中國江南大學(xué)開發(fā)空中無支撐3D打印陶瓷技術(shù)，可制造復(fù)雜的工程部件

2023年5月15日，南極熊獲悉，中國江南大學(xué)在3D陶瓷打印領(lǐng)域取得重大突破，他們開發(fā)了一種無需支撐結(jié)構(gòu)即可在空中3D打印陶瓷的新技術(shù)。

△江南大學(xué)的最新3D打印技術(shù)研究，該技術(shù)能夠在沒有支撐的情況下曲線打印陶瓷，使其在空間中自由延伸

與傳統(tǒng)的陶瓷制造方法相比有何優(yōu)勢？

陶瓷在機(jī)械工程、電子和航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐磨性和耐高溫性而受青睞。然而，陶瓷的脆性和硬度使得制造復(fù)雜零件成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

這項(xiàng)新技術(shù)使用高溫激光，將陶瓷粉末逐層熔融成所需的形狀。與傳統(tǒng)的陶瓷制造方法相比，這種3D打印技術(shù)具有更高的精度和靈活性。

通過江南大學(xué)劉仁教授和他的團(tuán)隊(duì)，通過改進(jìn)的固化技術(shù)和新的漿料材料，提高了打印效率并消除了對支撐結(jié)構(gòu)的需求。

△陶瓷廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、電子和航空航天領(lǐng)域，但其脆性和硬度給制造帶來了挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的陶瓷3D打印通常需要使用額外的支撐結(jié)構(gòu)來防止未支撐部件的坍塌，這會影響打印效率并引發(fā)支撐結(jié)構(gòu)移除的問題。然而，利用這種新的印刷漿料和改進(jìn)的固化技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料的快速固化，而無需額外的支撐結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)新技術(shù)能夠瞬間固化直徑從0.41毫米到3.5毫米的多尺度細(xì)絲，并成功構(gòu)建了扭力彈簧和懸臂結(jié)構(gòu)等各種陶瓷結(jié)構(gòu)。新漿料是一種光敏陶瓷漿料，它在暴露于近紅外(NIR)光線下快速固化并增強(qiáng)強(qiáng)度。在一定的NIR輻射強(qiáng)度下，材料從噴嘴中擠出后可以立即保持其形狀。

△a.利用不同尺寸噴嘴，在近紅外光的幫助下原位固化長絲。 b.展示了使用近紅外光直寫（NIR-DIW）打印的懸臂細(xì)絲和扭簧結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像

江南大學(xué)解決無支撐結(jié)構(gòu)問題

這項(xiàng)研究成果于《自然通訊》期刊上發(fā)表，為陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性，提高了效率并改善了打印過程中的支撐結(jié)構(gòu)問題。這一創(chuàng)新將有助于推動陶瓷3D打印在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，并為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印提供了更高的靈活性和可行性。

劉教授在論文中說：“打印出的曲線可以在沒有支撐的情況下在空間中自由延伸。打印過程平穩(wěn)連續(xù)，不需要加熱或冷卻?！?br />

△這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，題目為“近紅外輔助直寫3D打印無支撐多尺度大跨度陶瓷”（傳送門）

在研究中，科學(xué)家們指出與常用的紫外線（UV）光相比，近紅外光（NIR）能夠獲得更好的效果。他們分別在近紅外光和紫外光下測試了漿料的固化深度，這是一種常用的衡量光穿透能力的指標(biāo)。

測試結(jié)果顯示，在紫外光下，經(jīng)過130秒的固化，深度可達(dá)到1.02毫米。然而，在近紅外光照射下，僅需3秒即可實(shí)現(xiàn)3.81毫米的固化深度，這意味著近紅外光能夠?qū)崿F(xiàn)更快速、高精度的打印。

△這些照片展示了使用有色陶瓷漿料和特定添加劑，通過不同噴嘴打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、離散梯度結(jié)構(gòu)、彈簧生坯和燒結(jié)彈簧

該團(tuán)隊(duì)表示，他們以每秒1毫米的速度打印了三維曲面結(jié)構(gòu)。即使在隨后的高溫?zé)Y(jié)或壓實(shí)成型過程中，所得的陶瓷材料仍能保持其形狀并保持穩(wěn)定。

新技術(shù)具有多種潛在的優(yōu)勢

在陶瓷結(jié)構(gòu)的多材料3D打印方面也存在挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌沾刹牧系墓夤袒匦钥赡軐?dǎo)致燒結(jié)過程中的翹曲、分層和裂紋。然而，該團(tuán)隊(duì)展示了使用添加劑如鐵紅、鉻綠或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯來打印混合陶瓷的能力，這有助于統(tǒng)一具有不同特性的陶瓷材料在燒結(jié)溫度方面的一致性。

劉教授在論文中表示：“這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵不僅是消除了典型打印過程中所需的支撐結(jié)構(gòu)，還帶來了許多其他優(yōu)勢，例如減少打印時間、材料使用和后處理工作量?！?br />

△這些圖像展示了使用不同噴嘴打印的懸垂六角棱柱、滑輪、獨(dú)立柱陣列、花形容器、涼亭和輪的結(jié)構(gòu)，并顯示了它們的生坯和燒結(jié)體。比例尺為5毫米

該論文指出，通過改進(jìn)墨水成分和打印參數(shù)，例如噴嘴直徑、擠壓壓力、移動速度和光強(qiáng)度，可以創(chuàng)造出分辨率更高、美感獨(dú)特的物體。

劉教授表示，這種新的3D打印技術(shù)有進(jìn)一步發(fā)展的潛力，可以在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下制造陶瓷形狀，進(jìn)而激發(fā)更多的創(chuàng)新，并使該技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。