使用數(shù)字光處理、連續(xù)供膜和可回收漿料系統(tǒng)優(yōu)化氧化鋯3D打印

供稿人:馬偉剛，連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 　


氧化鋯陶瓷在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的性能。它們對(duì)菌斑親和力低，限制炎癥浸潤(rùn)，并提供良好的軟組織整合。立體光刻技術(shù)（SLA）可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型逐層制造復(fù)雜的陶瓷零件。傳統(tǒng)的SLA系統(tǒng)使用一個(gè)裝有高固體含量陶瓷漿料的大桶，這對(duì)陶瓷來(lái)說(shuō)造成了一些限制和操作困難，并且主要由于印刷殘留物的存在及其高粘度，使其無(wú)法回收。

基于以上不足，韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)牙科學(xué)院和牙科研究所口腔修復(fù)學(xué)系搭建了一套新的系統(tǒng)，即具有連續(xù)供膜（CFS）系統(tǒng)與流延式數(shù)字光處理（DLP）的集成打印設(shè)備。

圖1 3D打印過(guò)程中帶數(shù)字光處理的連續(xù)供膜系統(tǒng)示意圖

如上圖所示，它主要由一個(gè)涂有硅酮材料的透明疏水膠帶輸送機(jī)組成，該膠帶輸送機(jī)從一個(gè)輥?zhàn)右苿?dòng)到另一個(gè)輥?zhàn)樱�穿過(guò)一個(gè)帶有雙刮刀的澆鑄頭、一個(gè)構(gòu)建平臺(tái)和一個(gè)回收刀片。通過(guò)物理控制雙刮刀和軋制速度進(jìn)而來(lái)控制涂層厚度。DLP中安裝的投影儀有一個(gè)LED光源，在405 nm的峰值波長(zhǎng)下，最大輻照度為5.19 mW/cm2。

利用該設(shè)備，研究人員打印了固相含量為45vol%的氧化鋯陶瓷樣品，對(duì)使用的氧化鋯陶瓷漿料進(jìn)行了表征，并對(duì)其進(jìn)行了處理，以完成整個(gè)打印流程。對(duì)粘度、膜厚、漿料回收效率、熱重分析、收縮率、密度和顯微硬度進(jìn)行評(píng)估，以評(píng)估印刷系統(tǒng)的性能。

圖2 氧化鋯陶瓷漿料粘度隨溫度和剪切速率變化圖

如圖2所示，研究人員測(cè)量了不同溫度以及不同剪切速率下的粘度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增高，粘度逐漸下降，同時(shí)隨著剪切速率的增高，粘度也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在50℃下，當(dāng)剪切速率從3s-1上升到160s-1時(shí)，粘度從12.26Pa∙s下降到0.96Pa∙s，粘度在合適的范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)其它各方面性能的測(cè)量評(píng)估，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備成功制備了微結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷制品，其相對(duì)密度為99.02%±0.08%，平均晶粒尺寸為644±20 nm。陶瓷制品的顯微硬度值為12.59±0.47 GPa。此外，具有CFS的DLP可以有效地回收和再利用漿料，為至少兩次回收提供一致的密度，使其成為制造致密陶瓷產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)替代品。

參考文獻(xiàn)：WA Sarwar、JH Kang、HI Yoon，優(yōu)化氧化鋯 3D 打印，使用具有連續(xù)薄膜供應(yīng)和可回收漿料系統(tǒng)的數(shù)字光處理，材料 14(13) (2021)。