江南大學(xué)科研團隊實現(xiàn)多尺度、大跨度陶瓷無支撐3D打��！

來源：江南大學(xué) 微信號：jnu-1958

2023年10月，江南大學(xué)劉仁教授團隊通過結(jié)合直接墨水書寫和近紅外誘導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合，實現(xiàn)了多尺度和大跨度陶瓷的無支撐3D打印。如同“神筆馬良”的神奇畫筆，絲滑且快速地“畫”出陶瓷材料！

陶瓷具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于機械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，陶瓷材料具有較強的硬度和脆性，采用傳統(tǒng)的成型工藝，無法快速、精密地制備出形狀復(fù)雜的陶瓷部件。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為獲得具有綜合結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜陶瓷提供了一種高效、便捷的方法。當(dāng)3D打印具有低角度和大跨度結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時，通常會使用額外的支撐結(jié)構(gòu)來避免懸空部分的坍塌。這種額外的支撐不僅影響了打印效率，而且會影響制造良率。目前發(fā)展迅速的光固化3D 打印技術(shù)速度快、精度高且可實現(xiàn)無支撐打印，但紫外光在陶瓷漿料中穿透性較弱，限制了該打印技術(shù)在陶瓷材料增材制造中的廣泛應(yīng)用。

圖 紫外光與近紅外光的固化深度

針對上述問題，劉仁教授團隊構(gòu)建了一種利用近紅外光聚合實現(xiàn)漿料原位固化的陶瓷 3D 打印新方法。利用穿透性更強的近紅外光，在打印過程中激發(fā)陶瓷漿料所含的光引發(fā)體系產(chǎn)生自由基，實現(xiàn)其原位固化。在固化速率可控的條件下，實現(xiàn)無支撐、多尺度、大跨度的復(fù)雜陶瓷材料的按需打印。

圖 NIR-DIW的打印效率

圖 打印無支撐的3D物體

該技術(shù)通過墨水直寫和近紅外光聚合技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了多尺度、大跨度陶瓷的無支撐3D打印。就像傳統(tǒng)神話 “神筆馬良”中的神奇畫筆，能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度長絲（直徑從410微米到3.50毫米）的原位固化，并通過無支撐打印成功繪制出扭轉(zhuǎn)彈簧、三維彎曲和懸臂梁的陶瓷結(jié)構(gòu)。無支撐的打印技術(shù)充分實現(xiàn)了3D打印“所想即所得” 的優(yōu)勢，同時減少了打印時間、材料使用和后處理工作量。

圖 多材料陶瓷的打印

劉仁教授簡介

劉仁，1980年12月生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院院長，全國涂料和顏料標(biāo)準化技術(shù)委員會委員，集成電路材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟監(jiān)事，《涂料工業(yè)》、《中國涂料》、《影像科學(xué)與光化學(xué)》編委。2011年3月于江南大學(xué)獲博士學(xué)位，曾在美國北達科他州立大學(xué)和香港中文大學(xué)開展訪問研究。主要開展環(huán)保涂料、微電子化學(xué)品、復(fù)合材料和增材制造領(lǐng)域光聚合基礎(chǔ)及應(yīng)用技術(shù)研究，主持并完成國家自然科學(xué)基金、科技重大專項子課題、江蘇省重點研發(fā)計劃項目及企業(yè)委托課題20余項，研究成果先后獲得中國專利優(yōu)秀獎、教育部科技進步二等獎、江蘇省科技進步二等獎和中國感光學(xué)會青年科技獎等。入選國家級領(lǐng)軍人才、江蘇省333工程高層次人才培養(yǎng)工程和江蘇省青藍工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人，獲《涂料工業(yè)》創(chuàng)刊60周年“行業(yè)杰出人物”榮譽稱號。

小黿提問

這項技術(shù)未來可以用于哪些場合呢？

教授解答

本技術(shù)為陶瓷3D打印提供了一種新的解決方案，這種無支撐快速打印一方面有望優(yōu)化部分成熟應(yīng)用的陶瓷制品制造技術(shù)；另一方面有望助推機械、飾品、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域用特殊結(jié)構(gòu)陶瓷材料的創(chuàng)新應(yīng)用。

小黿提問

在視頻里這個藍色的光點是啥？

教授解答

因為近紅外光是肉眼看不到的，所看到的光點是漿料中的上轉(zhuǎn)換粒子在近紅外光照射下激發(fā)出的紫外-可見光。在980 nm近紅外光激發(fā)下，所用的上轉(zhuǎn)換粒子在紫外區(qū)域具有位于345 nm及362 nm的兩個特征發(fā)射峰，在可見光區(qū)具有451 nm和476 nm的特征發(fā)射峰。

小黿提問

實際情況下，這個陶瓷材料打印的速度真的就和我們做蛋糕擠奶油那么絲滑和快速嗎？（視頻有沒有加速？）

教授解答

視頻是5倍速的。本技術(shù)的陶瓷材料打印是可以和做蛋糕擠奶油那樣絲滑和快速的。打印的全程不需要加熱或冷卻，因此能夠流暢連續(xù)地工作。

由于打印的時間和空間都是可以控制的，因此能以較快的速度制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組件。要實現(xiàn)打印速度和固化程度之間的平衡，是整個研究過程中挑戰(zhàn)性最大的環(huán)節(jié)。漿料的最大打印速度和打印參數(shù)密切相關(guān)，如噴嘴直徑、擠出壓力、打印程序、輻照光強等；也可以調(diào)節(jié)漿料成分，如光引發(fā)體系的組成、用量等。

小黿提問

這個陶瓷材料就是我們熟知的陶瓷嗎？

教授解答

并非我們?nèi)粘Ｉ�活中常見的盆、盤、碗、碟之類的日用瓷或青花、五彩之類的藝術(shù)瓷，而是具有高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能的先進陶瓷材料，目前先進陶瓷材料在機械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。

小黿提問

從實驗室走出來大概還要哪幾步呢？

教授解答

目前僅建立了一種新的光固化陶瓷3D打印技術(shù)。要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，一方面要優(yōu)化打印裝置、光源匹配系統(tǒng)和控制軟件，以進一步提升固化效率、打印效果和穩(wěn)定性。另一方面，則需根據(jù)具體應(yīng)用場景下的陶瓷性能要求，開發(fā)相應(yīng)的陶瓷漿料。

小黿提問

這項技術(shù)解決了目前陶瓷材料的哪些問題呢？

教授解答

NIR-DIW的無支撐打印技術(shù)實現(xiàn)了高固含量陶瓷漿料的快速原位固化，為陶瓷3D打印提供了更高的設(shè)計和制造自由度，同時也降低了陶瓷的燒結(jié)收縮率。

NIR-DIW的無支撐增材制造技術(shù)，為陶瓷增材制造設(shè)計提供了更高的自由度。這項技術(shù)的關(guān)鍵不僅在于消除了典型打印過程中所需要的支撐，而且還具有許多其他優(yōu)勢，如減少打印時間、材料用量和后處理工作。相信NIR-DIW方法將被進一步擴展，在沒有支持的情況下制造的陶瓷幾何形狀將有助于產(chǎn)生更多的創(chuàng)新和更廣泛的應(yīng)用。