由龋病、牙周炎等疾病导致的牙齿缺失在我国十分常见, 临床上主要采用口腔修复进行治疗。氧化锆凭借优异的力学性能、良好的生物相容性和好的美学表现成为齿科修复领域的理想修复材料。传统的计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)减材制造虽然加工精度高, 边缘适合性好, 但是存在材料浪费、刀具磨损和咬合面窝沟处制作精度不足等缺点。增材制造(3D打印)作为快速成型技术的典型代表, 满足构建精准、个性化和复杂结构全瓷冠的基本要求, 有望成为全瓷冠制备的潜在候选技术。本文综述了近年来国内外各研究团队在氧化锆全瓷冠光固化3D打印及应用的进展, 对陶瓷浆料组成、打印过程支撑结构设计、打印参数优化、后处理工艺路线以及打印后产品性能的评价进行综述与分析, 并辅以大量实例进行说明; 最后指出氧化锆全瓷冠光固化3D打印领域未来将面临的挑战, 并给出一定指导意见。
口腔修复 全瓷冠 氧化锆 增材制造(3D打印) 光固化 浆料 力学性能 oral restoration all-ceramic crown zirconia additive manufacturing (3D printing) stereolithography slurry mechanical property
1 1.中国科学院 金属研究所, 师昌绪先进材料创新中心, 沈阳 110016
2 2.中国科学技术大学 材料科学与工程学院, 沈阳 110016
3 3.中国科学院太空制造技术重点实验室, 北京 100094
4 4.中国科学院 沈阳自动化研究所, 沈阳 110016
单晶高温合金空心叶片是航空发动机的重要部件, 其内腔结构是采用陶瓷型芯制备的。随着航空发动机推重比提高, 型芯结构越来越复杂, 传统制备工艺受限, 光固化3D打印陶瓷型芯技术为复杂结构型芯的制备提供了一种可行方案。为了改善光固化3D打印陶瓷型芯因台阶效应导致的表面粗糙度较大的问题, 本研究利用固含量体积分数63%的硅基型芯浆料进行光固化3D打印型芯, 并在1100~1300 ℃对型芯素坯进行烧结, 对烧成的硅基陶瓷型芯的微观结构、元素分布、相组成、型芯打印面和打印堆积方向的表面形貌和粗糙度进行分析。研究发现型芯打印面平整, 无明显表面缺陷, 1100、1200和1300 ℃烧结型芯的打印面粗糙度分别为1.83、1.24和1.44 μm; 片层堆积方向的表面有片层结构特征, 片层间出现微裂纹, 1200 ℃以上烧结的型芯表面粗糙度达到空心叶片使用要求(Ra≤2.0 μm)。结果表明不同烧结温度会改变型芯烧结过程中的液相含量、莫来石生成量、莫来石生成形态和颗粒间玻璃相的分布, 从而对光固化3D打印硅基陶瓷型芯的表面粗糙度产生明显影响。光固化3D打印陶瓷型芯技术结合烧结工艺能制备出满足先进空心叶片用硅基陶瓷型芯表面要求的粗糙度。
光固化3D打印 陶瓷型芯 表面形貌 粗糙度 stereolithography 3D printing ceramic core surface morphology roughness
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
3 3.南京工业大学 材料科学与工程学院, 南京 211816
目前光固化3D打印技术因打印成型精度高而被广泛应用于陶瓷增材制造, 其中非氧化物陶瓷如碳化硅、氮化硅等因打印材料粉体折射率和吸光度比较高, 光固化陶瓷浆料存在分散稳定性差、入射光难穿透并产生光固化反应的固化层厚度低等问题, 导致其固含量很难提高甚至于无法打印成型。高固含量的非氧化物陶瓷打印成型成为光固化3D打印的主要难点, 吸引了广大学者对其光固化机理、粉体调控等机制进行研究。本文系统地总结了几种非氧化物陶瓷光固化浆料的制备、光固化成型、有机物去除及烧结致密化的研究工作, 并就如何对光敏树脂组成进行调节、对陶瓷粉体进行改性的几种方法进行分析与讨论, 针对性地提出创新方案来改善非氧化物陶瓷的浆料性能、光固化打印优化和致密化缺陷修复及性能提升, 最终推动大尺寸、复杂结构的非氧化物陶瓷部件光固化增材制造高精度制备技术的进步。
光固化 3D打印 非氧化物 致密化 综述 stereolithography 3D printing non-oxide densification review
