青島理工大學使用復合富氧膜的連續(xù)陶瓷3D打印

供稿人：王永輝 、連 芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


高性能陶瓷材料因其高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在航空航天、生物醫(yī)學、汽車、電子等領域得到了廣泛的應用。由于傳統(tǒng)的陶瓷成型如離心注漿成型和凝膠注射成型仍面臨復雜幾何形狀的制造困難，一系列增材制造(AM)技術被開發(fā)出來，包括選擇性激光燒結(SLS)，立體光刻技術，陶瓷熔合沉積(FDC)，陶瓷噴墨打印，陶瓷糊(擠出)直接書寫。其中，立體光刻技術已成為一種較為成熟的增材制造技術�；�于陶瓷漿料光固化反應的立體光刻技術可分為立體光刻設備(SLA)和數字光刻技術(DLP)。然而，現(xiàn)有的基于立體光刻的陶瓷3D打印技術存在分層非連續(xù)的缺點，存在如下缺點:(1)各向異性的力學性能;(2)表面質量低;(3)制造度低。即使是商用的陶瓷DLP和SLA技術也只能實現(xiàn)較低的制造速度(8500和3600的CeraFab為10 mm/h, 3600為20 mm/h)。因此，需要一種連續(xù)高效的陶瓷材料3D打印技術。

2021年2月，青島理工大學山東省增材制造工程技術研究中心的團隊提出了基于DLP技術的連續(xù)陶瓷3D打印方法。為了實現(xiàn)陶瓷漿料的連續(xù)成型，研究人員利用氧氣抑制光固化漿料交聯(lián)反應的這一特性，使用自制的復合富氧膜不但能提供可控的死區(qū)（氧阻聚層）厚度，厚度最大為102μm，并且復合富氧膜有足夠的支撐強度以及較低的表面能。該復合富氧膜由支撐層(微孔PET膜，平均孔徑0.45μm，厚度10μm)和富氧釋放層(聚二甲基硅氧烷，PDMS厚度50μm)組成。同時，制備了與之相匹配的高固含量、低粘度陶瓷漿料。在此基礎上，研究了基于DLP技術的連續(xù)陶瓷3D打印的影響因素。

圖1 使用富氧膜的DLP打印原理(a,b)與打印過程(c,d,e)

圖2 打印零件及其顯微形貌

打印結果表明，當陶瓷漿料固含量為40 vol%時，最大打印速度可達143 mm/h，打印速度從50 mm/h提高到143 mm/h并不會使表面質量變差。最后，成功地打印出空心結構、薄壁結構和葉輪等典型結構，并燒結成致密(98.3%)或多孔(86.7%)的顯微組織。因此，該方法可以為陶瓷材料制造中必不可少的高效率、低成本的陶瓷3D打印提供一條新的途徑。
參考文獻：

    張通用，蔣J，王H，等。 使用復合富氧薄膜的連續(xù) DLP 基陶瓷 3D 打印 [J]. J Manuf Process, 2021, 64: 341-8。