江南大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)多尺度、大跨度陶瓷無(wú)支撐3D打印！
時(shí)間：2023-10-19 09:31 來(lái)源：江南大學(xué) 作者：admin 閱讀：次
來(lái)源：江南大學(xué) 微信號(hào)：jnu-1958
2023年10月，江南大學(xué)劉仁教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合直接墨水書寫和近紅外誘導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合，實(shí)現(xiàn)了多尺度和大跨度陶瓷的無(wú)支撐3D打印。如同“神筆馬良”的神奇畫筆，絲滑且快速地“畫”出陶瓷材料！
陶瓷具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，陶瓷材料具有較強(qiáng)的硬度和脆性，采用傳統(tǒng)的成型工藝，無(wú)法快速、精密地制備出形狀復(fù)雜的陶瓷部件。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為獲得具有綜合結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜陶瓷提供了一種高效、便捷的方法。當(dāng)3D打印具有低角度和大跨度結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時(shí)，通常會(huì)使用額外的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)避免懸空部分的坍塌。這種額外的支撐不僅影響了打印效率，而且會(huì)影響制造良率。目前發(fā)展迅速的光固化3D 打印技術(shù)速度快、精度高且可實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐打印，但紫外光在陶瓷漿料中穿透性較弱，限制了該打印技術(shù)在陶瓷材料增材制造中的廣泛應(yīng)用。
針對(duì)上述問(wèn)題，劉仁教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種利用近紅外光聚合實(shí)現(xiàn)漿料原位固化的陶瓷 3D 打印新方法。利用穿透性更強(qiáng)的近紅外光，在打印過(guò)程中激發(fā)陶瓷漿料所含的光引發(fā)體系產(chǎn)生自由基，實(shí)現(xiàn)其原位固化。在固化速率可控的條件下，實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐、多尺度、大跨度的復(fù)雜陶瓷材料的按需打印。
該技術(shù)通過(guò)墨水直寫和近紅外光聚合技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多尺度、大跨度陶瓷的無(wú)支撐3D打印。就像傳統(tǒng)神話 “神筆馬良”中的神奇畫筆，能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度長(zhǎng)絲（直徑從410微米到3.50毫米）的原位固化，并通過(guò)無(wú)支撐打印成功繪制出扭轉(zhuǎn)彈簧、三維彎曲和懸臂梁的陶瓷結(jié)構(gòu)。無(wú)支撐的打印技術(shù)充分實(shí)現(xiàn)了3D打印“所想即所得” 的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)減少了打印時(shí)間、材料使用和后處理工作量。
劉仁教授簡(jiǎn)介
劉仁，1980年12月生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院院長(zhǎng)，全國(guó)涂料和顏料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，集成電路材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟監(jiān)事，《涂料工業(yè)》、《中國(guó)涂料》、《影像科學(xué)與光化學(xué)》編委。2011年3月于江南大學(xué)獲博士學(xué)位，曾在美國(guó)北達(dá)科他州立大學(xué)和香港中文大學(xué)開(kāi)展訪問(wèn)研究。主要開(kāi)展環(huán)保涂料、微電子化學(xué)品、復(fù)合材料和增材制造領(lǐng)域光聚合基礎(chǔ)及應(yīng)用技術(shù)研究，主持并完成國(guó)家自然科學(xué)基金、科技重大專項(xiàng)子課題、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及企業(yè)委托課題20余項(xiàng)，研究成果先后獲得中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、江蘇省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和中國(guó)感光學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)等。入選國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才、江蘇省333工程高層次人才培養(yǎng)工程和江蘇省青藍(lán)工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人，獲《涂料工業(yè)》創(chuàng)刊60周年“行業(yè)杰出人物”榮譽(yù)稱號(hào)。
小黿提問(wèn)
這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)可以用于哪些場(chǎng)合呢？
教授解答
本技術(shù)為陶瓷3D打印提供了一種新的解決方案，這種無(wú)支撐快速打印一方面有望優(yōu)化部分成熟應(yīng)用的陶瓷制品制造技術(shù)；另一方面有望助推機(jī)械、飾品、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域用特殊結(jié)構(gòu)陶瓷材料的創(chuàng)新應(yīng)用。
小黿提問(wèn)
在視頻里這個(gè)藍(lán)色的光點(diǎn)是啥？
教授解答
因?yàn)榻t外光是肉眼看不到的，所看到的光點(diǎn)是漿料中的上轉(zhuǎn)換粒子在近紅外光照射下激發(fā)出的紫外-可見(jiàn)光。在980 nm近紅外光激發(fā)下，所用的上轉(zhuǎn)換粒子在紫外區(qū)域具有位于345 nm及362 nm的兩個(gè)特征發(fā)射峰，在可見(jiàn)光區(qū)具有451 nm和476 nm的特征發(fā)射峰。
