江南大學科研團隊實現多尺度、大跨度陶瓷無支撐3D打��！

來源：江南大學 微信號：jnu-1958

2023年10月，江南大學劉仁教授團隊通過結合直接墨水書寫和近紅外誘導的上轉換粒子輔助光聚合，實現了多尺度和大跨度陶瓷的無支撐3D打印。如同“神筆馬良”的神奇畫筆，絲滑且快速地“畫”出陶瓷材料！

陶瓷具有結構穩(wěn)定、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，被廣泛應用于機械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學等領域。然而，陶瓷材料具有較強的硬度和脆性，采用傳統的成型工藝，無法快速、精密地制備出形狀復雜的陶瓷部件。增材制造技術的出現，為獲得具有綜合結構和功能的復雜陶瓷提供了一種高效、便捷的方法。當3D打印具有低角度和大跨度結構的構件時，通常會使用額外的支撐結構來避免懸空部分的坍塌。這種額外的支撐不僅影響了打印效率，而且會影響制造良率。目前發(fā)展迅速的光固化3D 打印技術速度快、精度高且可實現無支撐打印，但紫外光在陶瓷漿料中穿透性較弱，限制了該打印技術在陶瓷材料增材制造中的廣泛應用。

圖 紫外光與近紅外光的固化深度

針對上述問題，劉仁教授團隊構建了一種利用近紅外光聚合實現漿料原位固化的陶瓷 3D 打印新方法。利用穿透性更強的近紅外光，在打印過程中激發(fā)陶瓷漿料所含的光引發(fā)體系產生自由基，實現其原位固化。在固化速率可控的條件下，實現無支撐、多尺度、大跨度的復雜陶瓷材料的按需打印。

圖 NIR-DIW的打印效率

圖 打印無支撐的3D物體

該技術通過墨水直寫和近紅外光聚合技術的結合，實現了多尺度、大跨度陶瓷的無支撐3D打印。就像傳統神話 “神筆馬良”中的神奇畫筆，能夠實現多尺度長絲（直徑從410微米到3.50毫米）的原位固化，并通過無支撐打印成功繪制出扭轉彈簧、三維彎曲和懸臂梁的陶瓷結構。無支撐的打印技術充分實現了3D打印“所想即所得” 的優(yōu)勢，同時減少了打印時間、材料使用和后處理工作量。

圖 多材料陶瓷的打印

劉仁教授簡介

劉仁，1980年12月生，博士，教授，博士生導師。江南大學化學與材料工程學院院長，全國涂料和顏料標準化技術委員會委員，集成電路材料產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟監(jiān)事，《涂料工業(yè)》、《中國涂料》、《影像科學與光化學》編委。2011年3月于江南大學獲博士學位，曾在美國北達科他州立大學和香港中文大學開展訪問研究。主要開展環(huán)保涂料、微電子化學品、復合材料和增材制造領域光聚合基礎及應用技術研究，主持并完成國家自然科學基金、科技重大專項子課題、江蘇省重點研發(fā)計劃項目及企業(yè)委托課題20余項，研究成果先后獲得中國專利優(yōu)秀獎、教育部科技進步二等獎、江蘇省科技進步二等獎和中國感光學會青年科技獎等。入選國家級領軍人才、江蘇省333工程高層次人才培養(yǎng)工程和江蘇省青藍工程中青年學術帶頭人，獲《涂料工業(yè)》創(chuàng)刊60周年“行業(yè)杰出人物”榮譽稱號。

小黿提問

這項技術未來可以用于哪些場合呢？

教授解答

本技術為陶瓷3D打印提供了一種新的解決方案，這種無支撐快速打印一方面有望優(yōu)化部分成熟應用的陶瓷制品制造技術；另一方面有望助推機械、飾品、生物醫(yī)學等領域用特殊結構陶瓷材料的創(chuàng)新應用。

小黿提問

在視頻里這個藍色的光點是啥？

教授解答

因為近紅外光是肉眼看不到的，所看到的光點是漿料中的上轉換粒子在近紅外光照射下激發(fā)出的紫外-可見光。在980 nm近紅外光激發(fā)下，所用的上轉換粒子在紫外區(qū)域具有位于345 nm及362 nm的兩個特征發(fā)射峰，在可見光區(qū)具有451 nm和476 nm的特征發(fā)射峰。

小黿提問

實際情況下，這個陶瓷材料打印的速度真的就和我們做蛋糕擠奶油那么絲滑和快速嗎？（視頻有沒有加速？）

教授解答

視頻是5倍速的。本技術的陶瓷材料打印是可以和做蛋糕擠奶油那樣絲滑和快速的。打印的全程不需要加熱或冷卻，因此能夠流暢連續(xù)地工作。

由于打印的時間和空間都是可以控制的，因此能以較快的速度制造復雜的結構組件。要實現打印速度和固化程度之間的平衡，是整個研究過程中挑戰(zhàn)性最大的環(huán)節(jié)。漿料的最大打印速度和打印參數密切相關，如噴嘴直徑、擠出壓力、打印程序、輻照光強等；也可以調節(jié)漿料成分，如光引發(fā)體系的組成、用量等。

小黿提問

這個陶瓷材料就是我們熟知的陶瓷嗎？

教授解答

并非我們日常生活中常見的盆、盤、碗、碟之類的日用瓷或青花、五彩之類的藝術瓷，而是具有高強度、高硬度、耐磨損、耐高溫、耐化學腐蝕等優(yōu)異性能的先進陶瓷材料，目前先進陶瓷材料在機械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學等領域都有重要應用。

小黿提問

從實驗室走出來大概還要哪幾步呢？

教授解答

目前僅建立了一種新的光固化陶瓷3D打印技術。要實現產業(yè)應用，一方面要優(yōu)化打印裝置、光源匹配系統和控制軟件，以進一步提升固化效率、打印效果和穩(wěn)定性。另一方面，則需根據具體應用場景下的陶瓷性能要求，開發(fā)相應的陶瓷漿料。

小黿提問

這項技術解決了目前陶瓷材料的哪些問題呢？

教授解答

NIR-DIW的無支撐打印技術實現了高固含量陶瓷漿料的快速原位固化，為陶瓷3D打印提供了更高的設計和制造自由度，同時也降低了陶瓷的燒結收縮率。

NIR-DIW的無支撐增材制造技術，為陶瓷增材制造設計提供了更高的自由度。這項技術的關鍵不僅在于消除了典型打印過程中所需要的支撐，而且還具有許多其他優(yōu)勢，如減少打印時間、材料用量和后處理工作。相信NIR-DIW方法將被進一步擴展，在沒有支持的情況下制造的陶瓷幾何形狀將有助于產生更多的創(chuàng)新和更廣泛的應用。