陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定和輕質(zhì)(低密度)等突出的優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、電子、能源、國防等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的陶瓷成型技術(shù)面臨加工困難(尤其是復(fù)雜幾何形狀結(jié)構(gòu)成型更為困難)、制造周期長、生產(chǎn)成本高等不足和局限性，制約陶瓷零件更廣泛的應(yīng)用。近年來出現(xiàn)的陶瓷3D打印技術(shù)為該問題提供了一種全新的解決方案，陶瓷3D打印具有以下顯著優(yōu)勢:(1) 無需原坯和模具，生產(chǎn)周期短，制造成本低；(2) 制造精度高；(3) 可實(shí)現(xiàn)幾乎任意形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型，突破了傳統(tǒng)工藝制造幾何形狀的約束；(4) 適合個(gè)性化定制和單件小批量生產(chǎn)；(5) 打印材料種類廣泛，諸如氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣、碳化硅、碳硅化鈦、陶瓷前驅(qū)體、陶瓷基復(fù)合材料等。此外,在微小零件3D打印、陶瓷/金屬復(fù)合材料和功能梯度材料方面，以及材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化打印方面還具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)開發(fā)的陶瓷3D打印工藝有十多種，主要包括：立體光固化成型(SLA)、數(shù)字光處理(DLP)或者面曝光成型、選擇性激光燒結(jié)成型、黏結(jié)劑噴射成型、陶瓷熔化沉積成型(fused deposition of ceramics, FDC)、疊層實(shí)體制造、陶瓷墨水噴射打印成型、陶瓷漿料(擠出)直寫成型等。經(jīng)過多年的發(fā)展，盡管陶瓷3D打印已經(jīng)取得巨大的進(jìn)展和突破，但是現(xiàn)有的各種陶瓷3D打印技術(shù)仍然面臨以下挑戰(zhàn)性難題：打印效率低；逐層打印致使成型零件存在各向異性，導(dǎo)致后續(xù)燒結(jié)過程中易于出現(xiàn)裂紋、變形等缺陷，嚴(yán)重影響打印件的質(zhì)量、良率和精度。針對傳統(tǒng)陶瓷3D打印存在打印效率低和成型件具有各向異性的不足和局限性，青島理工大學(xué)青島市3D打印工程研究中心蘭紅波、張廣明等人提出一種連續(xù)面曝光陶瓷3D打印新工藝，通過采用自主研發(fā)的復(fù)合富氧膜并結(jié)合配制的樹脂基陶瓷漿料實(shí)現(xiàn)陶瓷素坯件的連續(xù)打印。連續(xù)面曝光陶瓷3D打印新工藝，引入一種復(fù)合富氧膜并結(jié)合特殊配制的樹脂基陶瓷漿料實(shí)現(xiàn)陶瓷素坯件的連續(xù)打印，整個(gè)打印系統(tǒng)主要包括的功能模塊：數(shù)字光處理模塊、儲料槽、復(fù)合富氧膜、陶瓷漿料、成型零件、打印平臺等。圖1 連續(xù)面曝光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置. (a) 連續(xù)面曝光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置; (b) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置主要結(jié)構(gòu); (c) 控制模塊; (d) 儲料槽其成型原理圖2所示是利用陶瓷漿料中的丙烯酸光敏樹脂的氧阻聚效應(yīng)。由于氧阻聚效應(yīng)，進(jìn)入儲料槽的氧氣會抑制復(fù)合富氧膜頂部一定厚度內(nèi)的陶瓷漿料的固化反應(yīng)，從而形成幾十微米的“死區(qū)”(dead zone)。同時(shí)，數(shù)字光處理模塊發(fā)出的紫外光能固化“死區(qū)”上方的陶瓷漿料。由于已經(jīng)固化的陶瓷部件與固定在儲料槽底壁復(fù)合富氧膜的離型膜PDMS沒有發(fā)生黏附，所以打印時(shí)無需緩慢剝離，從而能實(shí)現(xiàn)陶瓷零件的連續(xù)打印成型。復(fù)合富氧膜是一種由多孔支撐層和富氧離型層組成的雙層復(fù)合薄膜，多孔支撐層采用含有微孔的高透光PET膜，富氧離型層采用二甲基硅氧烷 (PDMS)，復(fù)合富氧膜不但具有高度透氧和透紫外光的特性，而且具有優(yōu)良的離型(低表面能)、抗拉伸、耐候性等物化性能。圖3 PET膜孔徑大小對成型精度的影響. (a) 不同孔徑下對打印精度影響的示意圖; (b) 不同孔徑下實(shí)際成型素坯件.對于相同厚度的離型層,多孔支撐層PET的平均孔徑越大,其透氧量越高,進(jìn)而導(dǎo)致“死區(qū)”厚度的增加,更多的陶瓷粉使得投影入射光線的散射現(xiàn)象更加嚴(yán)重,導(dǎo)致實(shí)際固化區(qū)域與理論固化區(qū)域的差值增大,降低了整體的打印精度.平均孔徑為0.22 μm的 PET多孔膜更適合作為復(fù)合富氧膜的支撐層,可確保素坯件的整體打印精度.
