編者按：陶瓷以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐磨性和耐高溫性而廣泛應(yīng)用于機械工程、電子和航空航天領(lǐng)域。但陶瓷固有的脆性和硬度使制造復雜零件成為一項挑戰(zhàn)。3D打印，也稱為增材制造（AM），為生產(chǎn)具有集成結(jié)構(gòu)和功能的復雜陶瓷提供了一種高效便捷的方法。

本文譯自SCMP，作者 Zhang Tong，原標題為“Chinese scientists develop cutting-edge tech for 3D ceramic printing in the air to create complex engineering parts”。

近日，中國的科學家開發(fā)了一種無需支撐結(jié)構(gòu)即可在空中3D打印陶瓷的新技術(shù)。該技術(shù)幾乎可以在任何角度構(gòu)建陶瓷部件，從而能夠創(chuàng)建以前典型的3D打印技術(shù)無法實現(xiàn)的形狀。

在傳統(tǒng)的陶瓷3D打印中，通常需要額外的支撐結(jié)構(gòu)來防止未支撐部件的坍塌。這種額外的骨架不僅會影響打印效率，還會引發(fā)與移除這些支撐相關(guān)的問題。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，江南大學劉任教授和他的團隊開發(fā)了一種新的印刷漿料和改進的固化技術(shù)，可幫助材料快速固化，提高陶瓷3D打印效率并消除對支撐結(jié)構(gòu)的需求。

該打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直徑從410微米到3.50毫米的多尺度長絲的原位固化，并通過無支撐打印成功構(gòu)建了扭轉(zhuǎn)彈簧、三維彎曲和懸臂梁的陶瓷結(jié)構(gòu)。該團隊的研究結(jié)果于4月25日發(fā)表在期刊《自然·通訊》上。

新漿料是一種光敏陶瓷漿料，可在暴露于近紅外 (NIR) 光時迅速固化并增加強度。在一定的NIR輻射強度下，材料從噴嘴中擠出后立即在半空中保持其形狀。

“打印出的曲線可以在沒有支撐的情況下在空間中自由延伸。印刷過程平穩(wěn)連續(xù)，不需要加熱或冷卻，”劉任在論文中說。

研究人員還表明，與常用的紫外線 (UV) 光相比，NIR光可以獲得更好的效果。分別在近紅外光和紫外光下測試了漿料的固化深度——一種通常用于表征光穿透能力的量度。

測試表明，在紫外光下，130秒后固化深度可達1.02mm。然而，在近紅外光照射下3秒，固化深度達到3.81毫米，這意味著近紅外光可以實現(xiàn)更快的高精度打印。

在視頻演示中，劉和他的團隊以每秒1毫米的速度水平打印三維曲面結(jié)構(gòu)。即使在隨后的高溫燒結(jié)或壓實成型過程中，所得陶瓷也能很好地保持其形狀并保持穩(wěn)定。

該技術(shù)還用于創(chuàng)建具有急轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)，例如扭力彈簧，盡管正確選擇噴嘴和激光定位對于防止它們倒塌或阻塞至關(guān)重要。

多材料3D打印在陶瓷結(jié)構(gòu)中也是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，陶瓷材料的不同光固化特性可能會在高溫燒結(jié)過程中導致翹曲、分層和裂紋。該團隊展示了使用鐵紅、鉻綠或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等添加劑打印混合陶瓷的能力，這有助于他們統(tǒng)一具有不同特性的陶瓷的燒結(jié)溫度。

“這項技術(shù)的關(guān)鍵不僅是消除了典型打印過程中所需的支持，而且還帶來了許多其他優(yōu)勢，例如減少打印時間、材料使用和后處理工作量，”劉任在論文中說。

該論文稱，墨水成分和打印參數(shù)的改進——例如噴嘴直徑、擠壓壓力、移動速度和光強度——可以創(chuàng)造出分辨率更高、美感獨特的物體。劉任表示，這種3D打印新技術(shù)有可能得到進一步發(fā)展，在沒有支撐的情況下制造的陶瓷形狀將激發(fā)更多創(chuàng)新，并使增材制造技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

