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《Additive Manufacturing》:陶瓷结构的4D打印

《Additive Manufacturing》:陶瓷结构的4D打印

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-02-22 09:51
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【概要描述】4D打印实现了3D打印的可控形状变形,并使复杂形状设计的多种可能性成为可能。然而,4D打印通常是应用于容易变形的软材料。而陶瓷本质上是硬而脆的,这阻碍了其在4D打印中的发展。本研究利用打印陶瓷在烧结过程中的应力不匹配,实现了陶瓷结构的4D打印。一般来说,3D打印陶瓷体烧结后的收缩率与所用陶瓷材料的固体含量成反比。奇遇科技团队通过打印底层高固含量、顶层低固含量的双层氧化锆(ZrO2)陶瓷,令其烧结收缩率的内应力的方向与低收缩率材料的轴向方向一致,实现其形状由平面变为弯曲结构。在这一过程中,研究人员通过选择不同的打印工艺来定制陶瓷结构的形状变形行为。最后,通过对陶瓷材料的固含量和打印路径进行编程,实现了具有各种特性的4d打印陶瓷花朵。

《Additive Manufacturing》:陶瓷结构的4D打印

【概要描述】4D打印实现了3D打印的可控形状变形,并使复杂形状设计的多种可能性成为可能。然而,4D打印通常是应用于容易变形的软材料。而陶瓷本质上是硬而脆的,这阻碍了其在4D打印中的发展。本研究利用打印陶瓷在烧结过程中的应力不匹配,实现了陶瓷结构的4D打印。一般来说,3D打印陶瓷体烧结后的收缩率与所用陶瓷材料的固体含量成反比。奇遇科技团队通过打印底层高固含量、顶层低固含量的双层氧化锆(ZrO2)陶瓷,令其烧结收缩率的内应力的方向与低收缩率材料的轴向方向一致,实现其形状由平面变为弯曲结构。在这一过程中,研究人员通过选择不同的打印工艺来定制陶瓷结构的形状变形行为。最后,通过对陶瓷材料的固含量和打印路径进行编程,实现了具有各种特性的4d打印陶瓷花朵。

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2023年1月13日,深圳奇遇科技有限公司联合清华大学深圳研究生院的研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为4D printing of ceramic structures的研究论文,提出并成功实现了复杂陶瓷结构的4D打印策略,通过精确调整陶瓷材料的固含量和打印路径,实现了陶瓷结构的可控形状变形。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103411

 

 

 研究简介 

 

4D打印实现了3D打印的可控形状变形,并使复杂形状设计的多种可能性成为可能。然而,4D打印通常是应用于容易变形的软材料。而陶瓷本质上是硬而脆的,这阻碍了其在4D打印中的发展。本研究利用打印陶瓷在烧结过程中的应力不匹配,实现了陶瓷结构的4D打印。一般来说,3D打印陶瓷体烧结后的收缩率与所用陶瓷材料的固体含量成反比。奇遇科技团队通过打印底层高固含量、顶层低固含量的双层氧化锆(ZrO2)陶瓷,令其烧结收缩率的内应力的方向与低收缩率材料的轴向方向一致,实现其形状由平面变为弯曲结构。在这一过程中,研究人员通过选择不同的打印工艺来定制陶瓷结构的形状变形行为。最后,通过对陶瓷材料的固含量和打印路径进行编程,实现了具有各种特性的4d打印陶瓷花朵。

 

图1 采用直写-烧结法进行陶瓷结构的4D打印(a、b)将ZrO2纳米颗粒与UV树脂按不同比例混合(c)含有均匀分散的ZrO2纳米颗粒的UV材料墨水(d)采用双喷嘴配备DIW技术并进行UV固化处理的陶瓷片3D打印(e)将3D打印的陶瓷片烧结后转化为4D打印的陶瓷结构

 

 

 

图2 烧结过程中陶瓷双分子层的自变形(a)以不同的路径打印双层陶瓷方块(b)烧结后双层陶瓷方块的形状变化(c)陶瓷方块烧结前后的对比(d)烧结后双层陶瓷矩形的几何形状(e)烧结后双层陶瓷椭圆的几何形状

 

 

 

图3 通过编程打印路径实现陶瓷花朵的4D打印(a)双层陶瓷的顶层以不同的路径打印(b)烧结后各种双层陶瓷多边形的形状变化(c)烧结前后堆叠陶瓷的俯视图(d)烧结前后堆叠陶瓷的侧视图

 

 

 

图4 通过调节UV墨水固含量实现陶瓷花的4D打印(a)烧结后各种双层陶瓷多边形和叠层陶瓷结构的形状变化(b)烧结后双层陶瓷的微观形貌(c)4D打印的陶瓷结构所模仿的花朵几何图形

 

 

 研究结论 

 

本文提出并研究了陶瓷结构的4D打印技术。首先对不同固含量的油墨烧结陶瓷的收缩率进行了估计。然后,利用DIW技术制备了双层ZrO2陶瓷。我们发现,在烧结过程中,顶层和底层之间的收缩不匹配导致了双层陶瓷的形状变化。因此,陶瓷的4D打印是通过烧结衍生的双层自变形来实现的。陶瓷油墨的固相含量和印刷路径都会影响陶瓷的自变形过程。通过裁剪上述两个参数,可以获得模仿花朵几何形状的4d打印陶瓷结构。这样,4D打印为DIW烧结工艺设计复杂陶瓷结构提供了一种可行的策略。本文提出的4D打印陶瓷结构也显示了一种可编程的自变形策略,这是一种有前途的自下而上的先进陶瓷制造方法。

 

 

 

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