連續(xù)面曝光陶瓷3D打印的工藝流程較為復(fù)雜，涉及的工藝步驟和工序較多，完整工藝流程如圖4所示。首先進(jìn)行模型缺陷檢查，然后加支撐和模型分層，最后將模型切片數(shù)據(jù)編輯成連續(xù)投影圖像傳輸?shù)綌?shù)字光處理模塊；將表面改性后的陶瓷粉和預(yù)混液配制成陶瓷漿料(各組分確保均勻混合，避免陶瓷材料團(tuán)聚、光敏樹脂與陶瓷材料密度不同導(dǎo)致分層)；基本流程是Z向工作臺帶動(dòng)成型平臺浸入到陶瓷漿料中，使成型平臺與成型窗口的復(fù)合膜保持設(shè)定距離(“死區(qū)”的厚度)；Z向工作臺以設(shè)定的打印速度(優(yōu)化出的工藝參數(shù))連續(xù)提升，同時(shí)數(shù)字光處理模塊連續(xù)播放分層的數(shù)據(jù)信息，光源系統(tǒng)產(chǎn)生的紫外光投射到陶瓷漿料上，成型平臺在Z向工作臺的提拉下將已固化部分從漿料中拉起，陶瓷漿料持續(xù)填充已固化區(qū)域，整個(gè)過程連續(xù)無間斷，直至整個(gè)模型打印完成；從打印平臺取下成型件，將素坯件進(jìn)行清洗和烘干處理；根據(jù)陶瓷漿料組分、固相含量的不同，采用優(yōu)化出的脫脂燒結(jié)工藝路線和參數(shù)(燒結(jié)溫度、時(shí)間曲線)，首先脫脂，然后在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)處理，完全去除陶瓷件中的有機(jī)成分，獲得最終的陶瓷打印件。其中模型數(shù)據(jù)處理和陶瓷漿料配置屬于打印前處理模塊，清洗、脫脂、燒結(jié)等屬于打印后處理模塊。3、連續(xù)面曝光陶瓷3D打印技術(shù)案例研究團(tuán)隊(duì)利用連續(xù)面曝光陶瓷3D打印技術(shù)，并結(jié)合優(yōu)化工藝參數(shù)，打印了鏤空陶瓷件、薄壁陶瓷件。
圖5?基于連續(xù)面曝光陶瓷3D打印制造的鏤空陶瓷零件(脫脂燒結(jié)后). (a) 兩種不同鏤空零件; (b) 鏤空零件局部放大圖以樹脂基氧化鋯陶瓷漿料作為打印材料，氧化鋯陶瓷漿料固相含量為50 vol%，其中陶瓷粉的平均粒徑為5 μm。成型窗口復(fù)合富氧膜的支撐層采用平均孔徑為0.22 μm 且厚度為10 μm的PET微孔膜，離型層為厚度為50 μm 的PDMS。打印速度設(shè)為80 mm/h。連續(xù)面曝光陶瓷3D打印制造的素坯件經(jīng)過脫脂燒結(jié)后得到的陶瓷零件如圖5(a)所示。實(shí)驗(yàn)打印結(jié)果顯示：制件沒有開裂和裂紋等缺陷，表面質(zhì)量和尺寸精度高，體積收縮率約為 24%。通過顯微放大圖可以看出表面連續(xù)性較好，即未出現(xiàn)臺階現(xiàn)象，也未出現(xiàn)表面裂紋和較大孔隙。圖6 基于連續(xù)面曝光陶瓷3D打印制造的薄壁零件. (a) 簡單薄壁結(jié)構(gòu)的陶瓷件; (b) 小型葉輪的素坯件和陶瓷件
薄壁陶瓷件的制造是陶瓷3D打印的難點(diǎn)，成型窗口復(fù)合富氧膜參數(shù)與鏤空陶瓷件案例相同，采用的氧化鋯陶瓷漿料固相含量為40 vol%，打印速度設(shè)為100 mm/h。降低陶瓷漿料的固相含量有助于增加其流動(dòng)性，提高填充速度。首先打印了一些結(jié)構(gòu)較為簡單的中空薄壁件，并進(jìn)行了脫脂和燒結(jié)，如圖6(a)所示，成型效果較好，未出現(xiàn)瑕疵。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的小型葉輪的打印，打印的素坯件和脫脂燒結(jié)后得到對應(yīng)陶瓷件，如圖6(b)所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：所制造的陶瓷零件表面質(zhì)量好，沒有出現(xiàn)開裂和裂紋等缺陷。來源：王赫, 蘭紅波, 錢壘, 等. 連續(xù)面曝光陶瓷3D打印. 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2019, 49: 681–689.doi: 10.1360/N092018-00338原文始發(fā)于微信公眾號（陶瓷科技視野）：連續(xù)面曝光陶瓷 3D 打印新工藝
