研究

科学家们利用新方法成功地将陶瓷3D打印成本削减了95%

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一组研究人员西方的大学美国、加拿大和美国特兰托大学意大利的一项研究已经开发出一种低成本的3D打印全致密陶瓷结构的方法。

这种方法只使用了一台价格实惠的桌面FFF 3D打印机和聚合物衍生陶瓷(PDCs)材料。从本质上说,预陶瓷结构可以在聚合物状态下打印,并在熔炉中燃烧,以获得高分辨率的陶瓷部件,所有这些都不需要直接3D打印陶瓷相关的麻烦和成本。

该国际团队认为,他们的研究成果将对高温系统甚至骨组织再生等应用产生重大影响,为那些通常意味着高准入门槛的领域提供便利。

这项研究的合著者Joshua Pearce博士说:“在我们的方法中,前体聚合物可以在聚合物状态下成型,然后热解以生产不同类型的陶瓷。多孔陶瓷可以用这种技术制造。在我们的研究中,报道了采用PDC两步工艺制备多孔陶瓷的新方法。”

3D打印陶瓷结构在高温稳定性测试中的SEM成像。图片来自西方大学。
3D打印陶瓷结构在高温稳定性测试中的SEM成像。图片来自西方大学。

陶瓷3D打印的挑战

在工业和学术界,我们在全密度陶瓷的3D打印方面取得了重大进展,利用了大量的增材制造技术,如立体平版印刷、粘结剂喷射,甚至粉末床聚变。不幸的是,陶瓷3D打印所需的许多系统和材料都相对昂贵且难以操作,这限制了对复杂陶瓷部件的访问。

PDCs是由预陶瓷聚合物热解形成的陶瓷材料,为陶瓷3D打印提供了另一种途径,没有许多障碍。在最后的后处理阶段之前,这些材料可以以易于加工的聚合物形式打印出来。尽管如此,皮尔斯和他的团队表示,在将FFF 3D打印与PDCs集成方面还缺乏研究。

TPU和polysilazane

为了启动该项目,研究人员将热塑性聚氨酯(TPU)基长丝与预陶瓷聚合物(聚硅氮烷)浸渍。随后,浸渍后的材料被用于3D打印一套胞状结构,这些胞状结构经过热解生成完全致密的SiOC(N)——最终的陶瓷材料。

印刷陶瓷结构被发现能够承受高达1500°C的工作温度,同时在桌面上制造Lulzbot3D打印机与现成的材料。研究人员计算出,他们可以用3D打印这些复杂的陶瓷结构,成本不到同类方法的5%。

此外,SiOC(N)部分被确定为生物相容性,促进细胞在其表面的快速粘附。通过调整材料的孔隙度,组件上的早期细胞活化甚至被证明是可调的,这使得研究小组能够模拟人体骨组织的几何形状,从而实现骨再生应用。

在未来的工作中,Pearce和他的团队打算通过添加纳米填料添加剂或微调基于tpu的灯丝来修改打印方法。这可以将该技术的可能应用扩展到诸如有源过滤器、催化转换器和导电组件等用例。

这项研究的更多细节可以在题为“通过将熔融灯丝制造3D打印与聚合物衍生陶瓷集成,具有致密支柱的SiOC(N)蜂窝结构”。它由Joshua Pearce等人合著。

在3D打印陶瓷结构上进行细胞生长实验。图片来自西方大学。
在3D打印陶瓷结构上进行细胞生长实验。图片来自西方大学。

3D打印陶瓷的应用非常广泛。来自中国的研究者深圳大学西南物理研究所最近发展了一种增材制造方法释放核反应堆燃料的陶瓷结构.利用锂离子陶瓷和DLP 3D打印技术,该团队已经能够创造出能够自行产生氚的“繁殖毯”,氚是核聚变过程中的重要元素。

在其他地方,陶瓷专家CeramTec最近成功地生产了新一代的用于空间实验设施的陶瓷样品容器在国际空间站上。这些容器于今年6月乘坐SpaceX-22号航天飞机开始了前往国际空间站的旅程,它们将被用于精确测量金属、合金和半导体的某些热物理特性,这在地球上是不可能的。

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特色图片显示了3D打印陶瓷结构上的细胞生长实验。图片来自西方大学。