Name: 立体平版印刷法对功能分级陶瓷材料的添加剂制造 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-25T13:45:00.000+00:00
Duration: 6 min 53 s
Description: 学习立体平版印刷法制造功能分级陶瓷材料，用于开发高精度医疗植入物结构。该方法通过优化陶瓷树脂浆料的流变行为和固化时间，实现无缺陷、低孔隙率的高密度陶瓷组件制备。

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该项目获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划资助，资助协议号为678503。

1. 光固化陶瓷悬浮液的研制
<ol>
	<li>陶瓷粉末的选择
	<ol>
		<li>使用高纯度陶瓷粉末（例如，纯度为99.9%或更高的氧化铝粉末）。</li>
		<li>选择具有以下特性的粉末：（1）粒径分布窄，以降低黏度；（2）平均粒径为 &#60; 0.5 µm 以获得良好的可烧结性，以及 (3) 比表面积接近 7 m²/g2/克，用于低粘度</li>
	</ol>
	</li>
	<li>粉末规格 
	<ol>
		<li>根据需要对粉末的形貌、比表面积和粒径分布进行表征（材料表).</li>
		<li>使用例如场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析来表征颗粒形貌。为此，用刮勺取少量粉末（几毫克），置于面积约为100 mm²的碳导电胶带上。2在将样品引入显微镜腔室之前，先对整体进行金属镀膜。</li>
		<li>使用激光衍射法等方法评估所用粉末的粒径分布。用刮勺取少量（几毫克）样品放入仪器的混合室中，并利用高频超声波每次处理5分钟，重复5次以实现去团聚。</li>
		<li>采用 Brunauer-Emmet-Teller (BET) 法测定所用粉末的比表面积特性。在液氮中采集吸附/脱附等温线。测量前在 150 °C 下对样品进行脱气处理。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>聚合物树脂的选择 
	<ol>
		<li>例如，选择一种单功能粘合剂（1；参见 材料表）以及二（2）和四（3）官能交联剂（见 材料表）和光引发剂（4；参见 材料表在本实验所用打印设备的光源波长范围内具有活性，此处为 405 nm。</li>
		<li>对于更灵活的聚合物网络，使用增塑流体（5；参见 材料表).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>陶瓷悬浮液的制备
	<ol>
		<li>如有必要，可使用挥发性溶剂（如无水乙醇）配合分散剂对氧化铝粉末进行解团聚处理（参见 材料表）和氧化铝研磨珠。
		<ol>
			<li>将80 wt.%的粉末与20 wt.%的溶剂混合，并加入与粉末绝对质量相等的直径为1 - 2 mm的研磨球，同时根据粉末含量添加0.5至2.0 wt.%的分散剂。</li>
			<li>在行星式球磨机中将混合物研磨2小时（参见 材料表）以分散粉末，从而获得初级粒子尺寸。</li>
			<li>研磨后，使用孔径为500 µm的筛网将粉末与研磨球分离，并将悬浮液在室温下于通风橱中干燥12小时，随后在110 °C的烘箱中干燥24小时。</li>
			<li>将干燥的粉末通过筛网（100 - 500 µm）研磨，以获得解团聚并功能化的粉末。 
			注意：颗粒表面现已用分散剂进行功能化处理，以形成稳定且低黏度的悬浮液。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>调整所制备悬浮液的性能，尤其是动态黏度，以适应打印工艺。本研究制备了四种不同的复合物，并对其动态黏度和固化行为进行了表征。通过改变组分，制备了四种不同的复合物（I、II、III 和 IV）。
		<ol>
			<li>在组分 I 中，使用二官能与四官能交联剂的比例为 1.5。交联剂总量与单官能结合剂的比例为 1.2。光引发剂的含量为活性树脂质量的 1.3 wt.%，增塑剂的含量为总质量的 30 wt.%。在组分 I 中，填料粉末的含量为 78 wt.%。</li>
			<li>在化合物 II 中，将粉末含量增加至 82 wt.%。</li>
			<li>在化合物 III 中，通过将二官能和四官能交联剂的比例调整为 1.8，增加四官能交联剂的用量。</li>
