江南大学科研团队实现多尺度、大跨度陶瓷无支撑3D打印！

来源：江南大学 微信号：jnu-1958

2023年10月，江南大学刘仁教授团队通过结合直接墨水书写和近红外诱导的上转换粒子辅助光聚合，实现了多尺度和大跨度陶瓷的无支撑3D打印。如同“神笔马良”的神奇画笔，丝滑且快速地“画”出陶瓷材料！

陶瓷具有结构稳定、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能，被广泛应用于机械、电子、能源、航空航天和生物医学等领域。然而，陶瓷材料具有较强的硬度和脆性，采用传统的成型工艺，无法快速、精密地制备出形状复杂的陶瓷部件。增材制造技术的出现，为获得具有综合结构和功能的复杂陶瓷提供了一种高效、便捷的方法。当3D打印具有低角度和大跨度结构的构件时，通常会使用额外的支撑结构来避免悬空部分的坍塌。这种额外的支撑不仅影响了打印效率，而且会影响制造良率。目前发展迅速的光固化3D 打印技术速度快、精度高且可实现无支撑打印，但紫外光在陶瓷浆料中穿透性较弱，限制了该打印技术在陶瓷材料增材制造中的广泛应用。

图 紫外光与近红外光的固化深度

针对上述问题，刘仁教授团队构建了一种利用近红外光聚合实现浆料原位固化的陶瓷 3D 打印新方法。利用穿透性更强的近红外光，在打印过程中激发陶瓷浆料所含的光引发体系产生自由基，实现其原位固化。在固化速率可控的条件下，实现无支撑、多尺度、大跨度的复杂陶瓷材料的按需打印。

图 NIR-DIW的打印效率

图 打印无支撑的3D物体

该技术通过墨水直写和近红外光聚合技术的结合，实现了多尺度、大跨度陶瓷的无支撑3D打印。就像传统神话 “神笔马良”中的神奇画笔，能够实现多尺度长丝（直径从410微米到3.50毫米）的原位固化，并通过无支撑打印成功绘制出扭转弹簧、三维弯曲和悬臂梁的陶瓷结构。无支撑的打印技术充分实现了3D打印“所想即所得” 的优势，同时减少了打印时间、材料使用和后处理工作量。

图 多材料陶瓷的打印

刘仁教授简介

刘仁，1980年12月生，博士，教授，博士生导师。江南大学化学与材料工程学院院长，全国涂料和颜料标准化技术委员会委员，集成电路材料产业技术创新战略联盟监事，《涂料工业》、《中国涂料》、《影像科学与光化学》编委。2011年3月于江南大学获博士学位，曾在美国北达科他州立大学和香港中文大学开展访问研究。主要开展环保涂料、微电子化学品、复合材料和增材制造领域光聚合基础及应用技术研究，主持并完成国家自然科学基金、科技重大专项子课题、江苏省重点研发计划项目及企业委托课题20余项，研究成果先后获得中国专利优秀奖、教育部科技进步二等奖、江苏省科技进步二等奖和中国感光学会青年科技奖等。入选国家级领军人才、江苏省333工程高层次人才培养工程和江苏省青蓝工程中青年学术带头人，获《涂料工业》创刊60周年“行业杰出人物”荣誉称号。

小鼋提问

这项技术未来可以用于哪些场合呢？

教授解答

本技术为陶瓷3D打印提供了一种新的解决方案，这种无支撑快速打印一方面有望优化部分成熟应用的陶瓷制品制造技术；另一方面有望助推机械、饰品、生物医学等领域用特殊结构陶瓷材料的创新应用。

小鼋提问

在视频里这个蓝色的光点是啥？

教授解答

因为近红外光是肉眼看不到的，所看到的光点是浆料中的上转换粒子在近红外光照射下激发出的紫外-可见光。在980 nm近红外光激发下，所用的上转换粒子在紫外区域具有位于345 nm及362 nm的两个特征发射峰，在可见光区具有451 nm和476 nm的特征发射峰。

小鼋提问

实际情况下，这个陶瓷材料打印的速度真的就和我们做蛋糕挤奶油那么丝滑和快速吗？（视频有没有加速？）

教授解答

视频是5倍速的。本技术的陶瓷材料打印是可以和做蛋糕挤奶油那样丝滑和快速的。打印的全程不需要加热或冷却，因此能够流畅连续地工作。

由于打印的时间和空间都是可以控制的，因此能以较快的速度制造复杂的结构组件。要实现打印速度和固化程度之间的平衡，是整个研究过程中挑战性最大的环节。浆料的最大打印速度和打印参数密切相关，如喷嘴直径、挤出压力、打印程序、辐照光强等；也可以调节浆料成分，如光引发体系的组成、用量等。

小鼋提问

这个陶瓷材料就是我们熟知的陶瓷吗？

教授解答

并非我们日常生活中常见的盆、盘、碗、碟之类的日用瓷或青花、五彩之类的艺术瓷，而是具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、耐化学腐蚀等优异性能的先进陶瓷材料，目前先进陶瓷材料在机械、电子、能源、航空航天和生物医学等领域都有重要应用。

小鼋提问

从实验室走出来大概还要哪几步呢？

教授解答

目前仅建立了一种新的光固化陶瓷3D打印技术。要实现产业应用，一方面要优化打印装置、光源匹配系统和控制软件，以进一步提升固化效率、打印效果和稳定性。另一方面，则需根据具体应用场景下的陶瓷性能要求，开发相应的陶瓷浆料。

小鼋提问

这项技术解决了目前陶瓷材料的哪些问题呢？

教授解答

NIR-DIW的无支撑打印技术实现了高固含量陶瓷浆料的快速原位固化，为陶瓷3D打印提供了更高的设计和制造自由度，同时也降低了陶瓷的烧结收缩率。

NIR-DIW的无支撑增材制造技术，为陶瓷增材制造设计提供了更高的自由度。这项技术的关键不仅在于消除了典型打印过程中所需要的支撑，而且还具有许多其他优势，如减少打印时间、材料用量和后处理工作。相信NIR-DIW方法将被进一步扩展，在没有支持的情况下制造的陶瓷几何形状将有助于产生更多的创新和更广泛的应用。