研究人员大幅减少了玻璃和陶瓷3D打印所需的时间

3D打印快讯
2020
07/02
09:07
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来源:江苏激光联盟

导读:通过立体光刻技术(一种3D打印)制造复杂的陶瓷或玻璃结构的,长期以来受到工艺后端时间长度的限制,这可能长达两天。现在,一项新技术将这一时间减少到不到五个小时。该课题组于5月20日在Communications Materials上发表了他们的发现。

立体光刻技术通过CAD文件从悬浮在液体中的粉末中中打印出物体。将激光照射到液体和粉末悬浮液(称为胶体)中,可以从这种液体中逐层构建物体。(例如,牛奶也是一种胶体,但它是由悬浮在水中的乳脂制成的)

激光使对光敏感的一些粒子结合在一起或“交联”,并形成由嵌入聚合物(分子的长链)中的粒子构成的层,这种硬化过程称为“固化”。实际上,激光在液体悬浮液中“书写”了层,并且这些层彼此打印出来,形成了由粘合剂和粉末组成的3D物体。陶瓷或玻璃立体光刻技术有可能制造出以前无法实现的,具有更精确,更复杂的几何形状的零件,包括空心物体或具有复杂的内部结构的零件,这些零件可以减轻重量并保持强度。陶瓷和玻璃设计的这种复杂性提供了许多新的生物医学,结构和能源方面的应用。

光固化悬浮液已经引起了广泛的研究关注,因为它对于通过增材制造(例如数字光处理、于激光的立体光刻、掩模投影立体光刻、封闭式投影立体光刻和紫外线辅助直接写入)、原位固化,减材制造,三维微模板复制,纤维生产和停流光刻来设计复杂结构的陶瓷和玻璃部件是不可缺少的。到目前为止,已经设计了各种光固化悬浮液。虽然最简单的方法用光自由基引发剂将无机微粒直接分散在光固化单体中许多研究也集中于含有溶剂的多组分混合物,以控制悬浮液粘度并且以受控的方式在光固化生坯中形成有利于脱粘聚合物的孔隙。然而,这些都需要经历非常缓慢和复杂的脱脂/烧结过程以避免由于悬浮体中单体引起的大量气泡而导致的裂缝形成/结构坍塌。例如,用传统的可光固化SiO2悬浮液制成的SiO2生坯零件的脱脂和烧结过程可能需要48小时,这不利于提高制造效率。与光固化悬浮液一样,光固化陶瓷聚合物的使用也是陶瓷/玻璃零件三维结构化的有效途径。

研究人员提出的光固化悬浮液这个新概念,该悬浮液仅需要少量的有机添加剂即可使获得的光固化生坯快速脱脂和烧结。与传统方法完全不同,研究人员提出的方法是通过少量单体在稳定的非水悬浮液中进行光引发的粒子间网络形成反应(如下图)。

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粒子间光可交联悬浮液通过快速加热剖面实现透明二氧化硅玻璃组件的3D结构化。图片来源:横滨国立大学

为了证明他们的配方概念,研究人员想要制造透明玻璃。这种特殊的胶体配方采用经过聚乙烯亚胺(一种聚合物)和油酸(许多动物和植物脂肪或油中都存在的一种脂肪酸)改性的二氧化硅颗粒。然后将这些颗粒与光引发剂(一种对光敏感并引发固化的配方成分)一起在醇基溶剂中混合,并引发固化。

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掺有(a)Cu, (b)Eu和(c)Ce金属离子的荧光玻璃在室内光和紫外灯下拍摄的照片((a)和(b)为365 nm, (c)为254 nm)

至关重要的是,与传统的玻璃和陶瓷立体平版印刷相比,该配方还允许比正常量少的单体(可进行交联的颗粒),并鼓励其他颗粒进行更多的交联。通常,大量单体需要缓慢的脱脂和烧结过程,因为单体的快速燃烧会产生威胁物体结构的气体。通过在胶体中仅使用少量的单体,研究人员成功地获得了脱脂和烧结时间缩短到不到五个小时。

原文链接:DOI:10.1038/s 33246-020-0029-y

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