面向复杂精细结构陶瓷的可控陶瓷坯体3D打印技术

供稿人:曹继伟、鲁中良

复杂精细结构陶瓷零件往往由于陶瓷自身硬脆的特性，在脱脂、烧结过程中易在细小结构出现变形、开裂等现象。针对这一问题，新加坡国立大学研究课题采用直写成型首先实现钇稳定二氧化锆（YSZ）陶瓷微细结构成型；然后通过后二次成型工艺进行陶瓷坯体的宏观结构成型；最后在经过脱脂烧结工艺完成零件制造。最终通过这种先微细结构后宏观结构的成型方式，成功制造了复杂精细结构陶瓷零件，如图1所示。所制备陶瓷零件密度达到理论密度的99.0%以上且具有良好的机械刚性。

图1 复杂结构陶瓷零件的制造方法与工艺流程

在成型微细结构陶瓷坯体时，该技术以多元醇为塑化剂，并通过控制固相含量来调节直写浆料的剪切模量，进而可控制打印素坯的弹性模量，如图1a所示。当固相含量低于34.0 vol.%时，所成形陶瓷坯体为柔性体，其宏观结构保型能力较弱；当固相高于34.0vol.%时，所成形陶瓷坯体为弹性体，宏观结构保型能力较强。该研究团队针对这两种不同特性的陶瓷坯体，分别进行了不同的二次成型工艺。

对于刚性陶瓷坯体，采用自组装辅助成型工艺（Self Assembly-assisted Shaping，SAS）完成零件的宏观结构成型，如图2所示。在陶瓷坯体两端预设计-打印出接触点，然后通过这些接触点将坯体首尾拼合装配成型。再通过UV光辐射来引发坯体内有机物的聚合。待坯体内有机物完全固化后，加热完成零件脱脂与烧结工艺。

图2 弹性陶瓷坯体宏观结构成型方法

柔性陶瓷坯体其保型能力较差，研究课题通过模具辅助成型方法(Mold-Assisted Shaping，MAS)完成陶瓷零件宏观结构成型，如图3所示。将直写成型柔性陶瓷坯体置入陶瓷/树脂模具中，加压加热。待陶瓷坯体内塑化剂（多元醇）挥发殆尽后去除陶瓷/树脂模具。最终获得结构完整的复杂结构陶瓷零件。

图3 柔性陶瓷坯体宏观结构成型方法

通过最初的直写成型与后续柔/弹性陶瓷坯体的二次成型方法完成了陶瓷零件精细结构和复杂外形的成型。最终可实现低固相陶瓷坯体向高致密（99.0%）异形结构陶瓷零件的转变。此外，利用光固化陶瓷悬浮液优于水性陶瓷悬浮液的优点，可以实现多功能、多相复杂结构陶瓷的制备。该技术简单易行使其成为一种制备独特宏观结构陶瓷制品的方法，且丰富了目前最先进的陶瓷增材制造技术。

参考文献：
D. Zhang, E. Peng, R. Borayek, J. Ding. Controllable Ceramic Green‐Body Configuration for Complex Ceramic Architectures with Fine Features. Advanced Functional Materials. 2019, 29 (12): 1807082.

供稿人:曹继伟、鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室