西工大苏海军团队增材顶刊：光固化陶瓷3D打印固化深度的选择策略

1、背景介绍

陶瓷材料由于其独特的机械、光学、电学和热学性能，在航空航天、医疗、汽车、光伏和半导体行业具有重要价值。传统的陶瓷成型方法包括干式压制、等静压、注射成型、凝胶铸造等。随着工业技术的快速发展，对结构复杂、性能优异的陶瓷的需求大幅增加。传统的陶瓷制造技术由于依赖模具而难以满足这些需求。3D打印技术的出现和快速发展为方便高效地生产复杂结构陶瓷提供了解决方案。

光固化陶瓷3D打印技术在航空航天、医疗、半导体以及精细化工和先进制造等领域用精密陶瓷复杂部件的制备中表现出巨大的潜力。在光固化3D打印制备过程中，成形参数的选择对制备精度以及陶瓷部件最终的性能具有重要影响。

2、成果简介

近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了一种光固化陶瓷3D打印固化深度的选择策略。本研究从表面粗糙度，成形精度，层状缺陷，双键转化率等方面，全面评价了固化深度对素坯和烧结试样的影响。通过检测双键转化率，研究了固化深度对层状缺陷和脱脂过程中热降解的影响。同时，微观结构分析和力学性能测试印证了固化深度对制备过程的影响。通过将这些发现与打印样品的力学性能结果相关联，开发了一种光固化3D打印最佳固化深度的选择策略。相关工作以题为“Selection strategy of curing depth for vat photopolymerization 3D printing of Al2O3 ceramics”的研究论文发表在Additive Manufacturing，2024，88：104240。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104240

3、图文解析

• 固化特性和尺寸精度

首先明确了本实验使用浆料的固化特性曲线，并结合光-流变实验探究了制备浆料的固化过程。同时发现打印样品的尺寸随固化深度的增加而增加。

图1 (a) Al2O3陶瓷浆料的固化特性，(b)不同固化深度下试样的尺寸，(c) 紫外线照射下陶瓷浆料流变学特性，(d)图(c)中145至175秒的时间范围显示凝胶点。

• 表面质量

改变固化深度对打印样品的表面质量具有重要影响，固化深度增加明显降低了试样表面粗糙度，同时烧结后试样的表面粗糙度明显优于打印素坯。

图2 (a) 不同固化深度的生坯和烧结样品的表面粗糙度；不同固化深度的表面附近as打印样品的形态：(a1) 80μm，(b1) 100μm, (c1) 150μm, (d1) 200μm

固化深度对与打印方向有一定角度的试样具有重要的影响。从图3中可以看出较低的固化深度和较大的倾角制备的样品表面具有更多的锯齿状的缺陷。针对上述结果，结合光固化3D打印成形特点，建立了不同的固化深度而产生的尺寸和表面形态变化机制。

图3 不同固化深度下具有不同底角的烧结梯形样品的形貌：(a) 40°/80 μm，(b) 40°/100 μm，(c) 40°/150 μm，(d) 40°/200 μm，(a1) 50°/80 μm，(b1) 50°/100 μm，(c1) 50°/150 μm，(d1) 50°/200 μm，(a2) 60°/80 μm，(b2) 60°/100 μm，(c2) 60°/150 μm，(d2) 60°/200 μm

图4 通过VPP 3D打印制造的陶瓷零件由于不同的固化深度而产生的尺寸和表面形态变化的示意图

• 双键转化率和脱脂过程

固化深度的改变会增加成形过程中激光能量的输入密度，从图5中分析可知，固化深度增加明显降低了固化试样中相对双键含量。一方面，固化深度增加有利于层间良好结合。另一方面，过高的固化深度造成新打印层难以引发上一层同时固化，降低了层间结合。同时，分析脱脂过程的DSC曲线可知，固化深度增加改变了脱脂过程的放热过程，热量释放向高温方向偏移。

图5 不同固化深度打印试样的FT-IR结果(a)和相对双键相对含量(b)

图 6 不同固化深度的VPP 3D打印样品的DSC结果：(a) 80 μm，(b) 100 μm，(c) 150 μm，(d) 200 μm，(e)每个阶段热效应的峰值温度，(f) 脱脂过程低温阶段（I和II）和高温阶段（III和IV）的放热

• 显微结构和力学性能

显微结构结果证明了固化深度对成形的表面缺陷和层状缺陷的影响规律。当固化深度为层厚的3倍时，烧结后的试样中没有观察到明显的缺陷。抗弯强度结果表明，固化深度为层厚的3倍时，抗弯强度最大为630 MPa。韦布尔分析证明了抗弯强度结果的可靠性。

图7 不同固化深度的烧结样品显微组织：(a) 80 μm, (b)100 μm, (c) 150 μm, (d) 200 μm; 不同固化深度的样品锯齿状缺陷：(a1) 80 μm, (b1) 100 μm, (c1) 150 μm, (d1) 200 μm; 固化深度为150 μm的烧结样品：(e) 侧面，(f) 顶面，(g-i) 显微结构图

图8： (a) 不同固化深度烧结试样的抗弯强度和相对密度, (b) 烧结试样抗弯强度结果的韦布尔统计分析

4、结论与展望

选择适当的固化深度对光固化陶瓷3D打印过程至关重要，并对部件的最终性能产生重大影响。本研究综合考察了表面形态、精度、固化样品的相对双键含量、层间缺陷和机械性能等多种因素。结果表明，较低固化深度有利于获得具有良好尺寸精度的零件，但表面质量和机械性能较差。另一方面，过高的固化深度会降低印刷零件的形状精度，并在脱脂过程中集中热效应，对最终零件的性能产生不利影响。对于沿打印方向倾斜角度较大的打印模型，建议固化深度选择为两到三倍的层厚。否则，三倍于层厚的固化深度对于印刷具有优异机械性能的陶瓷零件是最佳的。

然而，光和陶瓷浆料之间相互作用的复杂性，导致揭示层厚度、固化深度和固化特性之间的实际关系仍然是一个挑战。本实验关注实践中广泛使用的50μm层厚，对于极端层厚的固化深度选择需要结合固化特性重新考虑。这项研究仍然为优化VPP陶瓷3D打印中的固化深度参数提供了全面的支持，从而能够生产出具有所需性能的高质量组件。

5、通讯作者简介

苏海军，西北工业大学长聘二级教授、博士生导师。国家级领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年科技新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点科技创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、高熵合金、超高温复合陶瓷、生物陶瓷、钙钛矿太阳能电池、结构功能一体化复合材料以及定向凝固与增材制造技术等。主持包括国家自然基金重点、优青等7项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等知名期刊发表论文160余篇。获授权中国发明专利50余项以及3项美国发明专利。参编专著3部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖各1项。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。