增材制造或3D打印目前在陶瓷制造業(yè)中用于替代傳統(tǒng)成型工藝。目前，在所有不同的可用技術(shù)中，我們重點(diǎn)關(guān)注光聚合固化和相關(guān)陶瓷配方。

首先，陶瓷粉末均勻地分散在可光固化的有機(jī)粘合劑系統(tǒng)中。 然后，這種懸浮液有選擇性地接受紫外光照射，一層一層地形成綠色的陶瓷體。 致密材料結(jié)構(gòu)的制造需要懸浮液中陶瓷顆粒的分布均勻，并且固體含量高。 可以在配方中使用合適的分散劑來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。 分散劑不僅有助于實(shí)現(xiàn)最終機(jī)械強(qiáng)度，還能在打印過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 分散劑用于潤濕細(xì)粉并將其分散到光固化樹脂中，也可用于進(jìn)行流變控制。 分散劑有助于降低黏度，減少結(jié)塊，從而實(shí)現(xiàn)窄粒度分布。

路博潤在Solsperse? AC超分散劑品牌下開發(fā)分散劑技術(shù)，該品牌在先進(jìn)陶瓷中使用包括增材制造等新型制造工藝。

以下是與英國卓越增材制造中心（AM-COE）的科學(xué)家，?Baschar Ozkan博士對話?的整理文稿。AM-COE一直用??Solsperse AC分散劑開發(fā)用于陶瓷立體光刻的新陶瓷配方。

問：您能不能跟我們詳細(xì)說說AM-COE和您正在進(jìn)行的項(xiàng)目？

AM-COE旨在提升高價(jià)值制造業(yè)中光聚合固化3D打印工藝的使用率，在這些行業(yè)中，復(fù)雜幾何形狀、先進(jìn)材料、可持續(xù)性和耐久性、設(shè)計(jì)和性能以及理念到生產(chǎn)的周期時間是行業(yè)驅(qū)動和賦能因素。 AM-COE具有高端研究設(shè)施和先進(jìn)制造能力，為不同應(yīng)用提供材料設(shè)計(jì)和油墨開發(fā)服務(wù)，為金屬和陶瓷制造的批量化生產(chǎn)和研究提供眾多高端和實(shí)惠型DLP 3D打印機(jī)，還提供眾多專業(yè)服務(wù)，包括3D打印陶瓷、金屬和聚合物，計(jì)量和表面測量，X光和NDT服務(wù)，材料表征以及工程/設(shè)計(jì)服務(wù)。 我們位于德比，靠近勞斯萊斯和龐巴迪工廠和其他客戶及供應(yīng)商，距英格蘭眾多大型城市、制造中心和機(jī)場不到三小時路程。

我們可以配制、3D打印、脫脂、熔結(jié)和浸漬大多數(shù)種類的陶瓷和合成材料，但主要對象是硅土、鋯石、莫來石、氧化鋁、石英石和其他高溫陶瓷。 我們主要進(jìn)行商用規(guī)格和品質(zhì)的內(nèi)部及復(fù)合陶瓷芯的3D打印，這些陶瓷芯用于等軸、DS和SX高溫合金鑄件。 此外，犧牲鑄造模型和用于熔模鑄造工藝的陶瓷芯也是我們的主要業(yè)務(wù)之一。 我們3D打印載蠟和高精度鑄造模型，他們可以用于具有最高尺寸穩(wěn)定度的航空航天和IGT應(yīng)用。

我是一位3D打印科學(xué)家，專業(yè)是技術(shù)性和高溫陶瓷。 我的主要工作是對用于航空航天、醫(yī)療、能源、汽車和油氣等應(yīng)用和領(lǐng)域的高濃度光固化陶瓷懸浮液進(jìn)行材料開發(fā)。 在AM-COE，我還負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)陶瓷組件的整個制造工藝，包括打印前和打印后優(yōu)化，項(xiàng)目開發(fā)和批量制造設(shè)置等。 我也很期待即將開始對3D打印電池進(jìn)行的工作。