西安交通大学金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049
采用羟基化结合硅烷偶联剂(KH560)对氮化硅(Si3N4)粉体进行表面功能化改性, 配制出高固含量、高固化深度的Si3N4膏料, 并基于立体光固化(SL)工艺制备了高强度的Si3N4复杂结构件。结果表明: Si3N4表面的KH560改善了粉体与树脂的相容性, 降低了Si3N4膏料的粘度; 同时, KH560的环氧基团(—CH(O)CH2)与环氧树脂(EA)通过化学键等方式相结合, 形成了EA核壳结构, 降低了树脂与陶瓷颗粒之间的折射率差, 从而提高了Si3N4膏料的固化深度。表面羟基化处理后Si3N4表面吸附了更多的KH560, 从而进一步降低了Si3N4膏料的粘度, 提高了Si3N4膏料的固化深度。最终, 用羟基化和KH560改性后的Si3N4粉体配制出的Si3N4膏料固含量达到50%(体积分数), 固化深度达到64 μm。烧结后Si3N4试样致密度为83%, 断裂韧性为(4.38±0.45) MPa·m1/2, 抗弯强度达到(407.95±10.50) MPa。
立体光固化 Si3N4陶瓷 硅烷偶联剂 羟基化 表面改性 流变特性 固化深度 stereolithography Si3N4 ceramics silane coupling agent hydroxylation surface modification rheological property curing depth
1 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074
2 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心，湖北 武汉 430074
空心涡轮叶片是燃气轮机热端的关键零部件，其结构十分复杂，制造难度极大。陶瓷型芯型壳是用于涡轮叶片铸造的重要部件，随着燃气轮机的热端工作温度逐渐升高，所需要的叶片结构也更加精细，传统的精密铸造工艺已经无法满足叶片快速升级换代的需求。激光增材制造技术无需模具，可以加速新产品的研发，缩短制造周期，满足个性化需求。目前可用于型芯型壳制造的激光增材制造技术主要有激光选区烧结和立体光刻两大类。主要介绍了这两大类激光增材制造技术在陶瓷型芯型壳制备方面的应用，从材料配方、素坯成形、后处理烧结等多个方面综述了当前国内外的最新研究进展，探讨了两类技术各自的优势、目前存在的问题以及未来发展的趋势。
激光技术 增材制造 空心涡轮叶片 陶瓷型芯型壳 激光选区烧结 立体光刻 中国激光
2022, 49(12): 1202002
暨南大学光子技术研究院，广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广东 广州 511443
光聚合微纳3D打印作为一种微纳尺度的增材制造技术，在高精度、复杂三维微纳结构的制造方面具有显著优势，已被广泛应用于微机电系统、微纳光子器件、微流体器件、生物工程领域。本文首先介绍了光聚合微纳3D打印技术的光物理/光化学原理，重点对所涉及的各种类型的打印工艺及其应用领域进行综述；然后讨论了一些前沿性的微纳3D打印方法，通过回顾和比较这些最新的技术，阐明了打印分辨率与打印效率之间的关系，以及串行扫描、并行扫描、面投影和体投影的打印模式对微纳3D打印性能的影响；最后对微纳3D打印技术进行全面总结与概述，并对其未来的发展趋势和应用前景予以展望。
中国激光
2022, 49(10): 1002703
1 1.中国运载火箭技术研究院 空间物理重点实验室, 北京 100076
2 2.北京理工大学 先进结构技术研究院, 北京 100081
3 3.厦门大学 航空航天学院, 厦门 361005
对于陶瓷立体光刻增材制造技术, 光敏树脂浆料的固含量发挥着重要的作用。本工作首先制备了不同固含量的Al2O3陶瓷浆料, 并采用立体光刻增材制造技术, 制备了Al2O3陶瓷, 并研究了Al2O3浆料的固含量与陶瓷性能的关联关系。其次, 探索了固含量对Al2O3浆料的流变行为、固化性能, 以及对Al2O3陶瓷的微观结构、力学性能的影响规律。结果表明, 随着固含量增加, 浆料的粘度和剪切应力均增大。在光固化增材制造过程中, 高固含量导致浆料的粘度高于其自流平的临界值, 且Al2O3浆料的固化性能与固含量高度相关。此外, 固含量明显影响光固化增材制造的Al2O3陶瓷的缺陷。这些制造缺陷对于Al2O3陶瓷的力学性能有重要影响。最后, 本工作总结了光敏Al2O3浆料的流变行为、固化性能与Al2O3陶瓷的微观结构和力学性能之间的关联关系。浆料的高粘度造成陶瓷的微观结构不均匀, 最终导致其力学强度较差。本研究结果可为陶瓷的光固化增材制造提供一定的参考。
