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)過程中易在細(xì)小結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、開裂等現(xiàn)象。針對這一問題，新加坡國立大學(xué)研究課題采用直寫成型首先實現(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)過脫脂燒結(jié)工藝完成零件制造。最終通過這種先微細(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，該技術(shù)以多元醇為塑化劑，并通過控制固相含量來調(diào)節(jié)直寫漿料的剪切模量，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，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，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)隊針對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-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(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(nèi)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(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(xì)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜外形的成型。最終可實現(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，可以實現(xiàn)多功能、多相復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷的制備。該技術(shù)簡單易行使其成為一種制備獨特宏觀結(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)工程國家重點實驗室