問：在增材制造陶瓷配方的時候，您選擇分散劑的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

一般來說，我們的目標(biāo)是在陶瓷懸浮液中實(shí)現(xiàn)至少50 vol.%，避免在后期加工過程中裂縫和分層，但在我們的陶瓷組件的工藝和合并過程中，會要求更高的濃度。 但是，對于基于平版印刷的陶瓷打印應(yīng)用，在黏度和固體濃度之間達(dá)到合適的平衡通常更加具有挑戰(zhàn)性。 一方面，固體顆粒的更高體積率對減少回縮和實(shí)現(xiàn)更高密度（即燒結(jié)之后的機(jī)械強(qiáng)度）必不可少。 另一方面，較高固體含量又會嚴(yán)重影響混合液的黏度和打印工藝本身。 固體含量過高會導(dǎo)致固體物質(zhì)的離析，增加打印時間，打印體表面容易出現(xiàn)凸堆，剝離力高，從而導(dǎo)致組件出現(xiàn)裂縫。 我們應(yīng)用中的陶瓷懸浮液必須具有高度流動性、均勻、穩(wěn)定、同質(zhì)化，可促進(jìn)打印層的自流平和重新涂覆（即樹脂的黏度應(yīng)該盡可能低，最好低于5000mPa·s，沒有明顯的屈服點(diǎn)，不會對干擾均勻薄層的形成）。

分散劑是在我們的打印工藝中，提升高濃度陶瓷懸浮液可加工性必不可少的復(fù)合物。 我們大部分應(yīng)用中使用的陶瓷材料是氧化物粉末，其表面通常具有羥基，因此具有親水性。 因此，我們通常會注重分散劑與我們的光聚合（甲基）丙烯酸酯或環(huán)氧粘合劑系統(tǒng)和陶瓷粉混合物之間的兼容性。 選擇合適的分散劑種類和劑量水平對我們光固化陶瓷懸浮液的流變性能具有至關(guān)重要的影響。 在分散劑的吸收極限之上提高鏈尺寸會造成樹脂層塌陷，從而導(dǎo)致黏度增加或混合液的穩(wěn)定性降低。 因此，在設(shè)計(jì)懸浮液配方時，應(yīng)根據(jù)顆粒大小和固體含量確定合適的分散劑鏈尺寸。

問題：您近期對路博潤的Solsperse?超分散劑進(jìn)行了檢測。 檢測結(jié)果如何？

總體來看，Solsperse??超分散劑和我們的光固化（甲基）丙烯酸酯單體能讓多種陶瓷顆粒實(shí)現(xiàn)更高分散性能。 得益于路博潤的產(chǎn)品，我們可以提高各種陶瓷的濃度，生產(chǎn)出高度穩(wěn)定性和低黏度的陶瓷懸浮液（濃度高達(dá)60-65 vol.%）。 除了分散能力和流變性，配方懸浮液必須具有高度穩(wěn)定性（良好的同質(zhì)性），可在很長時間內(nèi)進(jìn)行使用和儲存。 與常見的傳統(tǒng)分散劑相比，路博潤的聚合分散劑為我們的長期3D打印操作提供高度穩(wěn)定性和可靠性。 我能夠確定，在我們的脫蠟和燒結(jié)工藝中，他們的純度高，灰分含量低。

下圖1說明部分Solsperse?超分散劑在高濃度（60 vol.%）硅土陶瓷懸浮液中的分散性能。 如圖1中所示，Solsperse??AC 1和?Solsperse??AC 2?產(chǎn)品適合用于小粒度材料的分散，能夠在最終成品中實(shí)現(xiàn)高密度和高純度。 相比之下，?Solsperse??AC3?和?Solsperse??AC4?適合用于大粒度、需要高孔隙度陶瓷材料的穩(wěn)定性控制，如陶瓷芯應(yīng)用中。 路博潤分散劑的各個配方都對我們的配方具有獨(dú)特影響，由此根據(jù)我們打印應(yīng)用中使用的陶瓷和粘合劑類型，實(shí)現(xiàn)需要的材料和組件屬性。 圖3和4說明路博潤產(chǎn)品如何分別影響我們60 vol.%濃度氧化鋁和氧化鋯懸浮液的黏度。 我們甚至可以從路博潤的產(chǎn)品系列中找到可以實(shí)現(xiàn)如65-66 vol.%等高固體濃度的分散劑產(chǎn)品。

圖1，?Solsperse???超分散劑對60 vol.%硅土懸浮液黏度的影響。
備注：對?Solsperse??AC超分散劑進(jìn)行重命名，以防止泄漏專屬信息。

