江大团队开发新型陶瓷3D打印方法，实现复杂陶瓷材料的按需打印
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麻省理工科技评论-江大团队开发新型陶瓷3D打印方法，实现复杂陶瓷材料的按需打印
众所周知，陶瓷材料是伴随着人类发展的一类重要材料。人们既可以基于其出色的美学效果，制作花瓶、烛台等工艺美术品；又能借助其优良的力学性能，制造各种实用的生产和生活用品。
历史上，用来制备陶瓷材料的方法非常多。不过，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。
近年来，增材制造方法的出现，推动了复杂陶瓷材料朝着结构和功能一体化的方向发展。陶瓷材料的应用范围也因此得到了极大扩展，诸如机械、航空航天、生物医学、电子等行业领域，都少不了陶瓷材料的存在。
需要说明的是，基于重力的影响等因素考虑，为了更好地制造具有大跨度结构的陶瓷材料，必须采用一些附加的支撑结构。但是，这些支撑结构也会给陶瓷材料某些性能的发挥带来负面影响。
作为一种发展成熟的 3D 打印技术，光固化技术拥有打印速度快、精度高、制造材料多样等优点。由于高分子材料具有良好的光穿透性，因此目前该技术已经在高分子材料领域获得广泛应用；而陶瓷材料的紫外光穿透性较弱，所以光固化技术在该材料领域应用得还比较少。
如果能够增加陶瓷材料的光穿透性，进而发展光固化的陶瓷打印方法，就能避免额外的辅助支撑，实现材料的按需打印。
基于上述设想，近期，来自江南大学的研究团队构建了一种新的陶瓷 3D 打印方法，将直接墨水书写和近红外光诱导的上转换粒子（up-conversion particles，UCPs）辅助光聚合（assisted photopolymerization，UCAP）工艺耦合在一起，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。
2023 年 4 月 25 日，相关论文以《通过近红外辅助直写墨水 3D 打印无支撑多尺度大跨度陶瓷》（3D printing of unsupported multi-scale and large-span ceramic via near-infrared assisted direct ink writing）为题在 Nature Communications 上发表[1]。
江南大学博士研究生赵永勤为该论文的第一作者，江南大学刘仁教授担任论文的通讯作者。
据刘仁介绍，自 2015 年起，他便带领团队开始研究近红外光固化方法。“由于光的时间和空间都比较可控，且其波长越长，在材料中的穿透性就越强，因此可以被发展成一种非常优秀的材料固化方式。事实上，现在商用的光主要是紫外光，也已经发展得比较成熟，但基于紫外光固化出的材料一般比较薄。对此，我们就想发展近红外光固化方法。”刘仁说。
2020 年，该团队开始研究陶瓷浆料的 3D 打印。他们采用近红外光作为固化光源，来实现陶瓷浆料的固化。其中，基于 UCAP 的工艺，当近红外光的照射强度达到一定程度时，陶瓷浆料会在瞬间固化成稳定的结构，打印出的线条。与此同时，也能在无支撑的条件下，实现自由延伸。
“这项研究总共用了三年时间。期间，我们一直处于不断遭遇失败和不断进行调整的过程。即便如此，赵永勤同学也依然保持执着向前的精神，无论面临什么难题，都能沉下心来认真地分析和解决。他是工作了六年以后又来读博的，所以从这个方面来看，我感到非常欣慰并对他赞赏。”刘仁说。
利用所开发的打印技术，刘仁团队不仅原位固化了直径范围在 410 微米至 3.5 毫米的长丝，还以无支撑打印的方式，成功构建了扭力弹簧、三维弯曲、悬臂梁等陶瓷结构。
从过程上看，打印的全程不需要加热和等待冷却，因此能做到流畅连续地工作；从结果上看，由于打印的时间和空间都是可以控制的，所以也能以较快的速度制造复杂的结构组件。
刘仁认为，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。“我们的材料里面有可以实现近红外光固化的光引发体系。也就是说，我们可以通过光引发体系的组成和用量的调整，来调节整个固化速度和固化效果。”他表示。
目前，刘仁和团队正在进一步优化打印的装置，以更好地提升固化效率和效果。接下来，他们计划根据具体的应用场景对该方法进行二次开发，助推这项技术真正落地实际应用。
参考资料：
1. Zhao, Y., Zhu, J., He, W. et al. 3D printing of unsupported multi-scale and large-span ceramic via near-infrared assisted direct ink writing. Nature Communications 14, 2381 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38082-8
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