分散劑濃度對(duì)提高光固化3D打印陶瓷打印精度和表面質(zhì)量的影響

供稿人：馬偉剛、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在基于漿料的3D打印技術(shù)中心，DLP技術(shù)因其分辨率高、加工時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是一種很有前景的陶瓷制造技術(shù)。用于DLP打印技術(shù)的陶瓷漿料一般由陶瓷粉體、光敏單體、光引發(fā)劑和分散劑組成，目前大量的研究研究了分散劑對(duì)陶瓷漿料流變性能的影響，但在不同曝光時(shí)間下，分散劑濃度與漿料固化性能之間的關(guān)系缺乏探討。針對(duì)以上問題，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）以鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷為研究對(duì)象，著重分析了分散劑濃度對(duì)漿料固化性能的影響，進(jìn)而確定了最佳分散劑濃度，提高了打印精度與表面質(zhì)量。

相關(guān)研究人員配置了具有不同分散劑濃度的3中陶瓷漿料：S-80/1、S-80/2、S-80/3，分散劑的濃度分別為1wt%（占陶瓷粉體）、2wt%、3wt%，研究了分散劑濃度對(duì)陶瓷懸浮液流變行為、分散行為和固化行為的影響。首先，采用紅外光譜法評(píng)價(jià)分散劑在顆粒表面的吸附程度，如圖1所示。

圖1 (a) 純陶瓷顆粒(PZT)和-分散劑(BYK)的FTIR光譜；(b，c)三種陶瓷懸浮液配方(S-80/1、S- 80/2和S-80/3)的FTIR光譜分析

通過流變性和分散性分析的結(jié)果驗(yàn)證了不同分散劑濃度所形成的顆粒表面界面結(jié)構(gòu)的差異，兩種分析結(jié)果均與分散劑在顆粒表面吸附程度隨分散劑濃度變化的結(jié)果相一致，最佳分散劑濃度下的陶瓷懸浮液粘度最低，剪切減薄行為最強(qiáng)，沉降速度最慢，分散穩(wěn)定性最高，如圖2所示。

圖2 不同分散劑濃度下PZT陶瓷漿料流變性能與分散穩(wěn)定性能分析

通過光聚合動(dòng)力學(xué)、表面粗糙度、固化深度、固化寬度等測(cè)試結(jié)果，研究了分散劑濃度對(duì)DLP印刷陶瓷組份固化性能的影響。當(dāng)分散劑濃度為2 wt%時(shí)，陶瓷漿料的轉(zhuǎn)化率和光聚合速率均最高。此外，研究發(fā)現(xiàn)，不同曝光時(shí)間（即曝光能量）顯著影響固化深度、過固化寬度(即尺寸精度)以及表面和表面粗糙度（即表面質(zhì)量）。在三種陶瓷懸浮液配方中，S-80/2配方在所有曝光能量下都表現(xiàn)出最高的尺寸精度和良好的表面質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 不同曝光時(shí)間下制件表面粗糙度（a、b、c）與過固化寬度（d、e）分析

從固化深度分析，s -80/2配方在較低能量劑量(30 ~ 90 mJ/cm2，對(duì)應(yīng)曝光時(shí)間10 ~ 30 s)下固化深度最高。因此，在分析能量劑量對(duì)分散劑效果的影響時(shí)，從固化深度、過固化寬度和表面粗糙度來(lái)看，分散劑濃度為2wt %的S-80/2配方在曝光能量為30 ~ 90 mJ/cm2時(shí)為最優(yōu)配方。該研究結(jié)果不僅可用于分散劑濃度的優(yōu)化，還可用于打印參數(shù)的優(yōu)化，以提高DLP印刷技術(shù)制備陶瓷零件的印刷質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：
KIM I, KIM S, ANDREU A, et al. Influence of dispersant concentration toward enhancing printing precision and surface quality of vat photopolymerization 3D printed ceramics [J]. Addit Manuf, 2022, 52.