北京航空航天大学：压电-气动微喷3D打印（PPMJ）技术，应用于高粘度压电陶瓷打印

导读：3D打印压电陶瓷由于制造工艺周期短、成本低、可以制造复杂形状或微结构等优势，受到众多领域的关注。尽管经过数十年的发展，高固含量的陶瓷3D打印始终受限于打印技术的发展，高粘度高固含量压电陶瓷材料增材制造的研究也一直是压电陶瓷3D打印研究的核心内容和重要前沿，也是难度最大、最具挑战性的课题之一。

南极熊获悉，2023年3月，为解决高粘度高固含量压电陶瓷打印问题，北京航空航天大学机械学院课题组联合清华材料学院及派和科技、君璟科技有限公司提出了一种压电-气动混合3D打印方法（PPMJ），基于100nm钛酸钡陶瓷粉末可以实现50vol%陶瓷浆料打印（其粘度高达383,135mPa·s），该研究题目为“Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry”的论文发表在《Additive Manufacturing》期刊上。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000829

压电陶瓷材料为声学、自供电传感器、生物医学设备和微电子领域的现代工程应用发展提供了基础。随着电子技术的革命和快速发展，由功能性压电材料组成的应用器件需要结构的多样性，使得3D打印压电陶瓷也在各个领域中发挥着至关重要的作用。

随着陶瓷颗粒直径的减小及固含量的增加，陶瓷浆料的粘度会大幅度增加，进而导致无法打印或打印性能差等一系列问题。北京航空航天大学机械系孙超超博士依托于清华大学材料学院及派和科技、君璟科技有限公司提出了压电-气动微喷3D打印技术，通过改善光固化陶瓷浆料，优化打印参数及烧结工艺，最终基于0.2mm亚毫米级喷嘴实现了50vol%高固含量陶瓷浆料的打印。基于该技术可以实现宽粘度范围的打印982–383,135mPs·s（固含量28—50vol%）。

△图1 PPMJ混合打印系统

该研究中，作者对比了三种典型树脂及四种常用分散剂的配方，通过比较每种浆料的流变特性，表明了每种分散剂针对不同树脂的分散能力。此外，通过电镜观测手段实现了对分散剂最佳含量的直观表征，为陶瓷浆料配方过程中分散剂最佳含量的确定奠定了基础。

△图2 分散剂种类对不同树脂基陶瓷浆料流变特性的的影响

△图3 分散剂含量对浆料流变性的影响

△图4 烧结样件的光学图像

此外，研究中通过对比PPMJ打印样件与传统干压样品发现该打印技术所打印件的样件性能与传统干压式相近，表明PPMJ可以用于低能量损失的压电陶瓷打印。且实验通过打印蜂窝状结构实现了复合材料的制备，所制备的压电-树脂复合材料具有较低的介电系数，该技术可以广泛应用在水听器制备及传感等领域。

△表 PPMJ打印技术与传统干压式对比

北京派和科技股份有限公司，是国内围绕“压电陶瓷＋”的高端工业产品开发平台，北京专精特新中小企业。其开发的点胶封装系统、Mini LED巨量转移系统、皮升级生物打印系统等部分产品已实现批量生产与应用。

广东君璟科技有限公司，是国内陶瓷3D打印领域的一匹黑马，依托清华、北航、北科、佛山新材料研究院等技术力量，重点打造陶瓷3D打印批量生产技术，与海内外知名企业合作，善长陶瓷配方及烧成制度、各类光固化3D打印设备开发，新一代精密喷涂、五轴联动、高精度直写等泛半导体设备等开发、生产与销售。