形陶瓷坯體為彈性體，宏觀結構保型能力較強。該研究團隊針對這兩種不同特性的陶瓷坯體，分別進行了不同的二次成型工藝。

對于剛性陶瓷坯體，采用自組裝輔助成型工藝（Self Assembly-assisted Shaping，SAS）完成零件的宏觀結構成型，如圖2所示。在陶瓷坯體兩端預設計-打印出接觸點，然后通過這些接觸點將坯體首尾拼合裝配成型。再通過UV光輻射來引發(fā)坯體內有機物的聚合。待坯體內有機物完全固化后，加熱完成零件脫脂與燒結工藝。

圖2 彈性陶瓷坯體宏觀結構成型方法

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

圖3 柔性陶瓷坯體宏觀結構成型方法

通過最初的直寫成型與后續(xù)柔/彈性陶瓷坯體的二次成型方法完成了陶瓷零件精細結構和復雜外形的成型。最終可實現低固相陶瓷坯體向高致密（99.0%）異形結構陶瓷零件的轉變。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，可以實現多功能、多相復雜結構陶瓷的制備。該技術簡單易行使其成為一種制備獨特宏觀結構陶瓷制品的方法，且豐富了目前最先進的陶瓷增材制造技術。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室