在最近发表在《增材制造》杂志上的一篇文章中，研究人员讨论了工艺温度对二氧化硅基陶瓷芯的热陶瓷光刻中的还原光聚合的影响。

背景

由于其重量轻、可持续性、坚固性和其他高性能特性，陶瓷在航空航天工业以及许多其他行业中的应用越来越广泛。在寻求更节能的涡轮机时，非常需要冷却通道的复杂性，因此也需要陶瓷芯。

由于陶瓷芯的几何复杂性不断增加，陶瓷增材制造 (AM) 已成为未来复杂零件开发最实用的生产技术。生产陶瓷芯的传统方法，称为陶瓷注射成型 (CIM)，需要高压注射设备和复杂、昂贵且耗时的注射模具。

还原光聚合 (VPP) 是最广泛使用的商业陶瓷印刷技术。立体光刻 (SLA) 是最古老的 VPP 技术。最近创建的另外两种 VPP 方法是液晶显示器 (LCD) 和数字光处理 (DLP)。根据早期的研究，可以通过降低陶瓷油墨的整体粘度和提高光固化（甲基）丙烯酸酯单体（粘合剂组合）的反应性来改善生坯的机械性能。

然而，工艺要素之一，即打印温度，也可能非常重要。尽管有几家商业打印机制造商提供预热缸系统作为现成的解决方案，但仅进行了少量研究来研究热量如何影响光敏聚合物的聚合、机械特性和转化率。

关于研究

在这项研究中，作者描述了陶瓷负载混合物的高温缸光聚合，也称为热陶瓷光刻，用于 3D 打印用于航空和工业涡轮机热部分部件的二氧化硅基陶瓷芯。基础树脂粘合剂的聚合度和陶瓷浆料的流变行为，以及热光刻，都可能对 3D 打印陶瓷物体的烧结前和烧结后质量产生重大影响。

通过对仅含粘合剂的印刷品进行拉伸、动态机械分析 (DMA) 和傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 分析，作者试图更好地了解各种印刷温度如何在加载陶瓷之前改变基本粘合剂组合的性能粒子。

该团队评估了较高的印刷温度如何影响加载陶瓷的粘合剂组合的机械特性。当工艺温度设置为接近粘合剂组合的初始玻璃化转变温度时，基础粘合剂和陶瓷负载混合物都产生了最高的机械特性。与传统的室温大桶光聚合印刷相比，建议的印刷温度更高，以提高单体和活性物质的迁移率，但低于引起热诱导交联的量。

研究人员检查了温度对高负载陶瓷混合物（61.2 vol.% of SiO 2 -ZrSiO 4）的流变行为和剥离力的影响。在 35 °C 的工艺温度下，悬浮液表现出从剪切增稠到剪切稀化的强烈转变，这对于完美的陶瓷 3D 打印来说非常出色。在 25 °C 时，悬浮液表现出剪切增稠行为，这使得在打印过程中难以补充浆料。当打印温度升至 45 °C 和随后升至 55 °C 时，混合物的粘度在非常低的剪切速率下增加，这对剥离力有影响。

观察

根据研究结果，印刷温度对组件的机械性能和基础粘合剂的转化率有相当大的影响。当检查印刷温度对基础粘合剂机械特性的影响时，工艺温度、极限拉伸强度 (UTS) 和转化率之间存在正相关关系。

当打印温度超过粘合剂系统的 Tg 时，注意到对零件的机械性能产生负面影响。陶瓷悬浮印刷温度与粘合剂材料的初始 Tg 之间的更紧密匹配也可以大大提高陶瓷物体的生坯强度。由于添加的 SiO 2 -ZrSiO 4的体积分数更大，本研究中使用的高陶瓷负载粘合剂混合物在 25 °C 时表现出剪切增稠行为。

这种剪切增稠行为阻止了在打印大而复杂的部件期间持续补充浆料，从而导致层分层，并最终导致烧结后打印件变形。热量对两种陶瓷悬浮液的临界剪切都有影响，在高温下表现出从剪切增稠到剪切增稠行为的快速转变。

当工艺温度从 35°C 增加到 55°C 时，混合物在几乎无剪切下的粘度显着增加。流变学研究的最重要发现是在印刷过程中或印刷周期之间在 35°C 下没有明显的粘度峰值，这表明两种悬浮液在此最佳温度下的行为接近牛顿。当在超过 35 °C 的温度下打印时，具有 B-37 悬浮液的复杂形状的磁芯在打印和烧结过程中失效。

剥离试验的结果表明，在 45°C 和 55°C 的高温下，粘合剂混合物的交联度和反应性对剥离力的危害大于粘度的增加。B-37 在高温下表现出比 B-42 低的粘度这一事实证实了这一点，但剥离力数据显示出逆转趋势，B-42 混合物的剥离力低于 B-37，这是由于较低的在这些温度下的反应性和交联密度。

结论

总之，这项研究阐明了陶瓷负载混合物的高温 VPP，或所谓的热陶瓷光刻，以便使用商业 LCD 屏幕立体光刻印刷二氧化硅基陶瓷芯。陶瓷悬浮液在 35 °C 温度下打印，并使用 B-37 粘合剂混合物制成，是最佳的混合物和打印参数选择。验证研究展示了如何使用热陶瓷光刻技术成功打印尺寸精度高的复杂形状陶瓷。

由于他们加大了减少碳足迹的努力，涡轮和喷气发动机的生产商能够制造出更复杂、更省油的部件。增加的交联密度和基础粘合剂的反应性导致固化层和印刷机透明薄膜之间的粘合力更强，从而导致更高的分离/剥离压力。

作者提到，在适当的印刷温度下进行热陶瓷光刻可以解决各种印刷和印刷后问题，从而使陶瓷组件更坚固、尺寸更精确。

他们还表示，这项研究提供了一种方法，用于确定基于基料粘合剂和陶瓷负载混合物的陶瓷印刷 VPP 应用的理想印刷温度。