Al2O3陶瓷 固含量 光固化 增材制造 Al2O3 solid loading stereolithography additive manufacturing
1 1.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室, 西安 710049
2 2.西安交通大学 高端制造装备协同创新中心, 西安 710054
3 3.唐山学院 机电工程系, 唐山 063000
4 4.季华实验室, 佛山 528200
氧化锆陶瓷具有良好的力学性能、生物相容性以及耐腐蚀性, 在牙科修复领域得到了广泛应用。目前的氧化锆陶瓷光固化成形技术存在成形精度低, 烧结效率低, 收缩率高以及收缩各向异性明显等缺点。为解决以上问题, 本工作利用不同官能度单体配置了混杂体系树脂, 并利用混杂体系树脂配置了体积分数55%固相含量的陶瓷浆料, 离散了有机物热解区间, 有效避免素坯开裂, 提高脱脂效率。研究了激光功率和扫描速度对固化单元形状的影响, 并在兼顾成形精度和效率的前提下, 选择的最佳激光功率和扫描速度分别为670 mW和2500 mm/s。分别研究了扫描间距和线宽补偿对平面成形精度的影响以及分层厚度对堆积方向成形精度的影响, 选择的最佳扫描间距、线宽补偿和分层厚度分别为0.08、0.10和0.03 mm。在氮气气氛下对素坯进行脱脂, 降低了有机物热解速度, 进一步避免素坯开裂, 提高脱脂效率。脱脂件烧结后的平面收缩率为(18.26±0.10)%, 堆积方向收缩率为(19.20±0.13)%, 在收缩率降低的同时, 收缩各向异性也明显得到控制, 为其在牙科修复领域的应用奠定了基础。
氧化锆陶瓷 扫描光固化 精度 脱脂 烧结 zirconia ceramic stereolithography accuracy debinding sintering
1 1.中南大学 粉末冶金研究院, 长沙 410083
2 2.萍乡学院 机械电子工程学院, 萍乡 330073
为制备具有高效化学催化反应和复杂精细结构的活性氧化铝催化剂载体, 制备出低粘度、高均匀性和高固相含量的光固化浆料, 通过粒度分析和流变测试等手段, 研究树脂配比和偶联剂改性剂改性活性氧化铝表面对粉末粒度分布和浆料的稳定性、均匀性和流变性的影响。当w(HEA) : w(HDDA) : w(TMPTA) : w(modified-EA)=1.5 : 1.0 : 2.5 : 5.0时, 预混液在剪切速率为1 s-1时的粘度仅为0.35 Pa·s; 粉末改性后KH560高分子链附着在活性氧化铝表面, 使得活性氧化铝由亲水性改性为疏水性, 提高浆料的均匀性和稳定性, 并使粉末之间产生空间位阻, 降低粉末团聚, 其平均直径从4.43 μm降低至3.89 μm; 采用浸润混合法制备固相含量为52%(质量分数)的浆料并成功打印。脱脂烧结后的活性氧化铝样品保持了复杂异形薄壁结构, 其开孔率和密度分别为51.3%和1.93 g/cm3。
光固化成型 活性氧化铝 粉末表面改性 流变性能 stereolithography activated alumina powder surface modification rheological property
1 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation and School of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2 School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
3 Huazhong University of Science and Technology, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan 430074, China
Frontiers of Optoelectronics
2021, 14(3): 263–277
