中国江南大学开发空中无支撑3D打印陶瓷技术，可制造复杂的工程部件

2023年5月15日，南极熊获悉，中国江南大学在3D陶瓷打印领域取得重大突破，他们开发了一种无需支撑结构即可在空中3D打印陶瓷的新技术。

△江南大学的最新3D打印技术研究，该技术能够在没有支撑的情况下曲线打印陶瓷，使其在空间中自由延伸

与传统的陶瓷制造方法相比有何优势？

陶瓷在机械工程、电子和航空航天领域中广泛应用，因其结构稳定性、耐磨性和耐高温性而受青睐。然而，陶瓷的脆性和硬度使得制造复杂零件成为一项挑战。

这项新技术使用高温激光，将陶瓷粉末逐层熔融成所需的形状。与传统的陶瓷制造方法相比，这种3D打印技术具有更高的精度和灵活性。

通过江南大学刘仁教授和他的团队，通过改进的固化技术和新的浆料材料，提高了打印效率并消除了对支撑结构的需求。

△陶瓷广泛应用于机械工程、电子和航空航天领域，但其脆性和硬度给制造带来了挑战

传统的陶瓷3D打印通常需要使用额外的支撑结构来防止未支撑部件的坍塌，这会影响打印效率并引发支撑结构移除的问题。然而，利用这种新的印刷浆料和改进的固化技术，团队成功地实现了陶瓷材料的快速固化，而无需额外的支撑结构。

这项新技术能够瞬间固化直径从0.41毫米到3.5毫米的多尺度细丝，并成功构建了扭力弹簧和悬臂结构等各种陶瓷结构。新浆料是一种光敏陶瓷浆料，它在暴露于近红外(NIR)光线下快速固化并增强强度。在一定的NIR辐射强度下，材料从喷嘴中挤出后可以立即保持其形状。

△a.利用不同尺寸喷嘴，在近红外光的帮助下原位固化长丝。 b.展示了使用近红外光直写（NIR-DIW）打印的悬臂细丝和扭簧结构的光学图像

江南大学解决无支撑结构问题

这项研究成果于《自然通讯》期刊上发表，为陶瓷3D打印技术的发展提供了新的可能性，提高了效率并改善了打印过程中的支撑结构问题。这一创新将有助于推动陶瓷3D打印在制造领域的应用，并为复杂结构的打印提供了更高的灵活性和可行性。

刘教授在论文中说：“打印出的曲线可以在没有支撑的情况下在空间中自由延伸。打印过程平稳连续，不需要加热或冷却。”

△这项研究成果已发表在《自然通讯》期刊上，题目为“近红外辅助直写3D打印无支撑多尺度大跨度陶瓷”（传送门）

在研究中，科学家们指出与常用的紫外线（UV）光相比，近红外光（NIR）能够获得更好的效果。他们分别在近红外光和紫外光下测试了浆料的固化深度，这是一种常用的衡量光穿透能力的指标。

测试结果显示，在紫外光下，经过130秒的固化，深度可达到1.02毫米。然而，在近红外光照射下，仅需3秒即可实现3.81毫米的固化深度，这意味着近红外光能够实现更快速、高精度的打印。

△这些照片展示了使用有色陶瓷浆料和特定添加剂，通过不同喷嘴打印的网格结构、离散梯度结构、弹簧生坯和烧结弹簧

该团队表示，他们以每秒1毫米的速度打印了三维曲面结构。即使在随后的高温烧结或压实成型过程中，所得的陶瓷材料仍能保持其形状并保持稳定。

新技术具有多种潜在的优势

在陶瓷结构的多材料3D打印方面也存在挑战，因为不同陶瓷材料的光固化特性可能导致烧结过程中的翘曲、分层和裂纹。然而，该团队展示了使用添加剂如铁红、铬绿或氧化钇稳定的氧化锆来打印混合陶瓷的能力，这有助于统一具有不同特性的陶瓷材料在烧结温度方面的一致性。

刘教授在论文中表示：“这项技术的关键不仅是消除了典型打印过程中所需的支撑结构，还带来了许多其他优势，例如减少打印时间、材料使用和后处理工作量。”

△这些图像展示了使用不同喷嘴打印的悬垂六角棱柱、滑轮、独立柱阵列、花形容器、凉亭和轮的结构，并显示了它们的生坯和烧结体。比例尺为5毫米

该论文指出，通过改进墨水成分和打印参数，例如喷嘴直径、挤压压力、移动速度和光强度，可以创造出分辨率更高、美感独特的物体。

刘教授表示，这种新的3D打印技术有进一步发展的潜力，可以在没有支撑结构的情况下制造陶瓷形状，进而激发更多的创新，并使该技术得到更广泛的应用。