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2025
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行业新知丨陶瓷3D打印——基于光固化与材料挤出复合工艺的多材料的研究
作者：
目前，大多数增材制造技术只能实现单一陶瓷材料或层间均匀陶瓷分布，这对在任意空间内形成多材料复杂结构存在严重限制。近日，山东大学邹斌和邢宏宇教授带领团队在《Additive Manufacturing》发表了题为《Multi-material ceramic hybrid additive manufacturing based on vat photopolymerization and material extrusion compound process》的研究，他们提出了一种创新的复合工艺，通过光固化技术和材料挤出技术的结合，能够同时使用不同的陶瓷材料进行打印，且保持较高的精度与稳定性。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104627
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研究内容
在这项研究中，教授团队首次提出了一种基于 SLA 和材料挤出耦合工艺的多材料陶瓷激光固化增材制造。基于“涂层-固化-吹塑-挤出-固化”的循环过程，逐层制备多材料陶瓷部件。该设备通过进料平台供应高粘度陶瓷浆料，并利用多喷嘴模块的多个挤出喷嘴挤出各种陶瓷浆料。这种配置有助于同时使用多个挤出喷嘴，从而能够将不同的材料集成到单个组件中。
研究的关键在于利用光固化技术提供高分辨率的细节，而材料挤出则确保了更大的打印规模和更强的机械性能。此外，工艺中的温控系统和材料选择也是确保最终产品具有优异的热稳定性和强度的关键因素。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1， 陶瓷糊剂和浆料的制备过程。(a) A型陶瓷粉末的SEM图像。(b) B型陶瓷粉末的SEM图像。
△图2， ( a)多材料陶瓷增材连续成型总体工艺流程。(b)多喷嘴模块照片。(c)进料和打印平台照片。(d)刮刀照片。(e)回收箱照片。
△图3，不同陶瓷材料的材料特性：(a)剪切应力的变化。(b)粘度变化。(c)Zeta电位分布。(d)扩散效应。
△图4，不同陶瓷材料的材料特性：(a)剪切应力的变化。(b)粘度变化。(c)Zeta电位分布。(d)扩散效应。
△图 5. 不同激光功率和扫描速率下的白色糊状单层固化光盘的上表面形貌。
△图6，不同激光功率和扫描速率下每种陶瓷材料的（a）固化深度和（b）宽度，以及（c）400mW 下四种陶瓷材料的打印轮廓。
△图7，不同陶瓷材料的固化深度和宽度的拟合结果。（a）固化深度与lnE。（b）固化宽度与固化深度。
△图7，不同工艺吹出的线宽（a）气压，（c）移动速度，（e）内径，清洁结果随（b）气压，（d）移动速度和（f）内径的变化而变化。
△图8，（a）多材料零件成形示意图。（b）未补偿成形结果。（c）补偿成形结果。（d）间隙形成机制示意图
△图9，（a）“空槽”横截面，（b）台阶效应，（c）未补偿部分的横截面，（d）补偿部分的横截面，（e）补偿策略的测量示意图
△图10，具有层内和层间结构的多材料陶瓷样品：（a）内嵌字母的圆盘。（b）具有层间排列的矩形部分。（c）大尺寸多材料陶瓷结构
结论
综上所述，本研究在自主研发的CeraMultic 3D打印机上，建立了基于SLA与材料挤出耦合工艺的多材料陶瓷激光固化增材成型技术。通过控制5个运动模块，完成“涂覆-固化-吹气-挤出-固化”循环，实现多材料陶瓷部件的制备。为防止不同陶瓷材料之间转换时发生交叉污染，采用吹气嘴吹除残留糊料。
本研究针对SLA及材料挤出工艺制备了不同颜色、粘度的陶瓷浆料及浆体，研究分析了各类陶瓷材料的固化行为，获得了准确的固化特性预测模型。研究了材料挤出工艺参数对清理效果及挤出线形成特性的影响，优选了吹除残料的喷嘴工艺参数。分析了挤出喷嘴工艺参数对挤出线形成特性的交互影响，建立了挤出线宽度和线厚度的响应曲面回归模型。此外，还研究了陶瓷浆料激光固化打印烧结后的成型精度。
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