供稿人:馬偉剛，連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室 發(fā)布日期：2022-05-02
氧化鋯陶瓷在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的性能。它們對菌斑親和力低，限制炎癥浸潤，并提供良好的軟組織整合。立體光刻技術(shù)（SLA）可以利用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）模型逐層制造復(fù)雜的陶瓷零件。傳統(tǒng)的SLA系統(tǒng)使用一個裝有高固體含量陶瓷漿料的大桶，這對陶瓷來說造成了一些限制和操作困難，并且主要由于印刷殘留物的存在及其高粘度，使其無法回收。
基于以上不足，韓國國立首爾大學(xué)牙科學(xué)院和牙科研究所口腔修復(fù)學(xué)系搭建了一套新的系統(tǒng)，即具有連續(xù)供膜（CFS）系統(tǒng)與流延式數(shù)字光處理（DLP）的集成打印設(shè)備。
圖1 3D打印過程中帶數(shù)字光處理的連續(xù)供膜系統(tǒng)示意圖
如上圖所示，它主要由一個涂有硅酮材料的透明疏水膠帶輸送機(jī)組成，該膠帶輸送機(jī)從一個輥?zhàn)右苿拥搅硪粋€輥?zhàn)?，穿過一個帶有雙刮刀的澆鑄頭、一個構(gòu)建平臺和一個回收刀片。通過物理控制雙刮刀和軋制速度進(jìn)而來控制涂層厚度。DLP中安裝的投影儀有一個LED光源，在405 nm的峰值波長下，最大輻照度為5.19 mW/cm2。
利用該設(shè)備，研究人員打印了固相含量為45vol%的氧化鋯陶瓷樣品，對使用的氧化鋯陶瓷漿料進(jìn)行了表征，并對其進(jìn)行了處理，以完成整個打印流程。對粘度、膜厚、漿料回收效率、熱重分析、收縮率、密度和顯微硬度進(jìn)行評估，以評估印刷系統(tǒng)的性能。
圖2 氧化鋯陶瓷漿料粘度隨溫度和剪切速率變化圖
如圖2所示，研究人員測量了不同溫度以及不同剪切速率下的粘度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增高，粘度逐漸下降，同時隨著剪切速率的增高，粘度也呈現(xiàn)出下降趨勢。在50℃下，當(dāng)剪切速率從3s-1上升到160s-1時，粘度從12.26Pa?s下降到0.96Pa?s，粘度在合適的范圍內(nèi)。
通過對其它各方面性能的測量評估，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備成功制備了微結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷制品，其相對密度為99.02%±0.08%，平均晶粒尺寸為644±20 nm。陶瓷制品的顯微硬度值為12.59±0.47 GPa。此外，具有CFS的DLP可以有效地回收和再利用漿料，為至少兩次回收提供一致的密度，使其成為制造致密陶瓷產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工技術(shù)的競爭替代品。