			<li>在化合物 IV 中，将粉末含量降低至 75 wt.%，并将交联剂与单官能团粘结剂的比例调整为 1.0。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>根据第1.4.2节中描述的化合物I至IV，混合不同的有机和光敏反应组分。将组分加入高速行星式球磨机的研磨罐中（参见 材料表）并在1,000 rpm转速下均质处理4分钟。此外，可添加增塑剂以提高聚合物固化后的柔韧性。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将粉末加入聚合物混合物中</li>
	<li>将混合物分三个梯度进行匀浆：在1,000 rpm下匀浆4分钟，在1,500 rpm下匀浆45秒，在2,000 rpm下匀浆30秒。 
	注意：若温度升高，需用水冷却罐体。必要时，可再次重复混合操作。</li>
	<li>悬浮液的表征
	<ol>
		<li>表征流变行为，特别是以动态黏度作为流动行为的特征值。测量设置应基于打印工艺参数，尤其是涂布速度。
		<ol>
			<li>使用配备锥/板测量系统的流变仪（直径25 mm），温度可调范围为-25 °C至200 °C（参见 材料表).</li>
			<li>将悬浮液样品（约1 mL）置于平板上，按照流变仪的测量说明进行旋转测量。</li>
			<li>通过将剪切速率从0.01增加至1000 s⁻¹来分析动态黏度-1 在恒定温度20 °C下测量扭矩。 
			注意：在此过程中，悬浮液以 40 mm/s 的速度涂布，因此剪切速率约为 200 s⁻¹。-1，用于打印部件的移动部分位置较低，并固定在涂覆悬浮液中的构建平台上。因此，流变测量的装置设置得以确定。</li>
			<li>确保悬浮液表现出剪切稀化行为，在剪切速率为 0.1 s⁻¹ 时动态黏度低于 600 Pa·s-1 且在剪切速率为10至300 s⁻¹时，低于10 Pa·s-1.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>表征所开发悬浮液的固化行为。通过在光照前、光照期间和光照后（波长为300至500 nm）进行振荡测量来分析其固化行为。
		<ol>
			<li>使用流变仪（参见 材料表), 例如，温度可调范围为 -25 °C 至 200 °C，配备直径为 25 mm 的板/（玻璃）板测量系统，间隙为 50 µm，结合波长为 405 nm 的蓝色 LED 光源。</li>
			<li>将LED固定在（玻璃）板下方，并根据打印强度调整其光照强度（约33 mW/cm²）2) 使用光度计进行测定。</li>
			<li>将约1 mL的悬浮样品置于（玻璃）载片上，使用50 µm的间隙将测量系统的载片移至测量位置。</li>
			<li>测量储能模量 G´（复数剪切模量 G* 的一部分），采用恒定的形变振幅例如，0.1%（0.09°），频率为10 rad/s。</li>
			<li>暴露前，以10秒间隔测量60秒内的G´值。该值代表液体悬浮液的初始G´平台期。</li>
			<li>完成后，使用蓝色LED灯照射，60秒后开始曝光（参见 材料表 指定持续时间（例如，1 - 4 秒）。在暴露期间及暴露后测量 G´。G´ 因暴露而增加，表明发生了聚合反应。根据暴露时间和悬浮液性质的不同，G´ 在聚合过程中将上升至第二个平台期。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 通过陶瓷SLA制造单梯度和FGM部件
<ol>
	<li>使用陶瓷DLP-SLA打印设备。参见 讨论 用于装置描述。
	<ol>
		<li>探究固化的深度。此步骤对于确定浆料的固化能力是必要的即，光的穿透深度以及随后的聚合过程）。为此：
		<ol>
			<li>在透明薄膜上涂抹约1 mL陶瓷填料树脂浆料（按步骤1.4制备）（参见 讨论）借助刮刀操作。使用具有高化学耐受性的聚合物刮刀（例如，尼龙-玻璃纤维刮刀）。</li>
			<li>将带有浆料的铝箔平整地放置在印刷玻璃板上。</li>
			<li>使用DLP-SLA打印设备，在0.5至4秒范围内，以固定秒数进行一次带光掩模的测试曝光。</li>
			<li>去除多余的未固化浆料。</li>
			<li>使用千分尺测量固化层。固化厚度必须至少等于所选构建层的厚度，但建议达到该层厚度的数倍，以确保足够的光线穿透。</li>
