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(jī)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(fù)雜零件成為一項(xiàng)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(fù)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(biāo)題為“Chinese scientists develop cutting-edge tech for 3D ceramic printing in the air to create complex engineering parts”。

近日，中國(guó)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種無(wú)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(wú)法實(shí)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(lái)防止未支撐部件的坍塌。這種額外的骨架不僅會(huì)影響打印效率，還會(huì)引發(fā)與移除這些支撐相關(guān)的問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，江南大學(xué)劉任教授和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的印刷漿料和改進(jìn)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(duì)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(zhǎng)絲的原位固化，并通過(guò)無(wú)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(tuán)隊(duì)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(shí)迅速固化并增加強(qiáng)度。在一定的NIR輻射強(qiáng)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(méi)有支撐的情況下在空間中自由延伸。印刷過(guò)程平穩(wěn)連續(xù)，不需要加熱或冷卻，”劉任在論文中說(shuō)。

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

在視頻演示中，劉和他的團(tuán)隊(duì)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?zé)Y(jié)或壓實(shí)成型過(guò)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(duì)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(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，陶瓷材料的不同光固化特性可能會(huì)在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中導(dǎo)致翹曲、分層和裂紋。該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵不僅是消除了典型打印過(guò)程中所需的支持，而且還帶來(lái)了許多其他優(yōu)勢(shì)，例如減少打印時(shí)間、材料使用和后處理工作量，”劉任在論文中說(shuō)。

該論文稱，墨水成分和打印參數(shù)的改進(jìn)——例如噴嘴直徑、擠壓壓力、移動(dòng)速度和光強(qiáng)度——可以創(chuàng)造出分辨率更高、美感獨(dú)特的物體。劉任表示，這種3D打印新技術(shù)有可能得到進(jìn)一步發(fā)展，在沒(méi)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(jī)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(fù)雜零件成為一項(xiàng)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(fù)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(biāo)題為“Chinese scientists develop cutting-edge tech for 3D ceramic printing in the air to create complex engineering parts”。

近日，中國(guó)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種無(wú)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(wú)法實(shí)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(lái)防止未支撐部件的坍塌。這種額外的骨架不僅會(huì)影響打印效率，還會(huì)引發(fā)與移除這些支撐相關(guān)的問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，江南大學(xué)劉任教授和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的印刷漿料和改進(jìn)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(duì)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(zhǎng)絲的原位固化，并通過(guò)無(wú)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(tuán)隊(duì)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(shí)迅速固化并增加強(qiáng)度。在一定的NIR輻射強(qiáng)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(méi)有支撐的情況下在空間中自由延伸。印刷過(guò)程平穩(wěn)連續(xù)，不需要加熱或冷卻，”劉任在論文中說(shuō)。

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

在視頻演示中，劉和他的團(tuán)隊(duì)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?zé)Y(jié)或壓實(shí)成型過(guò)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(duì)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(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，陶瓷材料的不同光固化特性可能會(huì)在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中導(dǎo)致翹曲、分層和裂紋。該團(tuán)隊(duì)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(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵不僅是消除了典型打印過(guò)程中所需的支持，而且還帶來(lái)了許多其他優(yōu)勢(shì)，例如減少打印時(shí)間、材料使用和后處理工作量，”劉任在論文中說(shuō)。

該論文稱，墨水成分和打印參數(shù)的改進(jìn)——例如噴嘴直徑、擠壓壓力、移動(dòng)速度和光強(qiáng)度——可以創(chuàng)造出分辨率更高、美感獨(dú)特的物體。劉任表示，這種3D打印新技術(shù)有可能得到進(jìn)一步發(fā)展，在沒(méi)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