使用数字光处理、连续供膜和可回收浆料系统优化氧化锆3D打印

供稿人:马伟刚，连芩 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 　


氧化锆陶瓷在生物医学应用领域具有独特的性能。它们对菌斑亲和力低，限制炎症浸润，并提供良好的软组织整合。立体光刻技术（SLA）可以利用计算机辅助设计（CAD）模型逐层制造复杂的陶瓷零件。传统的SLA系统使用一个装有高固体含量陶瓷浆料的大桶，这对陶瓷来说造成了一些限制和操作困难，并且主要由于印刷残留物的存在及其高粘度，使其无法回收。

基于以上不足，韩国国立首尔大学牙科学院和牙科研究所口腔修复学系搭建了一套新的系统，即具有连续供膜（CFS）系统与流延式数字光处理（DLP）的集成打印设备。

图1 3D打印过程中带数字光处理的连续供膜系统示意图

如上图所示，它主要由一个涂有硅酮材料的透明疏水胶带输送机组成，该胶带输送机从一个辊子移动到另一个辊子，穿过一个带有双刮刀的浇铸头、一个构建平台和一个回收刀片。通过物理控制双刮刀和轧制速度进而来控制涂层厚度。DLP中安装的投影仪有一个LED光源，在405 nm的峰值波长下，最大辐照度为5.19 mW/cm2。

利用该设备，研究人员打印了固相含量为45vol%的氧化锆陶瓷样品，对使用的氧化锆陶瓷浆料进行了表征，并对其进行了处理，以完成整个打印流程。对粘度、膜厚、浆料回收效率、热重分析、收缩率、密度和显微硬度进行评估，以评估印刷系统的性能。

图2 氧化锆陶瓷浆料粘度随温度和剪切速率变化图

如图2所示，研究人员测量了不同温度以及不同剪切速率下的粘度，发现随着温度的增高，粘度逐渐下降，同时随着剪切速率的增高，粘度也呈现出下降趋势。在50℃下，当剪切速率从3s-1上升到160s-1时，粘度从12.26Pa∙s下降到0.96Pa∙s，粘度在合适的范围内。

通过对其它各方面性能的测量评估，发现该设备成功制备了微结构均匀的陶瓷制品，其相对密度为99.02%±0.08%，平均晶粒尺寸为644±20 nm。陶瓷制品的显微硬度值为12.59±0.47 GPa。此外，具有CFS的DLP可以有效地回收和再利用浆料，为至少两次回收提供一致的密度，使其成为制造致密陶瓷产品的传统加工技术的竞争替代品。

参考文献：WA Sarwar、JH Kang、HI Yoon，优化氧化锆 3D 打印，使用具有连续薄膜供应和可回收浆料系统的数字光处理，材料 14(13) (2021)。