复杂一体化陶瓷结构光固化增材制造研究进展_陈盛贵.pdf

基金项目：广东省教育厅普通高校重点科研平台和项目（编号：2022ZDZX3064）；广州番禺职业技术学院科研平台项目（编号：2022KYPT03）；广州市高等教育教学质量与教学改革工程项目（编号：2022JSJXCXTD005，2022CXCYJH002）收稿日期：20230314复杂一体化陶瓷结构光固化增材制造研究进展*陈盛贵1,2，梁嘉华1，肖创3，王飞洪3（1.东莞市东莞理工科技创新研究院，广东东莞523808；2.广州番禺职业技术学院 艺术设计学院，广州511483；3.东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞523808）摘要：增材制造（AM）的出现为生产制造提供了更多的制造可能性，光固化增材制造的原理是基于层层叠加进行成型构建的，因此可以从结构设计端进行复杂一体化设计，实现复杂陶瓷零件结构的一体化制造，同时也为多个可活动单元陶瓷零件的制造提供可能性。在制造的前期，进行设计时考虑构件的特殊性，可以实现两个独立且配合使用的陶瓷零件一体化制造，无需后期进行螺栓固定连接的工序，大大降低了陶瓷零件装配的难度；并且光固化增材制造具备较优的一体化成型均匀性，给两个活动连接的陶瓷零件之间精准契合提供了优异的结构性能。对过去10年有关复杂一体化陶瓷结构光固化增材制造研究的进展进行总结归纳，对目前光固化陶瓷增材制造技术、材料及应用案例进行了介绍，并总结了复杂一体化陶瓷结构光固化增材制造发展面临的挑战。关键词：增材制造；工艺研究；一体化制造；复杂陶瓷结构；光固化中图分类号：TH164文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03000108Research Progress of Light-curing Additive Manufacturing for Complex IntegratedCeramic StructuresChen Shenggui1,2，Liang Jiahua1，Xiao Chuang3，Wang Feihong3（1.Dongguan Institute of Science and Technology Innovation,Dongguan,Guangdong 523808,China;2.School of Art and Design,Guangzhou Panyu Polytechnic,Guangzhou 511483,China;3.School of Mechanical Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan,Guangdong 523808,China）Abstract:The emergence of additive manufacturing(AM)provides more manufacturing possibilities for manufacturing,and the principle oflight-curing additive manufacturing is based on layer-by-layer molding,so it can carry out complex integrated design from the structuraldesign side to achieve integrated manufacturing of complex ceramic part structures,and also provide possibilities for the manufacture ofmultiple movable unit ceramic parts.In the early stage of manufacturing,considering the particularity of the components when designing,twoindependent and cooperatively used ceramic parts can be manufactured in one way without the need for bolt-fixing and connection in the laterstage,which greatly reduces the difficulty of ceramic parts assembly.Moreover,light-curing additive manufacturing has better integratedmolding uniformity,which provides excellent structural properties for the precise fit between two movably connected ceramic parts.Theresearch progress of complex integrated ceramic structured light-curing additive manufacturing published in the past ten years were mainlysummarized,the current light-curing ceramic additive manufacturing technology,materials and application cases were introduced,and thechallenges faced by the development of complex integrated ceramic structural light-curing additive manufacturing were summarized.Key words:additive manufacturing;process research;integrated manufacturing;complex ceramic structure;light curing2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.001陈盛贵，梁嘉华，肖创，等.