DLP光固化陶瓷3D打印高精度致密氧化锆
DLP光固化陶瓷3D打印高精度致密氧化锆
行业新知
数字光处理 (DLP) 3D 打印是一种经济高效且精确的氧化锆陶瓷生产技术，但在实际应用中通常会受到耗时的脱脂工艺的阻碍。近日，嘉兴大学谢宝军教授团队在《Journal of the European Ceramic Society》发表了题为《Hydrogel-based DLP 3D printing of dense zirconia ceramics》的研究，开发了一种高固体含量的氧化锆悬浮液，结合水凝胶前驱体和多功能交联剂，使用DLP光固化3D打印出高精度和高致密的氧化锆陶瓷部件。
研究背景
氧化锆（ZrO₂）陶瓷因其高韧性、化学稳定性和耐磨性，在电子和医疗等行业中得到广泛应用。然而，传统的干湿压和模具成型方法在生产复杂形状时存在局限性。数字光处理（DLP）技术为克服这些限制提供了新的解决方案，尤其在提高分辨率和表面质量方面具有显著潜力。
DLP技术通过紫外线投射整层材料进行固化，具有更高的生产速度和精度。然而，氧化锆陶瓷悬浮液的流变性和粘度问题，尤其是在使用高粉末负载时，限制了其在陶瓷3D打印中的加工性和精度。此外，脱脂过程复杂且时间较长，影响了生产效率。
研究方法
为此，本研究开发了一种基于水凝胶的DLP 3D打印工艺，采用高固体含量的光敏悬浮液，利用水溶性聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为主要粘合剂，优化了悬浮液的流变性和固化特性，从而提高了打印精度和脱脂效率。
以下是文章的研究方法及数据：
图1：悬浮液配方所用材料的化学结构
图2：(a) 示意图、(b) 3D 绘图和 (c) DLP 3D 打印机的内部结构。(d) 悬浮层暴露于 DLP UV 图像。
图3：水凝胶基 ZrO₂悬浮液的典型成分
图4：(a) ZrO₂悬浮液的流变曲线。（a）表观粘度（η app ）随水和剪切速率变化而变化，（b）剪切模量（G' ）随水和剪切应力（τ ）变化而变化。
图5：( a)不同光能下ZrO₂悬浮液的固化深度。(b) 穿透深度 ( D p ) 和临界曝光能量 ( E c ) 与ϕ水的关系。(c) ZrO₂悬浮液内部粘合剂结构的示意图，分为三个阶段：原始悬浮液、交联后的悬浮液和初始干燥后的交联悬浮液。
图6：（ a）用不同φ水的ZrO₂悬浮液打印的绿色样品的热重分析。（b）不同加热速率和阶段的脱脂和烧结曲线。（c）烧结样品的相对密度随悬浮液成分和加热方案的变化。
图7：在DSP2 加热方案下烧结的断裂样品的横截面 SEM 图像；（a、b）样品 P90，（c、d）样品 P50，（e、f）样品 P10。（c）中的起始照片是同一样品 P50 的抛光和热蚀刻横截面的微观结构。
图8：使用悬浮液 P50 打印并用 DSP2 工艺进行后处理的陶瓷结构（ad）。（e）用于在生坯和烧结状态下进行几何测量的空心立方体。
研究结论
本研究提出了一种DLP 3D 打印方法，利用高固体含量的感光悬浮液和水凝胶前驱体 PEGDA 制备致密氧化锆陶瓷。通过调节悬浮液的水含量，发现适中的水分能加速脱脂过程，缩短加热周期，同时不影响烧结密度（>99.0%）。SEM 分析显示，水凝胶基悬浮液可改善颗粒间融合和晶粒分布，烧结样品的收缩率为 20.9%，且精度高，方向各向异性几乎可以忽略不计。