使用數(shù)字光處理、連續(xù)供膜和可回收漿料系統(tǒng)優(yōu)化氧化鋯3D打印

供稿人:馬偉剛，連芩 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 　


氧化鋯陶瓷在生物醫(yī)學應用領域具有獨特的性能。它們對菌斑親和力低，限制炎癥浸潤，并提供良好的軟組織整合。立體光刻技術（SLA）可以利用計算機輔助設計（CAD）模型逐層制造復雜的陶瓷零件。傳統(tǒng)的SLA系統(tǒng)使用一個裝有高固體含量陶瓷漿料的大桶，這對陶瓷來說造成了一些限制和操作困難，并且主要由于印刷殘留物的存在及其高粘度，使其無法回收。

基于以上不足，韓國國立首爾大學牙科學院和牙科研究所口腔修復學系搭建了一套新的系統(tǒng)，即具有連續(xù)供膜（CFS）系統(tǒng)與流延式數(shù)字光處理（DLP）的集成打印設備。

圖1 3D打印過程中帶數(shù)字光處理的連續(xù)供膜系統(tǒng)示意圖

如上圖所示，它主要由一個涂有硅酮材料的透明疏水膠帶輸送機組成，該膠帶輸送機從一個輥子移動到另一個輥子，穿過一個帶有雙刮刀的澆鑄頭、一個構建平臺和一個回收刀片。通過物理控制雙刮刀和軋制速度進而來控制涂層厚度。DLP中安裝的投影儀有一個LED光源，在405 nm的峰值波長下，最大輻照度為5.19 mW/cm2。

利用該設備，研究人員打印了固相含量為45vol%的氧化鋯陶瓷樣品，對使用的氧化鋯陶瓷漿料進行了表征，并對其進行了處理，以完成整個打印流程。對粘度、膜厚、漿料回收效率、熱重分析、收縮率、密度和顯微硬度進行評估，以評估印刷系統(tǒng)的性能。

圖2 氧化鋯陶瓷漿料粘度隨溫度和剪切速率變化圖

如圖2所示，研究人員測量了不同溫度以及不同剪切速率下的粘度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增高，粘度逐漸下降，同時隨著剪切速率的增高，粘度也呈現(xiàn)出下降趨勢。在50℃下，當剪切速率從3s-1上升到160s-1時，粘度從12.26Pa∙s下降到0.96Pa∙s，粘度在合適的范圍內。

通過對其它各方面性能的測量評估，發(fā)現(xiàn)該設備成功制備了微結構均勻的陶瓷制品，其相對密度為99.02%±0.08%，平均晶粒尺寸為644±20 nm。陶瓷制品的顯微硬度值為12.59±0.47 GPa。此外，具有CFS的DLP可以有效地回收和再利用漿料，為至少兩次回收提供一致的密度，使其成為制造致密陶瓷產品的傳統(tǒng)加工技術的競爭替代品。

參考文獻：WA Sarwar、JH Kang、HI Yoon，優(yōu)化氧化鋯 3D 打印，使用具有連續(xù)薄膜供應和可回收漿料系統(tǒng)的數(shù)字光處理，材料 14(13) (2021)。