圖2：硅土懸浮液在不同打印周期之間的流變性，在動態(tài)階段（刷涂），黏度恒定為200 s-1；在靜態(tài)階段（打印），黏度恒定為0 s-1。
備注：對?Solsperse??AC超分散劑進(jìn)行重命名，以防止泄漏專屬信息。

圖3，?Solsperse??超分散劑對60 vol.%氧化鋁懸浮液黏度的影響。
備注：對?Solsperse??AC超分散劑進(jìn)行重命名，以防止泄漏專屬信息。

圖4，?Solsperse??超分散劑對60 vol.%氧化鋯懸浮液黏度的影響。
備注：對?Solsperse??AC超分散劑進(jìn)行重命名，以防止泄漏專屬信息。

問：Solsperse? AC超分散劑與市面上的其他分散劑相比表現(xiàn)如何？ 他們能帶來哪些益處？

一般來說，市面上其他產(chǎn)品的分散能力不足以實(shí)現(xiàn)高固體濃度，在我們的配方中，他們至多只能實(shí)現(xiàn)50 vol.%。 但是，即使是這個固體濃度，我們用這些分散劑配制的懸浮液的黏度也要比用路博潤產(chǎn)品配制的黏度要高很多，這樣會在打印過程中產(chǎn)生較高的剝離力，導(dǎo)致最終成品組件出現(xiàn)裂紋和分層。 此外，我們使用其他分散劑產(chǎn)品配制的懸浮液，其非線性對固體濃度的提高增長明顯；固體濃度高于55 vol.%的懸浮液出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象，黏度也會隨著剪切率的提高而快速增加。 這種現(xiàn)象說明新鋪層不均勻，必須避免，尤其是在需要較高加工時間和精準(zhǔn)度的陶瓷打印應(yīng)用中。 在其他傳統(tǒng)產(chǎn)品中，我們還發(fā)現(xiàn)了粘彈性現(xiàn)象，懸浮液同時具有了黏性和彈性。 由于粘彈性現(xiàn)象，重涂刮刀形成新的一層后，分散層會出現(xiàn)收縮，導(dǎo)致組件變形或阻礙層之間的粘結(jié)（聚合層表面性能退化），這不是我們希望看到的。 圖5為我們針對我們的應(yīng)用而對路博潤產(chǎn)品和市面上的其他分散劑進(jìn)行的性能對比研究，顯示各產(chǎn)品對降低黏度、提升流變性和均質(zhì)性的益處以及高固體濃度能力。

圖5：AM-COE進(jìn)行的分散劑性能的對比研究。 說明路博潤產(chǎn)品與市面上的其他聚合分散劑的對比性能，熔凝硅土和硅酸鋯的陶瓷粉混合物濃度為45 vol.%。

問：您認(rèn)為先進(jìn)陶瓷的增材制造前景如何？

先進(jìn)陶瓷在航空航天和眾多其他領(lǐng)域的應(yīng)用猛增，以輕質(zhì)、耐用、可持續(xù)和耐高溫、耐熱沖擊和耐磨損等高性能屬性而成為備受青睞的材料選擇。 與聚合體或金屬增材制造相比，陶瓷3D打印相對冷門，多用于原型設(shè)計(jì)和研發(fā)目的。 但是，近年來，陶瓷增材制造已經(jīng)在航空航天、國防、牙科和醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。 這些行業(yè)也對生產(chǎn)系列小型零件感興趣。

這項(xiàng)技術(shù)如今越來越熱門，因?yàn)樗軌蛞暂^低成本制造出更加復(fù)雜的工具和組件。 在陶瓷行業(yè)中，注塑、熱等靜壓或擠出等常規(guī)技術(shù)具有很長的應(yīng)用歷史。 直至今天，這些技術(shù)的相關(guān)費(fèi)用仍然高昂，成品幾何形狀有限，生產(chǎn)周期長。 在金屬和聚合體等市場上，陶瓷增材制造應(yīng)運(yùn)而生。 盡管陶瓷3D打印應(yīng)用還有很多未知，尚屬一項(xiàng)年輕的技術(shù)，但10年預(yù)測顯示，陶瓷增材制造前景廣闊。 增材制造對于設(shè)計(jì)限制較少的預(yù)制件先進(jìn)陶瓷應(yīng)用的影響及其背后的科學(xué)，我們的探索相對較少，但對于整個制造業(yè)來說，卻是決定成敗的一個因素。