供稿人：王紫辰、苗愷 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-04-20
陶瓷由于具有高強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程和其他領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，受限于陶瓷材料固有硬脆性，傳統(tǒng)的工藝難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的精密快速制造。增材制造技術(shù)提高了陶瓷的設(shè)計(jì)自由度，為高性能陶瓷材料的制造提供了革命性的動(dòng)力。盡管立體光刻、數(shù)字光處理等成熟的工藝可以制造出分辨率、生產(chǎn)率更高的陶瓷零部件，但仍存在一些挑戰(zhàn)。比如由于重力的作用，如果不使用額外的支撐結(jié)構(gòu)，很難通過(guò)增材制造技術(shù)直接生產(chǎn)具有大跨度或異形結(jié)構(gòu)的陶瓷零部件。因此，江南大學(xué)劉仁教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的陶瓷增材制造技術(shù)，將直接墨水書寫與近紅外光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無(wú)支撐多尺度、大跨度陶瓷的3D打印，如圖1所示。
圖1 NIR輔助直接墨水書寫的示意圖和光敏漿料的性能
現(xiàn)有紫外線或可見(jiàn)光在固體含量較高的陶瓷漿料中穿透力有限、固化效率低，并且光敏漿料中大量懸浮的陶瓷顆粒引入了額外的光散射、折射，阻礙了光聚合過(guò)程。與紫外光相比，近紅外光由于其在各種介質(zhì)中的散射率低、吸收率高，因此具有更強(qiáng)的穿透能力。在圖2d中發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)漿料對(duì)紫外光的衰減明顯大于對(duì)近紅外光的衰減。如圖2a所示，在相同參數(shù)條件下進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)近紅外光打印效果更好，結(jié)構(gòu)的中心位置實(shí)現(xiàn)了完全固化。研究人員在近紅外光強(qiáng)度為225 W/cm2的條件下，通過(guò)直徑為0.6 mm的噴嘴，以5 mm/s的打印速度進(jìn)行了原位固化和后固化的對(duì)比打印實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)后固化打印結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生收縮變形，從而引發(fā)相鄰未固化區(qū)域的變形(圖2b)。與固化后相比，實(shí)時(shí)固化后的細(xì)絲(圖2c)粘結(jié)牢固，形成了非常均勻的方形孔隙結(jié)構(gòu)。
圖2 不同光聚合條件之間的差異
如圖3，分析了UCPs含量對(duì)光聚合過(guò)程的影響，并利用不同的近紅外光強(qiáng)度在3s照射下測(cè)試了漿料的固化厚度，可以看出這種由光固化聚合物和陶瓷粉末組成的漿料可以在近紅外光下快速聚合，從而使擠出的細(xì)絲在原位固化，并確定了UCPs最佳含量的范圍，為之后該技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。
圖3 UCPs含量對(duì)漿料性能的影響
最后，如圖4所示，研究人員制作了幾個(gè)具有挑戰(zhàn)性的獨(dú)立物體，這些結(jié)果表明，一些獨(dú)立的結(jié)構(gòu)也可以在沒(méi)有任何支撐材料的情況下打印出來(lái)，使用NIR-DIW快速打印具有大規(guī)模線條特征和多尺度調(diào)節(jié)靈活性的陶瓷結(jié)構(gòu)是可行的。
圖4 通過(guò)NIR-DIW對(duì)打印件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和保真度進(jìn)行了評(píng)估