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 西安培华学院智能科学与信息工程学院，陕西 西安 710125
2 西安工业大学电子信息工程学院，陕西 西安 710021
3 西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500
为实现无标记样本的定量检测，借助NX12.0搭配相关器件自主设计了一款小型化相位显微镜。相较于市面上售价高昂的相位显微镜，所设计显微镜无需相干器件，且在满足系统分辨率的前提下，将体积缩小了约60%，大幅提高了便携性，同时成本仅需5000元左右。系统中还嵌入了自动对焦算法和基于变换域的视场校正算法，以加快检测速度和相位恢复的准确率。经测试，系统在10倍物镜下的分辨率达到了分辨率板极限2.19 μm，同时随机相位板的检测表明相位恢复的准确率也达到了基本需求。除此之外，还对活细胞结构和平面玻璃的缺陷进行了测试。结果表明，所提系统不仅能对活细胞进行较好的定量测量，还可以在透明/半透明平面缺陷的检测中发挥重要作用，更是证明了这种成本低、便携性高、可实现无标记样本定量的系统设计方案的可行性。
成像系统 相位显微镜 无标记检测 活细胞定量测量 平面缺陷检测 3D光固化技术 激光与光电子学进展
2023, 60(22): 2211005
1 长安大学材料科学与工程学院，西安 710061
2 长安大学工程机械学院，西安 710061
3 北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095
陶瓷型芯在航空发动机空心涡轮叶片的熔模铸造中起到关键作用。3D打印技术作为新一代的成型技术，具有无需模具、制造周期短、精度高等优点，正在逐渐替代传统的陶瓷型芯制备工艺。本文总结了光固化技术、选择性激光烧结、直写成型技术和分层挤出成型等目前在陶瓷型芯领域使用较多的3D打印技术，针对3D打印陶瓷型芯打印精度低、力学性能与气孔率适配性差、结构性能各向异性等局限性探讨了性能优化研究现状，并对该领域的发展进行了展望。
陶瓷型芯 3D打印技术 光固化技术 打印精度 力学性能 各向异性 ceramic cores 3D printing light curing technology printing accuracy mechanical properties anisotropy
1 中国科学院空间应用工程与技术中心, 北京 100094
2 航天材料及工艺研究所, 先进功能复合材料技术重点实验室, 北京 100076
光敏树脂是光固化3D打印的材料基础, 也是光固化3D打印陶瓷的成型媒介。光敏树脂体系影响光固化3D打印陶瓷构件成型过程的收缩率与脱脂过程的应力, 本文设计了含环状结构的单官能度树脂、三官能度树脂及引入预聚物及稀释剂的多组分树脂三个树脂体系, 测试了三个树脂体系的收缩率, 研究表明引入预聚物及稀释剂的树脂体系具有最低的固化收缩率, 有效缓解了因固化反应收缩造成的3D打印氧化铝陶瓷素坯开裂的问题。采用热失重分析和热处理实验研究了三个树脂体系的热分解行为, 多组分树脂体系具有分阶段热解的特性, 采用该树脂体系制备了光敏性氧化铝浆料, 优化了光固化打印参数及脱脂气氛, 3D打印厚壁实心(12 mm×12 mm×12 mm)样件与大尺寸(80 mm×50 mm)的氧化铝陶瓷素坯脱脂后均无裂纹等缺陷。
光固化3D打印 光敏树脂 厚壁结构 低应力脱脂 陶瓷构件 低收缩 vat-photopolymerization 3D printing photosensitive resin thick-walled structure low-stress degreasing ceramic component low shrinkage
1 盐城工学院机械工程学院, 盐城 224051
2 盐城工学院汽车工程学院, 盐城 224051
3 江苏悦达智能农业装备有限公司,盐城 224007
立体光固化成型技术是一种生产高精度、高性能陶瓷部件的新兴增材制造工艺。制备具有良好流动性和高固相含量的陶瓷浆料是立体光固化增材制造工艺的优势。本文讨论了固相含量、单体、分散剂、粉体级配等因素对浆料流变性能的影响规律, 总结了目前配制高固相含量和低黏度光固化Al2O3陶瓷浆料的材料选择原则, 归纳了制备高固相含量、低黏度Al2O3陶瓷浆料的指导方法, 指出了高性能光固化Al2O3陶瓷浆料开发的主要趋势和面临的挑战。
立体光固化成型技术 Al2O3陶瓷浆料 固相含量 黏度 单体 分散剂 粉体粒径 stero light-cured apparatus technology Al2O3 ceramic slurry solid phase content viscosity monomer dispersant powder particle size
1 季华实验室, 佛山 528200
2 新疆大学机械工程学院, 乌鲁木齐 830017
3 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院, 佛山 528000
4 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 西安 710049
利用光固化技术制备的生物玻璃陶瓷骨植入物在骨修复领域具有许多优势, 然而生物玻璃陶瓷受粉体粒度的影响, 在光固化打印工艺、结构、力学性能和生物性能等方面存在较大的差异。本文以光固化3D打印过程中粒度的变化为切入点, 制备了两种不同粒度粉体的生物玻璃陶瓷浆料, 分别对生物玻璃陶瓷浆料的稳定性、流变特性和固化特性进行了表征, 根据TG-DSC曲线绘制了脱脂烧结曲线并对骨支架的表面质量、结构和力学性能进行了评价, 最后通过颅骨修复试验对降解性能进行了分析。结果表明: 小粒度粉体的浆料稳定性较好, 黏度较高, 对应的固化厚度和过固化宽度也较小; 小粒度粉体制备的骨支架表面质量、结构致密化程度和弯曲强度均优于大粒度粉体制备的骨支架, 但降解速率较低, 植入体内2个月后有新骨长入骨支架孔隙。本研究对不同粒度粉体的生物玻璃陶瓷骨支架制备具有指导意义, 有助于推动基于粒度分布的梯度可控降解骨支架的开发和应用。
生物玻璃陶瓷 骨支架 光固化技术 3D打印 粒度 降解性能 bioglass ceramics bone scaffold photocuring technology 3D printing particle size degradation performance
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
西安交通大学国家金属强度重点实验室, 西安 710049
本文成功开发了用于光固化成型的树脂基硅藻土浆料, 系统探讨了分散剂种类、含量及固含量对硅藻土浆料流变特性的影响, 并对其作用机理进行了分析, 获得了用于光固化成型的高固含量、低黏度的硅藻土浆料, 并采用3D陶瓷光固化设备制备了结构复杂的硅藻土多孔陶瓷。结果表明,BYK2009为硅藻土浆料的最佳分散剂, 且当分散剂相对粉体质量为3%时, 浆料黏度最低。成功制备出粉体体积分数为40%的硅藻土浆料, 在剪切速率为30 s-1时, 硅藻土浆料黏度为17.30 Pa·s。在900 ℃烧结时得到显气孔率为51.30%、抗弯强度为(46.28±2.63) MPa的硅藻土多孔陶瓷。本研究为光固化成型具有复杂多级孔结构的硅藻土载体提供了参考。
树脂基硅藻土浆料 硅藻土多孔陶瓷 分散剂 流变行为 光固化成型 抗弯强度 resin-based diatomite slurry diatomite porous ceramics dispersant rheological behavior stereo lithography apparatus bending strength
