用于立体光刻增材制造的陶瓷浆料配制方法 | MDPI Materials

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研究背景

3D 打印技术的发展为复杂复合材料零件的制造提供了有效途径，随着增材制造 (Additive Manufacturing, AM) 方法的迅速发展，基于光聚合物的立体光刻技术增材制造 (STL-AM) 技术因其优异的分辨率、构建速度、处理控制等优势，成为了学术界和工业界的研究热点之一。

日本大阪大学焊接研究所的 Soshu Kirihara 研究员在 Materials 发表了一篇关于采用智能计算机辅助设计、制造和分析优化陶瓷加工零件精度的文章，通过实验测量和优化了固化深度和尺寸公差等光刻条件，并调整了拉层和层合的工艺条件。

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实验方法

色散模型与数值模拟：作者采用离散元法 (Distinct Element Method, DEM) 模拟了固体颗粒在液体基质中的弥散分布，并利用计算机图形 (Computer Graphics, CG) 应用程序自动可视化了粘性流体中的颗粒分布，此外还计算了单个分散剖面的体积分数以优化填料密度。为实现更有效的光聚合，作者使用射线追踪 (Ray Tracing, RT) 应用程序模拟优化了单位面积辐照功率和时间。

浆料制备和立体光刻设置：采用机械脱气分散机，将平均直径分别为 170 nm 和 1.7 μm 的氧化铝颗粒以10%和70%的体积比例与丙烯酸树脂进行双模混合；将总容积为 500 mL 的膏体材料装入聚乙烯容器中，同时使用10个 5 mm 的氧化铝球进行搅拌；在旋转运动中动态消除了颗粒凝固，以实现均匀分散；最后采用扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 观察了乙醇爆破膏体材料所显示的陶瓷颗粒，并使用运动粘度计 (Kinematic Viscometer, KV) 设备对不同混合时间时的膏体材料流变行为进行了表征。

工艺优化与组件评估：图1 (a) 显示了 STL-AM 系统实验框架设置示意图。如图1 (b) 所示，研究在边长为 10 mm 的方形薄膜中心设计了一个内径为 500 μm 的圆孔，并使用数字光学显微镜设备测量孔直径和薄膜厚度，并估计尺寸公差和固化深度；采用多面体近似特征的牙冠模型优化层厚、层间距，进而进行数字切片；采用激光拉伸的方法将截面层固化；使用了 3D 扫描仪测量零件的尺寸，并通过与设计模型的比较，评价了模型的尺寸精度；采用 ISO6872 标准的牙科陶瓷材料四点弯曲试验测定了材料的力学强度、维氏硬度法测定了材料的显微组织硬度、阿基米德法测定了材料的相对密度。

图1. 总体实验框架示意图：构建布局、样品方向、处理条件以及测试样板的 ASTM 标准设计。

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研究结果

研究基于 DEM 模拟，计算得到粒径二元体系中复合比的体积分数，其中小颗粒和大颗粒的平均粒径分别为 170 nm 和 1.7 μm。模拟结果表明：当复合比为0.875时，填料的体积分数为80%，通过 CG 可视化虚拟绘制的色散分布如图2所示，该粒子具有模拟的球形特征，小颗粒在大颗粒之间有间隙分散。

图2. 采用 DEM 对封闭充填的球形填料进行数值模拟的结果。

图3显示了分散在丙烯酸树脂中氧化铝颗粒的 SEM 图像，如图3 (a) 所示，膏体容器旋转处理时间低于 300 s 时，陶瓷球与容器壁之间的碰撞频率不足以实现细粉碎；如图3 (b-c) 所示，膏体容器旋转处理时间低于 900 s 时，凝固的颗粒仍然存在；当膏体容器旋转处理时间超过 900 s 时，可以观察到均匀的分布。

图3. 膏体容器旋转处理时间分别为 (a) 300、(b) 600和 (c) 900秒时的固体薄膜截面 SEM 图像。

图4显示了 KV 测量陶瓷浆料时得到的流变曲线。如图4 (a) 所示，当处理时间小于 300 s 时，剪切应力随剪切速度的增加而线性增大；如图4 (b-c)，当处理时间超过 900 s 以上时，材料具有相似的饱和流变曲线。

图4. 膏体容器旋转处理时间分别为 (a) 300、(b) 600和 (c) 900 s 时陶瓷浆料的剪应力和速度的动态剖面。

研究还采用数字光学显微镜系统测量了固化深度和尺寸公差，优化了层压距和偏置值，进而确定了加工时间和零件精度。根据 CG 模型，作者采用 STL-AM 制备了牙冠复合前体，其 SEM 结果如图5所示：氧化铝颗粒在丙烯酸基体中呈均匀分散，并且膏体扩散时不存在气孔污染等现象；平均直径为 10 μm 的等轴晶粒分布均匀，未发现微孔或裂纹。X 射线衍射结果表明，α-Al₂O₃ 的晶相为峰状。作者根据阿基米德法对牙冠复合前体进行了研究，发现了材料的估计相对密度为99.8%，牙冠的平均抗弯强度为 480 MPa；在 160—240 MPa 的抗压强度下，其力学性能可以超过单个陶瓷冠的实际标准。

图5. STL-AM 制造牙冠时，相同放大倍数的模型 (a) 俯视图和侧视图；(b) 复合前驱体；(c) 陶瓷组分。

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总结讨论

研究利用 DEM 对陶瓷浆料中的纳米颗粒分散进行了仿真研究，通过实验测量和优化了固化深度和尺寸公差等光刻条件，并调整了拉层和层合的工艺条件。在经过 600 ℃ 和 1300 ℃ 温度下两小时的脱蜡烧结，制备得到的光滑半透明的牙冠模型性能够超过标准水平。研究结果为仿生 AM 的陶瓷浆料配制研究提供了参考。

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阅读英文原文

Kirihara, S. Systematic Compounding of Ceramic Pastes in Stereolithographic Additive Manufacturing. Materials 2021, 14, 7090. 

特约撰稿人

赖寿强 博士研究生

厦门大学电子科学与技术学院

   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748 (Q1*)
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

* Q1 (17/79) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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