小黿提問(wèn)
實(shí)際情況下，這個(gè)陶瓷材料打印的速度真的就和我們做蛋糕擠奶油那么絲滑和快速嗎？（視頻有沒(méi)有加速？）
教授解答
視頻是5倍速的。本技術(shù)的陶瓷材料打印是可以和做蛋糕擠奶油那樣絲滑和快速的。打印的全程不需要加熱或冷卻，因此能夠流暢連續(xù)地工作。
由于打印的時(shí)間和空間都是可以控制的，因此能以較快的速度制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組件。要實(shí)現(xiàn)打印速度和固化程度之間的平衡，是整個(gè)研究過(guò)程中挑戰(zhàn)性最大的環(huán)節(jié)。漿料的最大打印速度和打印參數(shù)密切相關(guān)，如噴嘴直徑、擠出壓力、打印程序、輻照光強(qiáng)等；也可以調(diào)節(jié)漿料成分，如光引發(fā)體系的組成、用量等。
小黿提問(wèn)
這個(gè)陶瓷材料就是我們熟知的陶瓷嗎？
教授解答
并非我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的盆、盤、碗、碟之類的日用瓷或青花、五彩之類的藝術(shù)瓷，而是具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能的先進(jìn)陶瓷材料，目前先進(jìn)陶瓷材料在機(jī)械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。
小黿提問(wèn)
從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)大概還要哪幾步呢？
教授解答
目前僅建立了一種新的光固化陶瓷3D打印技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，一方面要優(yōu)化打印裝置、光源匹配系統(tǒng)和控制軟件，以進(jìn)一步提升固化效率、打印效果和穩(wěn)定性。另一方面，則需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景下的陶瓷性能要求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的陶瓷漿料。
小黿提問(wèn)
這項(xiàng)技術(shù)解決了目前陶瓷材料的哪些問(wèn)題呢？
教授解答
NIR-DIW的無(wú)支撐打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高固含量陶瓷漿料的快速原位固化，為陶瓷3D打印提供了更高的設(shè)計(jì)和制造自由度，同時(shí)也降低了陶瓷的燒結(jié)收縮率。
NIR-DIW的無(wú)支撐增材制造技術(shù)，為陶瓷增材制造設(shè)計(jì)提供了更高的自由度。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵不僅在于消除了典型打印過(guò)程中所需要的支撐，而且還具有許多其他優(yōu)勢(shì)，如減少打印時(shí)間、材料用量和后處理工作。相信NIR-DIW方法將被進(jìn)一步擴(kuò)展，在沒(méi)有支持的情況下制造的陶瓷幾何形狀將有助于產(chǎn)生更多的創(chuàng)新和更廣泛的應(yīng)用。
2023年10月，江南大學(xué)劉仁教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合直接墨水書寫和近紅外誘導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換粒子輔助光聚合，實(shí)現(xiàn)了多尺度和大跨度陶瓷的無(wú)支撐3D打印。如同“神筆馬良”的神奇畫筆，絲滑且快速地“畫”出陶瓷材料！
陶瓷具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而，陶瓷材料具有較強(qiáng)的硬度和脆性，采用傳統(tǒng)的成型工藝，無(wú)法快速、精密地制備出形狀復(fù)雜的陶瓷部件。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為獲得具有綜合結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜陶瓷提供了一種高效、便捷的方法。當(dāng)3D打印具有低角度和大跨度結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時(shí)，通常會(huì)使用額外的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)避免懸空部分的坍塌。這種額外的支撐不僅影響了打印效率，而且會(huì)影響制造良率。目前發(fā)展迅速的光固化3D 打印技術(shù)速度快、精度高且可實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐打印，但紫外光在陶瓷漿料中穿透性較弱，限制了該打印技術(shù)在陶瓷材料增材制造中的廣泛應(yīng)用。
圖 紫外光與近紅外光的固化深度
針對(duì)上述問(wèn)題，劉仁教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種利用近紅外光聚合實(shí)現(xiàn)漿料原位固化的陶瓷 3D 打印新方法。利用穿透性更強(qiáng)的近紅外光，在打印過(guò)程中激發(fā)陶瓷漿料所含的光引發(fā)體系產(chǎn)生自由基，實(shí)現(xiàn)其原位固化。在固化速率可控的條件下，實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐、多尺度、大跨度的復(fù)雜陶瓷材料的按需打印。
圖 NIR-DIW的打印效率
圖 打印無(wú)支撐的3D物體
該技術(shù)通過(guò)墨水直寫和近紅外光聚合技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多尺度、大跨度陶瓷的無(wú)支撐3D打印。就像傳統(tǒng)神話 “神筆馬良”中的神奇畫筆，能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度長(zhǎng)絲（直徑從410微米到3.50毫米）的原位固化，并通過(guò)無(wú)支撐打印成功繪制出扭轉(zhuǎn)彈簧、三維彎曲和懸臂梁的陶瓷結(jié)構(gòu)。無(wú)支撐的打印技術(shù)充分實(shí)現(xiàn)了3D打印“所想即所得” 的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)減少了打印時(shí)間、材料使用和后處理工作量。