复杂一体化陶瓷结构光固化增材制造研究进展 J.机电工程技术，2023，52（03）：1-8.0引言增材制造（Additive Manufacturing，AM），也称为3D打印，通过允许创建高精度和复杂的一体化结构设计，从而彻底改变了制造业，为制造业打开了一扇新世界的大门。AM彻底改变了我们制造复杂一体化结构的方式，该技术在复杂结构的设计、智能制造能力、灵活个性化、快速成型等方面都具有传统材料制造技术所无法比拟的优势。然而，传统的AM技术，如熔融沉积打印或选择性激光烧结，在印刷分辨率和表面光洁度方面存在局限性，特别是对于复杂的几何形状。由于陶瓷的固有特性，如高熔点、脆性和高热膨胀系数，陶瓷AM技术的发展一直具有挑战性。目前主流的3D打印技术多为塑料或金属领域的应用，而陶瓷领域则是一个研发程度较低的领域1-3。对于陶瓷领域而言，复杂一体化陶瓷结构光固化AM工艺的研究是一个非常有意义的研究方向4-5，它利用紫外光对含有光敏树脂的陶瓷混合物进行光聚合固化制造高精度且复杂的陶瓷结构。近年来，立体光刻和数字光处理等光固化AM技术已成为制造具有优性能和高精度的复杂一体化陶瓷结构的主流制造工艺方法。这些技术利用紫外光对光敏树脂 1实现由局部区域液体转化为固体的固化方式，从而能够逐层生产复杂而精确的陶瓷结构。本文回顾了用于制造复杂一体化陶瓷结构的光固化AM工艺的最新研究进展，并讨论了不同光源类型的光固化AM技术的优点和局限性，进一步分析了影响制造陶瓷结构精度、机械性能和表面光洁度的各种因素。最后将探讨光固化陶瓷领域当前的研究进展，并着重对于复杂一体化陶瓷结构进行研究，包括对比多种光固化工艺的优缺点、对比常用陶瓷材料种类的特点，分析具有复杂几何形状的高质量的陶瓷结构的光固化制造案例及其存在的相关问题。这对于航空航天部件、生物医学植入物和电子设备等应用尤为重要6-8。新材料的开发也是陶瓷光固化AM工艺研究的一个关键领域。目前，最常用的材料是陶瓷粉末作为填充的光聚合树脂材料，它是陶瓷颗粒和光聚合树脂的混合物。目前研究人员已经在探索使用其他材料（例如陶瓷前驱体）来制造具有更高强度和耐用性的陶瓷。此外，还正在研究使用陶瓷粉末作为填充材料制造复合材料，因为这可以提高机械强度并改善热性能。然而，陶瓷光固化AM工艺面临的主要挑战之一是需要在最终产品中实现高密度和均匀性。这对于生物医学植入物和电子设备等应用尤为关键，因为在这些应用中，产品的性能和可靠性至关重要。研究人员正在探索多种方法来实现这一目标，例如比较常见的脱脂烧结后处理技术：将陶瓷结构加热到高温以去除任何残留的聚合物并获得更高的密度。但是这一领域的技术仍需进一步研究，以解决该过程面临的挑战，并充分发挥光固化AM技术因其高精度创造具有复杂几何形状的优质耐用陶瓷结构的潜力9-11。1陶瓷光固化增材制造技术增材制造（AM）改变了制造复杂一体化结构（包括陶瓷）的方式。但是，常规的热增材成型技术，通常包括熔融沉积打印或选择性激光烧结，在印刷分辨率和表面光洁度方面存在局限性，特别是对于复杂的几何形状13-14。要使用SLA和DLP制造陶瓷结构，需要陶瓷光敏树脂。陶瓷光聚合物通常由陶瓷颗粒、单体、低聚物和光引发剂的混合物组成。当暴露在光线下时，光引发剂会引发聚合反应，使陶瓷颗粒和低聚物交联并形成固体陶瓷结构。陶瓷光敏聚合物的特性可以通过调整混合物的成分来定制，从而能够制造具有一系列机械特性和表面光洁度的陶瓷结构。近年来，立体光刻和数字光处理等光固化增材制造技术已成为制造具有优性能和高精度的复杂一体化陶瓷结构最有前途的替代方法。这些技术利用高精度光固化的陶瓷光敏树脂，从而能够逐层生产复杂而精确的陶瓷结构15-17。陶瓷制造的主要的工艺流程可以总结为以下步骤：利用高速搅动使陶瓷粉末（微纳米级）在可光固化的介质中扩散一致，从而制取高固相浓度、低黏度的均质陶瓷浆料。接着在光固化成型机上，进行逐层固化陶瓷浆料，一层层堆积就获得了陶瓷零件素坯。然后，再通过氮气或者空气的高温热脱脂排胶过程，使坯体零部件内的有机元素和粘结物经过高温排胶挥发排除，从而得到了脱脂后的新零部件坯体。最后，经过1 2501 800 的高温烧结过程，得到致密化的陶瓷零件18-19，如图2所示。最近的研究集中在开发可用于SLA和DLP工艺的新型光固化陶瓷材料。例如，研究人员已经开发出氧化锆、氧化铝和碳化硅等光固化陶瓷材料，它们具有优异的机械性能，可以进行优性能和高精度打印。如图3所示。1.1立体光刻（SLA）立体光刻（SLA）是目前较为热门的一类增材制造打印技术，并且已得到了广泛的应用。该技术由美国Hull公司于1986年首先发明，并由美国3D Systems公司商品化。SLA技术是利用一定波段光束（通常为 355420 nm紫外光）对塑料体系表层实现点-线-层的固化，然后再层层覆盖。针对不同的成型需求选择自上而下或者自下而上的打印方法，在固化完成后，打印件可以提（a）精密结构部件和多孔支架（b）蜂窝晶格结构（c）具有特殊设计几何形状的不同晶胞结构（比例尺=1 cm）（d）晶格结构的 CAD 模型（e）印刷和热解后聚合物衍生的陶瓷结构12图1通过基于光聚合的AM技术制备的陶瓷部件示例图2光固化陶瓷增材制造流程（a）SLA工艺工作原理示意图（b）DLP工艺工作原理示意图图3光固化陶瓷增材制造主要类型2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期 2升或减少一个层厚，但一般需辅以刮刀刮涂料缸表面使之迅速均匀化，以备快速地获得再固化层2