注：論文鏈接 https://doi.org/10.1038/s41467-023-38082-8

編者按：陶瓷以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐磨性和耐高溫性而廣泛應(yīng)用于機械工程、電子和航空航天領(lǐng)域。但陶瓷固有的脆性和硬度使制造復雜零件成為一項挑戰(zhàn)。3D打印，也稱為增材制造（AM），為生產(chǎn)具有集成結(jié)構(gòu)和功能的復雜陶瓷提供了一種高效便捷的方法。

本文譯自SCMP，作者 Zhang Tong，原標題為“Chinese scientists develop cutting-edge tech for 3D ceramic printing in the air to create complex engineering parts”。

近日，中國的科學家開發(fā)了一種無需支撐結(jié)構(gòu)即可在空中3D打印陶瓷的新技術(shù)。該技術(shù)幾乎可以在任何角度構(gòu)建陶瓷部件，從而能夠創(chuàng)建以前典型的3D打印技術(shù)無法實現(xiàn)的形狀。

在傳統(tǒng)的陶瓷3D打印中，通常需要額外的支撐結(jié)構(gòu)來防止未支撐部件的坍塌。這種額外的骨架不僅會影響打印效率，還會引發(fā)與移除這些支撐相關(guān)的問題。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，江南大學劉任教授和他的團隊開發(fā)了一種新的印刷漿料和改進的固化技術(shù)，可幫助材料快速固化，提高陶瓷3D打印效率并消除對支撐結(jié)構(gòu)的需求。

該打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直徑從410微米到3.50毫米的多尺度長絲的原位固化，并通過無支撐打印成功構(gòu)建了扭轉(zhuǎn)彈簧、三維彎曲和懸臂梁的陶瓷結(jié)構(gòu)。該團隊的研究結(jié)果于4月25日發(fā)表在期刊《自然·通訊》上。

新漿料是一種光敏陶瓷漿料，可在暴露于近紅外 (NIR) 光時迅速固化并增加強度。在一定的NIR輻射強度下，材料從噴嘴中擠出后立即在半空中保持其形狀。

“打印出的曲線可以在沒有支撐的情況下在空間中自由延伸。印刷過程平穩(wěn)連續(xù)，不需要加熱或冷卻，”劉任在論文中說。

研究人員還表明，與常用的紫外線 (UV) 光相比，NIR光可以獲得更好的效果。分別在近紅外光和紫外光下測試了漿料的固化深度——一種通常用于表征光穿透能力的量度。

測試表明，在紫外光下，130秒后固化深度可達1.02mm。然而，在近紅外光照射下3秒，固化深度達到3.81毫米，這意味著近紅外光可以實現(xiàn)更快的高精度打印。

在視頻演示中，劉和他的團隊以每秒1毫米的速度水平打印三維曲面結(jié)構(gòu)。即使在隨后的高溫燒結(jié)或壓實成型過程中，所得陶瓷也能很好地保持其形狀并保持穩(wěn)定。

該技術(shù)還用于創(chuàng)建具有急轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)，例如扭力彈簧，盡管正確選擇噴嘴和激光定位對于防止它們倒塌或阻塞至關(guān)重要。

多材料3D打印在陶瓷結(jié)構(gòu)中也是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，陶瓷材料的不同光固化特性可能會在高溫燒結(jié)過程中導致翹曲、分層和裂紋。該團隊展示了使用鐵紅、鉻綠或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯等添加劑打印混合陶瓷的能力，這有助于他們統(tǒng)一具有不同特性的陶瓷的燒結(jié)溫度。

“這項技術(shù)的關(guān)鍵不僅是消除了典型打印過程中所需的支持，而且還帶來了許多其他優(yōu)勢，例如減少打印時間、材料使用和后處理工作量，”劉任在論文中說。

該論文稱，墨水成分和打印參數(shù)的改進——例如噴嘴直徑、擠壓壓力、移動速度和光強度——可以創(chuàng)造出分辨率更高、美感獨特的物體。劉任表示，這種3D打印新技術(shù)有可能得到進一步發(fā)展，在沒有支撐的情況下制造的陶瓷形狀將激發(fā)更多創(chuàng)新，并使增材制造技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

注：論文鏈接 https://doi.org/10.1038/s41467-023-38082-8