圖 多材料陶瓷的打印
劉仁教授簡(jiǎn)介
劉仁，1980年12月生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院院長(zhǎng)，全國(guó)涂料和顏料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，集成電路材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟監(jiān)事，《涂料工業(yè)》、《中國(guó)涂料》、《影像科學(xué)與光化學(xué)》編委。2011年3月于江南大學(xué)獲博士學(xué)位，曾在美國(guó)北達(dá)科他州立大學(xué)和香港中文大學(xué)開(kāi)展訪問(wèn)研究。主要開(kāi)展環(huán)保涂料、微電子化學(xué)品、復(fù)合材料和增材制造領(lǐng)域光聚合基礎(chǔ)及應(yīng)用技術(shù)研究，主持并完成國(guó)家自然科學(xué)基金、科技重大專項(xiàng)子課題、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及企業(yè)委托課題20余項(xiàng)，研究成果先后獲得中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、江蘇省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和中國(guó)感光學(xué)會(huì)青年科技獎(jiǎng)等。入選國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才、江蘇省333工程高層次人才培養(yǎng)工程和江蘇省青藍(lán)工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人，獲《涂料工業(yè)》創(chuàng)刊60周年“行業(yè)杰出人物”榮譽(yù)稱號(hào)。
小黿提問(wèn)
這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)可以用于哪些場(chǎng)合呢？
教授解答
本技術(shù)為陶瓷3D打印提供了一種新的解決方案，這種無(wú)支撐快速打印一方面有望優(yōu)化部分成熟應(yīng)用的陶瓷制品制造技術(shù)；另一方面有望助推機(jī)械、飾品、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域用特殊結(jié)構(gòu)陶瓷材料的創(chuàng)新應(yīng)用。
小黿提問(wèn)
在視頻里這個(gè)藍(lán)色的光點(diǎn)是啥？
教授解答
因?yàn)榻t外光是肉眼看不到的，所看到的光點(diǎn)是漿料中的上轉(zhuǎn)換粒子在近紅外光照射下激發(fā)出的紫外-可見(jiàn)光。在980 nm近紅外光激發(fā)下，所用的上轉(zhuǎn)換粒子在紫外區(qū)域具有位于345 nm及362 nm的兩個(gè)特征發(fā)射峰，在可見(jiàn)光區(qū)具有451 nm和476 nm的特征發(fā)射峰。
小黿提問(wèn)
實(shí)際情況下，這個(gè)陶瓷材料打印的速度真的就和我們做蛋糕擠奶油那么絲滑和快速嗎？（視頻有沒(méi)有加速？）
教授解答
視頻是5倍速的。本技術(shù)的陶瓷材料打印是可以和做蛋糕擠奶油那樣絲滑和快速的。打印的全程不需要加熱或冷卻，因此能夠流暢連續(xù)地工作。
由于打印的時(shí)間和空間都是可以控制的，因此能以較快的速度制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組件。要實(shí)現(xiàn)打印速度和固化程度之間的平衡，是整個(gè)研究過(guò)程中挑戰(zhàn)性最大的環(huán)節(jié)。漿料的最大打印速度和打印參數(shù)密切相關(guān)，如噴嘴直徑、擠出壓力、打印程序、輻照光強(qiáng)等；也可以調(diào)節(jié)漿料成分，如光引發(fā)體系的組成、用量等。
小黿提問(wèn)
這個(gè)陶瓷材料就是我們熟知的陶瓷嗎？
教授解答
并非我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的盆、盤、碗、碟之類的日用瓷或青花、五彩之類的藝術(shù)瓷，而是具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能的先進(jìn)陶瓷材料，目前先進(jìn)陶瓷材料在機(jī)械、電子、能源、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。
小黿提問(wèn)
從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)大概還要哪幾步呢？
教授解答
目前僅建立了一種新的光固化陶瓷3D打印技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，一方面要優(yōu)化打印裝置、光源匹配系統(tǒng)和控制軟件，以進(jìn)一步提升固化效率、打印效果和穩(wěn)定性。另一方面，則需根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景下的陶瓷性能要求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的陶瓷漿料。
小黿提問(wèn)
這項(xiàng)技術(shù)解決了目前陶瓷材料的哪些問(wèn)題呢？
教授解答
NIR-DIW的無(wú)支撐打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高固含量陶瓷漿料的快速原位固化，為陶瓷3D打印提供了更高的設(shè)計(jì)和制造自由度，同時(shí)也降低了陶瓷的燒結(jié)收縮率。
NIR-DIW的無(wú)支撐增材制造技術(shù)，為陶瓷增材制造設(shè)計(jì)提供了更高的自由度。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵不僅在于消除了典型打印過(guò)程中所需要的支撐，而且還具有許多其他優(yōu)勢(shì)，如減少打印時(shí)間、材料用量和后處理工作。相信NIR-DIW方法將被進(jìn)一步擴(kuò)展，在沒(méi)有支持的情況下制造的陶瓷幾何形狀將有助于產(chǎn)生更多的創(chuàng)新和更廣泛的應(yīng)用。
(責(zé)任編輯：admin)
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