滑铁卢大学：利用功能分级陶瓷3D打印灯罩

2023年1月18日，南极熊获悉，加拿大滑铁卢大学的研究人员提出了一种利用功能分级陶瓷3D打印家居用品的新颖方法。



研究人员通过对功能梯度材料进行精确编译，可以赋予它们不同的表面特性，使其满足特定应用的需求。Waterloo团队创造了一种分级的粘土基复合材料，现在已经开发出在湿法加工过程中改变其形状的方法，并将3D打印应用到可以“分级”灯照明的灯罩上。


△正在 3D 打印的研究人员之一的灯罩。照片来自滑铁卢大学的 James Clarke-Hicks。

改变打印件构建结构
当提及到目前建筑行业使用的陶瓷配方时，人们往往是研究材料的均匀性。这是因为各个陶瓷单元之间的一致性能够提高生产过程的可预测性和成本，并且还有助于将它们应用到如砖块或瓷砖等地方。

传统粘土制造的另一个核心要素在于材料性能属性的调节，这是一种能够最大限度地减少变形的方法。粘土加工有许多成型方法，包括在湿法加工过程中使用模具等方法。 通过在粘土3D打印部件中利用其塑性变形特点，滑铁卢大学团队提出，有可能实现以前无法实现的具有“可变截面”的构建结构。研究人员指出，这在创建具有所需稳定性、截面宽度和孔隙率的结构时很有用途，例如从不透明到高度多孔的结构。


△工程师的自定义数字工具路径。图片来自滑铁卢大学。

创建功能渐变的结构
一旦他们配制出功能分级材料，该团队便着手开发一种适用于此材料的精确3D打印方法。用粘土生产零件比用聚合物有难度，因为它更重、粘弹性更高、界面结合力更低，这些特性可能会导致3D模型与其打印模型之间存在差异。 为了解决这个问题，研究人员决定放弃切片软件，并在 Grasshopper 中提出他们自己的刀具路径设计，利用材料的下垂特性，创建非平面结构。

在多次迭代工具路径以减少几何生成、打印分辨率、挤压域和速度值的数字变量数量后，该团队在实践中进行了使用。滑铁卢工程师利用液体沉积(LDM) 3D打印技术，制造了具有功能分级的孔径，使得光屏具有改变照明亮度的不同孔隙率。

通过沉积一系列无支撑的悬垂物创建孔径，研究人员使用三种不同的设计进行了测试，光屏分别具有小、中和大间隙。虽然其中最小的具有单层的孔径，但较大的构建分别使用11层和17层的循环制造方式，每种情况最终都产生了成功的结构。

研究人员实验中最令人印象深刻的方面是最大的灯罩包含两种不同的图案，它们重叠在其外部形成两个不同的照明架。未来，该团队表示他们的方法可以“应用于多种基础几何形状”，包括灯具、装饰性组件和隐私屏幕等。


△研究人员 3D 打印功能梯度材料方法的概述。照片来自滑铁卢大学。

其他粘土3D打印
虽然在 3D 打印行业中并不常见，但作为建筑材料，它十分常用。WASP是该领域的早期领导者之一，该公司继续推进其粘土兼容技术，2021年还成功打印了本田的 3D 打印摩托车模型。



在其他更具实验性的应用中，代尔夫特理工大学的研究人员此前也开发了一种基于煅烧粘土的 3D 打印水泥。与传统水泥相比，这种新型陶瓷可以提供更好的流动一致性、水合性能和可施工性，这些都是精密挤压的关键方面。

更多研究内容可下载原文查看：https://doi.org/10.1007/s44150-022-00079-0