分散劑濃度對提高光固化3D打印陶瓷打印精度和表面質量的影響

供稿人：馬偉剛、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

在基于漿料的3D打印技術中心，DLP技術因其分辨率高、加工時間短等優(yōu)點被認為是一種很有前景的陶瓷制造技術。用于DLP打印技術的陶瓷漿料一般由陶瓷粉體、光敏單體、光引發(fā)劑和分散劑組成，目前大量的研究研究了分散劑對陶瓷漿料流變性能的影響，但在不同曝光時間下，分散劑濃度與漿料固化性能之間的關系缺乏探討。針對以上問題，韓國科學技術院（KAIST）以鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷為研究對象，著重分析了分散劑濃度對漿料固化性能的影響，進而確定了最佳分散劑濃度，提高了打印精度與表面質量。

相關研究人員配置了具有不同分散劑濃度的3中陶瓷漿料：S-80/1、S-80/2、S-80/3，分散劑的濃度分別為1wt%（占陶瓷粉體）、2wt%、3wt%，研究了分散劑濃度對陶瓷懸浮液流變行為、分散行為和固化行為的影響。首先，采用紅外光譜法評價分散劑在顆粒表面的吸附程度，如圖1所示。

圖1 (a) 純陶瓷顆粒(PZT)和-分散劑(BYK)的FTIR光譜；(b，c)三種陶瓷懸浮液配方(S-80/1、S- 80/2和S-80/3)的FTIR光譜分析

通過流變性和分散性分析的結果驗證了不同分散劑濃度所形成的顆粒表面界面結構的差異，兩種分析結果均與分散劑在顆粒表面吸附程度隨分散劑濃度變化的結果相一致，最佳分散劑濃度下的陶瓷懸浮液粘度最低，剪切減薄行為最強，沉降速度最慢，分散穩(wěn)定性最高，如圖2所示。

圖2 不同分散劑濃度下PZT陶瓷漿料流變性能與分散穩(wěn)定性能分析

通過光聚合動力學、表面粗糙度、固化深度、固化寬度等測試結果，研究了分散劑濃度對DLP印刷陶瓷組份固化性能的影響。當分散劑濃度為2 wt%時，陶瓷漿料的轉化率和光聚合速率均最高。此外，研究發(fā)現，不同曝光時間（即曝光能量）顯著影響固化深度、過固化寬度(即尺寸精度)以及表面和表面粗糙度（即表面質量）。在三種陶瓷懸浮液配方中，S-80/2配方在所有曝光能量下都表現出最高的尺寸精度和良好的表面質量，如圖3所示。

圖3 不同曝光時間下制件表面粗糙度（a、b、c）與過固化寬度（d、e）分析

從固化深度分析，s -80/2配方在較低能量劑量(30 ~ 90 mJ/cm2，對應曝光時間10 ~ 30 s)下固化深度最高。因此，在分析能量劑量對分散劑效果的影響時，從固化深度、過固化寬度和表面粗糙度來看，分散劑濃度為2wt %的S-80/2配方在曝光能量為30 ~ 90 mJ/cm2時為最優(yōu)配方。該研究結果不僅可用于分散劑濃度的優(yōu)化，還可用于打印參數的優(yōu)化，以提高DLP印刷技術制備陶瓷零件的印刷質量。

參考文獻：
KIM I, KIM S, ANDREU A, et al. Influence of dispersant concentration toward enhancing printing precision and surface quality of vat photopolymerization 3D printed ceramics [J]. Addit Manuf, 2022, 52.