德克薩斯大學(xué)開發(fā)超快熱脫脂技術(shù)，可在30分鐘內(nèi)去除3D打印氧化鋯粘合劑

2025年2月8日，南極熊獲悉，德克薩斯大學(xué) (UT Dallas) 的研究人員開發(fā)了一種新型超快熱脫脂 (UFTD) 技術(shù)，可以在 30 分鐘內(nèi)完全去除粘合劑。研究團(tuán)隊(duì)使用了3Y氧化鋯漿料和Tethon 3D的陶瓷立體光刻 (大桶光聚合) 3D 打印機(jī)。

相關(guān)研究以題為“Single-Step Thermal Debinding forCeramics Vat Photopolymerization in Less than 30-Minutes”的論文發(fā)表在SSRN網(wǎng)站上，訪問鏈接：https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=5096489

Tethon 3D 首席執(zhí)行官Trent Allen 表示：“想象一下能夠在 30 分鐘內(nèi)打印出一個(gè)牙冠，然后完成燒結(jié)。在陶瓷增材制造領(lǐng)域，我們可以提供一些最實(shí)惠的材料和硬件。我們希望能夠?yàn)檠揽剖袌?chǎng)提供一種受歡迎的解決方案，該市場(chǎng)對(duì)價(jià)格的敏感度遠(yuǎn)高于更廣泛的醫(yī)療保健領(lǐng)域�！�

光聚合 (VPP) 是一種功能強(qiáng)大的陶瓷 3D 打印方法，可提供高分辨率和精細(xì)的結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的熱脫脂 (TD) 工藝需要在燒結(jié)前去除粘合劑，耗時(shí) 20 到 100 小時(shí)。這種耗時(shí)的過程會(huì)增加成本并延遲生產(chǎn)，從而限制了 VPP 的工業(yè)應(yīng)用。

△超快熱脫脂 (UFTD) 工藝。(A)-(C) 在室溫、中溫 (~1050°C) 和高溫 (~1400°C) 下工藝過程中拍攝的照片； (D) 通過 UFTD 燒結(jié) 3YSZ 復(fù)合幾何結(jié)構(gòu)；（E）UFTD脫脂原理的示意圖。

通過利用真空熱解和多孔石墨氈快速加熱，UFTD 可加速粘合劑去除，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性。與傳統(tǒng)方法相比，這一進(jìn)步可將處理時(shí)間縮短 40 到 200 倍，并將能耗降低3,500 倍。

UFTD 工藝結(jié)合了真空條件和高速加熱循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)高效脫脂。熱分布包括每秒約 100°C 的加熱速率，并在多個(gè)溫度下設(shè)置特定的停留時(shí)間，最終在 1450°C 下燒結(jié) 2.5 分鐘。這種優(yōu)化方法可消除聚合物殘留物，并為氧化鋯部件提供高質(zhì)量燒結(jié)準(zhǔn)備，不會(huì)出現(xiàn)裂紋或缺陷。

△不同加工階段的樣品比較：(A)-(B) 超快速熱脫脂 (UFTD-30) 工藝后的白色坯體和黑色燒結(jié)樣品。(C) 隨后在空氣中進(jìn)行熱處理 (UFTD) 后顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨��?/div>

與傳統(tǒng)的熱脫脂相比，UFTD 顯著減少了時(shí)間和能源消耗，而傳統(tǒng)的熱脫脂需要耗時(shí)長(zhǎng)達(dá) 100 小時(shí)，并且需要耗費(fèi)大量能源的燒結(jié)工藝。從傳統(tǒng)的熱氧化到真空熱解的轉(zhuǎn)變加速了聚合物的分解，并有助于快速排出氣體，從而最大限度地減少內(nèi)部應(yīng)力、材料浪費(fèi)和環(huán)境影響。

盡管加熱速度很快，UFTD 仍保持了出色的機(jī)械性能。UFTD 處理樣品的孔隙率與傳統(tǒng)脫脂部件的孔隙率相當(dāng)，保持在 4.2% 至4.3%左右。晶粒結(jié)構(gòu)保持良好，UFTD 樣品的晶粒較大，同時(shí)維氏硬度高達(dá) 15.5 GPa，與傳統(tǒng)工藝相當(dāng)。

UFTD 方法為需要快速生產(chǎn)周期的行業(yè)中的陶瓷開辟了新的可能性，例如牙科應(yīng)用、航空航天部件和電子精密印刷陶瓷絕緣體。UFTD 代表了陶瓷增材制造的突破，它將脫脂時(shí)間從幾天縮短到幾分鐘，同時(shí)保持了零件質(zhì)量。這一進(jìn)步使 VPP 成為一種高效的工業(yè)規(guī)模陶瓷生產(chǎn)方法，可確保更快的周轉(zhuǎn)、更低的成本和最小的能源消耗。