			<li>重复步骤 2.1.1.1 至 2.1.1.5，直至达到所需固化厚度。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按如下方法制备功能梯度材料部件。
	<ol>
		<li>使用CAD软件生成所需部件的三维模型。</li>
		<li>使用切片软件将三维文件切割为所需厚度的层。打印系统的典型层厚范围为25至100 µm。将切片后的文件保存为*.slc格式。</li>
		<li>将 *.slc 文件传输至设备 通过 USB 或网络连接。</li>
		<li>创建打印程序并调整打印参数（例如每层固化时间、传输速度［浇铸速度］和构建平台速度。</li>
		<li>将陶瓷浆料（约200 g）加入打印设备的储液器中，至其容量的一半。</li>
		<li>将浆料输送至填充泵系统，直至浆料开始被泵送回储液槽。确保所生成的浆料层厚度为预定切片层厚度的数倍。</li>
		<li>使用打印设备内置的真空泵提供的真空压力，将打印金属板固定在构建平台上。</li>
		<li>启动打印程序。 
		注意：打印设备将自动输送浆料层。打印过程中如有需要，可重新填充浆料储液器。</li>
		<li>打印程序完成后，取下带有产品的打印金属板。关闭真空泵，同时握住金属板。</li>
		<li>用温和的有机溶剂清洗产品表面残留的浆料例如，异丙醇）。可能会有一层薄薄的浆料残留在部件表面，对于表面积较大的产品，这种现象更为明显。</li>
		<li>在通风橱中于室温下干燥洗涤后的产品。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 单一梯度和功能梯度材料组分的共脱脂与共烧结
<ol>
	<li>按照以下步骤对绿色样品进行脱脂。
	<ol>
		<li>首先，将样品放置在一种特殊的窑具上，该窑具的烧结温度应比打印部件的最终烧结温度至少高 50 °C。这样做可避免将脱脂后的部件转移至另一窑具。</li>
		<li>在炉膛（见材料表）中以较低升温速率、在空气气氛下执行脱脂程序，升温至 600 °C（例如，升温速率为 7.5 °C/h）。在 200 °C、400 °C 和 600 °C 处分别保温 10 h。在 600 °C 以上将升温速率提高至 60 °C/h，继续升温至 900 °C，并保温 2 h。随后以 3 - 5 °C/min 的速率冷却。 
		注意：该工艺基于先前的 TGA-DSC 表征结果；然而，若聚合物树脂组分不同，则需调整脱脂程序。此步骤在陶瓷制造中至关重要，不可忽略。 
		注意：在此阶段，所有有机粘结剂材料均通过热处理被去除，同时氧化铝颗粒在此过程中开始预烧结，以确保样品可安全转移至烧结炉中进行后续处理。</li>
		<li>将带有承载板的样品转移至烧结炉（见材料表）。</li>
		<li>在炉膛中以空气气氛于 1,600 °C 烧结 2 h。升温速率为 3 °C/min 升至 900 °C，随后以 1 °C/min 升至最终温度 1,600 °C。 
		注意：部件在 x、y 方向的线性收缩率预计为 20% - 25%，在 z 方向为 25% - 30%。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 单梯度与功能梯度组分的表征
<ol>
	<li>使用金刚石锯切割样品，并采用陶瓷金相方法对表面进行抛光。
	<ol>
		<li>利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察显微结构（参见材料表）。
		 
		注意：目视检查两种功能梯度相及其所用材料界面处的孔隙率。如需获得更详细的结果，可进行界面分析。若孔隙率过高，应优化悬浮液组成（第1节）、打印参数（第2.2节）和/或热处理工艺（第3节）。目标孔隙率应低于1%。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

对于医用植入物，原材料必须具有高纯度，理想情况下应达到99.9%或更高。本项目使用一种非商业化的氧化铝粉末，其粒径分布较窄，平均粒径&#60;0.5 µm，比表面积约为7 m2/g。此外，也可使用商业化的材料配方。
