研究人員大幅減少了玻璃和陶瓷3D打印所需的時間

來源：江蘇激光聯(lián)盟

導讀：通過立體光刻技術（一種3D打印）制造復雜的陶瓷或玻璃結(jié)構(gòu)的，長期以來受到工藝后端時間長度的限制，這可能長達兩天�，F(xiàn)在，一項新技術將這一時間減少到不到五個小時。該課題組于5月20日在Communications Materials上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

立體光刻技術通過CAD文件從懸浮在液體中的粉末中中打印出物體。將激光照射到液體和粉末懸浮液（稱為膠體）中，可以從這種液體中逐層構(gòu)建物體。（例如，牛奶也是一種膠體，但它是由懸浮在水中的乳脂制成的）

激光使對光敏感的一些粒子結(jié)合在一起或“交聯(lián)”，并形成由嵌入聚合物（分子的長鏈）中的粒子構(gòu)成的層，這種硬化過程稱為“固化”。實際上，激光在液體懸浮液中“書寫”了層，并且這些層彼此打印出來，形成了由粘合劑和粉末組成的3D物體。陶瓷或玻璃立體光刻技術有可能制造出以前無法實現(xiàn)的，具有更精確，更復雜的幾何形狀的零件，包括空心物體或具有復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，這些零件可以減輕重量并保持強度。陶瓷和玻璃設計的這種復雜性提供了許多新的生物醫(yī)學，結(jié)構(gòu)和能源方面的應用。

光固化懸浮液已經(jīng)引起了廣泛的研究關注，因為它對于通過增材制造（例如數(shù)字光處理、于激光的立體光刻、掩模投影立體光刻、封閉式投影立體光刻和紫外線輔助直接寫入）、原位固化，減材制造，三維微模板復制，纖維生產(chǎn)和停流光刻來設計復雜結(jié)構(gòu)的陶瓷和玻璃部件是不可缺少的。到目前為止，已經(jīng)設計了各種光固化懸浮液。雖然最簡單的方法用光自由基引發(fā)劑將無機微粒直接分散在光固化單體中許多研究也集中于含有溶劑的多組分混合物，以控制懸浮液粘度并且以受控的方式在光固化生坯中形成有利于脫粘聚合物的孔隙。然而，這些都需要經(jīng)歷非常緩慢和復雜的脫脂/燒結(jié)過程以避免由于懸浮體中單體引起的大量氣泡而導致的裂縫形成/結(jié)構(gòu)坍塌。例如，用傳統(tǒng)的可光固化SiO2懸浮液制成的SiO2生坯零件的脫脂和燒結(jié)過程可能需要48小時，這不利于提高制造效率。與光固化懸浮液一樣，光固化陶瓷聚合物的使用也是陶瓷/玻璃零件三維結(jié)構(gòu)化的有效途徑。

研究人員提出的光固化懸浮液這個新概念，該懸浮液僅需要少量的有機添加劑即可使獲得的光固化生坯快速脫脂和燒結(jié)。與傳統(tǒng)方法完全不同，研究人員提出的方法是通過少量單體在穩(wěn)定的非水懸浮液中進行光引發(fā)的粒子間網(wǎng)絡形成反應（如下圖）。

粒子間光可交聯(lián)懸浮液通過快速加熱剖面實現(xiàn)透明二氧化硅玻璃組件的3D結(jié)構(gòu)化。圖片來源：橫濱國立大學

為了證明他們的配方概念，研究人員想要制造透明玻璃。這種特殊的膠體配方采用經(jīng)過聚乙烯亞胺（一種聚合物）和油酸（許多動物和植物脂肪或油中都存在的一種脂肪酸）改性的二氧化硅顆粒。然后將這些顆粒與光引發(fā)劑（一種對光敏感并引發(fā)固化的配方成分）一起在醇基溶劑中混合，并引發(fā)固化。

摻有(a)Cu, (b)Eu和(c)Ce金屬離子的熒光玻璃在室內(nèi)光和紫外燈下拍攝的照片（(a)和(b)為365 nm, (c)為254 nm）

至關重要的是，與傳統(tǒng)的玻璃和陶瓷立體平版印刷相比，該配方還允許比正常量少的單體（可進行交聯(lián)的顆粒），并鼓勵其他顆粒進行更多的交聯(lián)。通常，大量單體需要緩慢的脫脂和燒結(jié)過程，因為單體的快速燃燒會產(chǎn)生威脅物體結(jié)構(gòu)的氣體。通過在膠體中僅使用少量的單體，研究人員成功地獲得了脫脂和燒結(jié)時間縮短到不到五個小時。

原文鏈接：DOI:10.1038/s 33246-020-0029-y