供稿人：陈旭、王富 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-05-26
陶瓷材料因具有高强度、高硬度、良好的耐热性和优异的化学稳定性，被广泛应用于电子、生物医学、航空航天等领域。陶瓷增材制造作为一类快速发展的制造技术，在复杂、高精度的陶瓷零件的制造方面体现出独特的优势。目前，大多数陶瓷增材制造技术都是针对单一材料开发的，这限制了具有复杂功能多材料集成组件的应用。此外，陶瓷多材料增材制造的尝试也主要集中于多喷头挤出成型工艺，制造精度差、不同材料易污染是存在的主要问题。
2022年1月，来自清华大学的团队首次提出了一种基于DLP（digital light processing）的新颖高精度陶瓷多材料增材制造技术。考虑到陶瓷浆料的高粘度特性和材料易交叉污染的问题，通过引入一种柔性周期性循环制造工艺来实现陶瓷多材料增材制造：浆料涂覆-曝光-清洗-烘干（如图1所示），最多可以实现3种不同材料的集成打印。具体工艺流程为：首先根据多材料区域划分和切片处理结果选择目标材料，并将平台和投影屏移动到对应的材料工位进行单层曝光固化；然后抬升平台并判断是否需要切换材料，如果无需切换材料则继续进行下一层曝光固化，如果需要切换材料则将平台依次移动到清洗、烘干和下一层材料对应的工位，如此循环往复得到多材料打印制件。
图1 基于DLP技术的高精度陶瓷多材料增材制造工艺原理示意图
通过对典型多材料模型的单层曝光图案研究，得到“单连通图案”优先于“多连通图案”的曝光策略更有利于高精度微小几何特征的成形。针对4种典型的清洗剂（纯水、75%乙醇、30%表面活性剂和石油醚），研究了多材料陶瓷制件在水平方向和竖直方向的界面结合情况及界面几何精度，其中表面活性剂展现出了最好的清洁效果。针对典型多材料陶瓷制件，不同清洗剂的界面清洗效果如图2所示。此外，研究还根据光散射效应提出了一种误差补偿方法以便更好地控制多材料陶瓷的界面几何精度。
图2 不同清洗剂的界面清洗效果对比
最后，研究者利用所提出的多材料陶瓷成形方案，进行了高精度陶瓷多材料复杂结构样件（图3）、陶瓷-金属复合结构样件的制备（图4）。所制备的多材料样件不仅展示了清晰的材料界面和精确的几何特征，而且在一定程度上拓展了材料的应用范围。该技术有望在面向复杂功能的多材料集成零件制造领域发挥潜在优势。
图3 复杂结构多材料陶瓷样件
图4 功能性陶瓷-金属复合样件