北京航空航天大學：壓電-氣動微噴3D打?。≒PMJ）技術(shù)，應用于高粘度壓電陶瓷打印

導讀：3D打印壓電陶瓷由于制造工藝周期短、成本低、可以制造復雜形狀或微結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，受到眾多領域的關(guān)注。盡管經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高固含量的陶瓷3D打印始終受限于打印技術(shù)的發(fā)展，高粘度高固含量壓電陶瓷材料增材制造的研究也一直是壓電陶瓷3D打印研究的核心內(nèi)容和重要前沿，也是難度最大、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

南極熊獲悉，2023年3月，為解決高粘度高固含量壓電陶瓷打印問題，北京航空航天大學機械學院課題組聯(lián)合清華材料學院及派和科技、君璟科技有限公司提出了一種壓電-氣動混合3D打印方法（PPMJ），基于100nm鈦酸鋇陶瓷粉末可以實現(xiàn)50vol%陶瓷漿料打印（其粘度高達383,135mPa·s），該研究題目為“Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry”的論文發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000829

壓電陶瓷材料為聲學、自供電傳感器、生物醫(yī)學設備和微電子領域的現(xiàn)代工程應用發(fā)展提供了基礎。隨著電子技術(shù)的革命和快速發(fā)展，由功能性壓電材料組成的應用器件需要結(jié)構(gòu)的多樣性，使得3D打印壓電陶瓷也在各個領域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

隨著陶瓷顆粒直徑的減小及固含量的增加，陶瓷漿料的粘度會大幅度增加，進而導致無法打印或打印性能差等一系列問題。北京航空航天大學機械系孫超超博士依托于清華大學材料學院及派和科技、君璟科技有限公司提出了壓電-氣動微噴3D打印技術(shù)，通過改善光固化陶瓷漿料，優(yōu)化打印參數(shù)及燒結(jié)工藝，最終基于0.2mm亞毫米級噴嘴實現(xiàn)了50vol%高固含量陶瓷漿料的打印。基于該技術(shù)可以實現(xiàn)寬粘度范圍的打印982–383,135mPs·s（固含量28—50vol%）。

△圖1 PPMJ混合打印系統(tǒng)

該研究中，作者對比了三種典型樹脂及四種常用分散劑的配方，通過比較每種漿料的流變特性，表明了每種分散劑針對不同樹脂的分散能力。此外，通過電鏡觀測手段實現(xiàn)了對分散劑最佳含量的直觀表征，為陶瓷漿料配方過程中分散劑最佳含量的確定奠定了基礎。

△圖2 分散劑種類對不同樹脂基陶瓷漿料流變特性的的影響

△圖3 分散劑含量對漿料流變性的影響

△圖4 燒結(jié)樣件的光學圖像

此外，研究中通過對比PPMJ打印樣件與傳統(tǒng)干壓樣品發(fā)現(xiàn)該打印技術(shù)所打印件的樣件性能與傳統(tǒng)干壓式相近，表明PPMJ可以用于低能量損失的壓電陶瓷打印。且實驗通過打印蜂窩狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了復合材料的制備，所制備的壓電-樹脂復合材料具有較低的介電系數(shù)，該技術(shù)可以廣泛應用在水聽器制備及傳感等領域。

△表 PPMJ打印技術(shù)與傳統(tǒng)干壓式對比

北京派和科技股份有限公司，是國內(nèi)圍繞“壓電陶瓷＋”的高端工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)平臺，北京專精特新中小企業(yè)。其開發(fā)的點膠封裝系統(tǒng)、Mini LED巨量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、皮升級生物打印系統(tǒng)等部分產(chǎn)品已實現(xiàn)批量生產(chǎn)與應用。

廣東君璟科技有限公司，是國內(nèi)陶瓷3D打印領域的一匹黑馬，依托清華、北航、北科、佛山新材料研究院等技術(shù)力量，重點打造陶瓷3D打印批量生產(chǎn)技術(shù)，與海內(nèi)外知名企業(yè)合作，善長陶瓷配方及燒成制度、各類光固化3D打印設備開發(fā)，新一代精密噴涂、五軸聯(lián)動、高精度直寫等泛半導體設備等開發(fā)、生產(chǎn)與銷售。