增材制造或3D打印目前在陶瓷制造業中用于替代傳統成型工藝。目前，在所有不同的可用技術中，我們重點關注光聚合固化和相關陶瓷配方。

首先，陶瓷粉末均勻地分散在可光固化的有機粘合劑系統中。 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。 致密材料結構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現這一點。 分散劑不僅有助于實現最終機械強度，還能在打印過程中發揮關鍵作用。 分散劑用于潤濕細粉并將其分散到光固化樹脂中，也可用于進行流變控制。 分散劑有助于降低黏度，減少結塊，從而實現窄粒度分布。

路博潤在Solsperse? AC超分散劑品牌下開發分散劑技術，該品牌在先進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）的科學家，?Baschar Ozkan博士對話?的整理文稿。AM-COE一直用??Solsperse AC分散劑開發用于陶瓷立體光刻的新陶瓷配方。

問：您能不能跟我們詳細說說AM-COE和您正在進行的項目？

AM-COE旨在提升高價值制造業中光聚合固化3D打印工藝的使用率，在這些行業中，復雜幾何形狀、先進材料、可持續性和耐久性、設計和性能以及理念到生產的周期時間是行業驅動和賦能因素。 AM-COE具有高端研究設施和先進制造能力，為不同應用提供材料設計和油墨開發服務，為金屬和陶瓷制造的批量化生產和研究提供眾多高端和實惠型DLP 3D打印機，還提供眾多專業服務，包括3D打印陶瓷、金屬和聚合物，計量和表面測量，X光和NDT服務，材料表征以及工程/設計服務。 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商，距英格蘭眾多大型城市、制造中心和機場不到三小時路程。

我們可以配制、3D打印、脫脂、熔結和浸漬大多數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。 我們主要進行商用規格和品質的內部及復合陶瓷芯的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務之一。 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定度的航空航天和IGT應用。

我是一位3D打印科學家，專業是技術性和高溫陶瓷。 我的主要工作是對用于航空航天、醫療、能源、汽車和油氣等應用和領域的高濃度光固化陶瓷懸浮液進行材料開發。 在AM-COE，我還負責設計陶瓷組件的整個制造工藝，包括打印前和打印后優化，項目開發和批量制造設置等。 我也很期待即將開始對3D打印電池進行的工作。

問：在增材制造陶瓷配方的時候，您選擇分散劑的標準是什么？

一般來說，我們的目標是在陶瓷懸浮液中實現至少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用，在黏度和固體濃度之間達到合適的平衡通常更加具有挑戰性。 一方面，固體顆粒的更高體積率對減少回縮和實現更高密度（即燒結之后的機械強度）必不可少。 另一方面，較高固體含量又會嚴重影響混合液的黏度和打印工藝本身。 固體含量過高會導致固體物質的離析，增加打印時間，打印體表面容易出現凸堆，剝離力高，從而導致組件出現裂縫。 我們應用中的陶瓷懸浮液必須具有高度流動性、均勻、穩定、同質化，可促進打印層的自流平和重新涂覆（即樹脂的黏度應該盡可能低，最好低于5000mPa·s，沒有明顯的屈服點，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合物。 我們大部分應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）丙烯酸酯或環氧粘合劑系統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，從而導致黏度增加或混合液的穩定性降低。 因此，在設計懸浮液配方時，應根據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?超分散劑進行了檢測。 檢測結果如何？

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現更高分散性能。 得益于路博潤的產品，我們可以提高各種陶瓷的濃度，生產出高度穩定性和低黏度的陶瓷懸浮液（濃度高達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定性（良好的同質性），可在很長時間內進行使用和儲存。 與常見的傳統分散劑相比，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定性和可靠性。 我能夠確定，在我們的脫蠟和燒結工藝中，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?產品適合用于小粒度材料的分散，能夠在最終成品中實現高密度和高純度。 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定性控制，如陶瓷芯應用中。 路博潤分散劑的各個配方都對我們的配方具有獨特影響，由此根據我們打印應用中使用的陶瓷和粘合劑類型，實現需要的材料和組件屬性。 圖3和4說明路博潤產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品系列中找到可以實現如65-66 vol.%等高固體濃度的分散劑產品。

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，在動態階段（刷涂），黏度恒定為200 s-1；在靜態階段（打印），黏度恒定為0 s-1。
備注：對?Solsperse??AC超分散劑進行重命名，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如何？ 他們能帶來哪些益處？

一般來說，市面上其他產品的分散能力不足以實現高固體濃度，在我們的配方中，他們至多只能實現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品配制的黏度要高很多，這樣會在打印過程中產生較高的剝離力，導致最終成品組件出現裂紋和分層。 此外，我們使用其他分散劑產品配制的懸浮液，其非線性對固體濃度的提高增長明顯；固體濃度高于55 vol.%的懸浮液出現剪切增稠現象，黏度也會隨著剪切率的提高而快速增加。 這種現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度的陶瓷打印應用中。 在其他傳統產品中，我們還發現了粘彈性現象，懸浮液同時具有了黏性和彈性。 由于粘彈性現象，重涂刮刀形成新的一層后，分散層會出現收縮，導致組件變形或阻礙層之間的粘結（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用而對路博潤產品和市面上的其他分散劑進行的性能對比研究，顯示各產品對降低黏度、提升流變性和均質性的益處以及高固體濃度能力。

圖5：AM-COE進行的分散劑性能的對比研究。 說明路博潤產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：您認為先進陶瓷的增材制造前景如何？

先進陶瓷在航空航天和眾多其他領域的應用猛增，以輕質、耐用、可持續和耐高溫、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，多用于原型設計和研發目的。 但是，近年來，陶瓷增材制造已經在航空航天、國防、牙科和醫療領域獲得廣泛關注。 這些行業也對生產系列小型零件感興趣。

這項技術如今越來越熱門，因為它能夠以較低成本制造出更加復雜的工具和組件。 在陶瓷行業中，注塑、熱等靜壓或擠出等常規技術具有很長的應用歷史。 直至今天，這些技術的相關費用仍然高昂，成品幾何形狀有限，生產周期長。 在金屬和聚合體等市場上，陶瓷增材制造應運而生。 盡管陶瓷3D打印應用還有很多未知，尚屬一項年輕的技術，但10年預測顯示，陶瓷增材制造前景廣闊。 增材制造對于設計限制較少的預制件先進陶瓷應用的影響及其背后的科學，我們的探索相對較少，但對于整個制造業來說，卻是決定成敗的一個因素。