为了实现对这些特定陶瓷-聚合物浆料的最佳处理条件，请使用上述打印技术。该技术配备有输送箔系统，可将浆料从储液槽输送至打印区域。打印区域底部由一块透明玻璃表面构成，其下方设有光源，用于投射切片层。在打印区域顶部，有一个可通过Z轴滑轨垂直上下移动的构建平台。产品随后悬挂在金属打印板的表面，该打印板可通过真空吸附固定在打印区域上方。未使用的浆料随后被刮刀收集，经过再处理后泵送回原始储液槽，从而形成一个闭环系统，使研究人员能够重复利用未用于三维模型构建的浆料。可通过调整不同的软件参数，以适应不同成分的浆料和陶瓷填料。打印机必须放置在光照、温度和湿度受控的房间内。房间必须配备过滤外部光线的紫外滤光装置；此外，建议环境温度保持在约20–24 °C，相对湿度低于40%。场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示，与供应商提供的理论值为0.45 µm的氧化铝材料分析结果相比，解团聚后的氧化铝粉末表现出明显的较大平均粒径。这可以通过团聚现象来解释。在解团聚步骤后的干燥过程中，颗粒重新发生团聚，如图1D所示。在悬浮液制备过程中，由于表面功能化步骤的作用，这些重新团聚的颗粒得以再次分散。在图3的浆料FESEM图像中可观察到更小的表观粒径。
关于流变行为，适用于陶瓷SLA技术的理想浆料（例如，Admaflex 技术）应具有剪切变稀行为（即，即在较高剪切速率下动态黏度降低）。为了在支撑箔上获得最佳涂布效果或在分配单元中顺利使用，应在低剪切速率下将动态黏度维持在理想范围内。若低剪切速率下的动态黏度过高，则浆料在刮刀下方难以流动以填充间隙，可能导致无法成功涂布200 µm厚的浆料层。若动态黏度过低，悬浮液可能因自然流动（重力作用）而从刮刀下方的储液区自行流出，或从支撑箔上流失。所有被研究的悬浮液均表现出动态黏度随剪切速率增加而降低的特性。其中，组分1的悬浮液流变行为最为理想（图2）。浆料成分的不同变化会影响悬浮液的流变行为。通过悬浮液配方1，在所需范围内实现了动态黏度较低的最佳流动行为。当粉体含量增加，或分散剂含量非最佳（配方2），或通过增加多官能交联剂用量改变黏结剂-交联剂比例（配方3）时，动态黏度升高，不利于工艺进行。若粉体含量较低，同时多官能交联剂含量较低，并结合非最佳的分散剂含量（配方4），则动态黏度显著降低，可能导致悬浮液不稳定。
浆料在光照下储能模量 G´ 的变化有助于深入了解悬浮液的固化行为。此外，还可通过在打印设备上直接进行实验测试来评估固化深度。针对具有最佳流变性能的氧化铝悬浮液，表征了不同固化时间下的固化行为。在固化开始前，悬浮液的 G´ 值较低，通常低于 100 Pa。当固化开始时，光敏有机物发生聚合，表现为 G´ 值显著上升。随着固化时间的延长，G´ 的斜率逐渐增大，在 105 至 107 Pa 范围内达到最大值，具体数值取决于材料组成。当固化时间为 1 秒时，最终 G´ 值低于 106 Pa，不足以达到所需的最低强度要求。随着固化时间增加，更多的能量（光子）被传递至悬浮液中，导致转化速率加快、转化程度更高（斜率更大），从而获得更高的 G´ 值。对于所开发的氧化铝悬浮液，最佳固化时间应在 2 至 3 秒之间。当固化时间为 4 秒时，G´ 的最终值和固化斜率均较大，超过 2 × 106 Pa，此时转化几乎完全，未固化聚合物极少。继续提供能量可能导致浆料过度固化，聚合物过度硬化，形成脆性结构，从而对制品与构建平台之间的粘附产生不利影响。
本研究选择的单材料梯度结构测试组件为半上颌种植体结构，其具有致密的外壳和类似骨组织的多孔中心核心，如图5所示。该模型可通过增材制造并实现无缺陷烧结，这一点已通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像得到证实。可实现精细结构和小于0.1 mm的壁厚，且在烧结过程中未出现明显变形。研究发现，单相氧化铝部件的显微结构在给定烧结温度下具有典型的氧化铝陶瓷加工特征，晶粒尺寸均匀。整体区域的孔隙率极低（&#60; 1%），与理论密度相比，达到的密度超过&#62; 99%。

高复杂度的技术陶瓷在几乎所有应用领域（包括众多工业领域）的需求日益增长。由于产品可针对每位患者进行个性化定制，因此在人类医疗保健领域中的应用也越来越多。在过去十年中，增材制造技术显著拓展了个性化医疗治疗的选择。
增材制造（AM）是一种加工技术，可通过逐层添加材料的方式，将计算机生成的三维模型转化为实体产品。通常，一系列二维层堆叠形成三维形状，从而实现迄今为止无与伦比的设计自由度，用于制造复杂结构部件。该技术被认为是聚合物和金属材料的先进成形技术。目前已有首批用于陶瓷加工的工业级技术问世1,2，全球各地实验室几乎应用了所有已知的增材制造技术来制备单材料陶瓷3,4,5。增材制造技术，特别是立体光刻技术（stereolithography），始于20世纪80年代，由Hull开发6。不同的制造方法和材料会导致产品在尺寸、表面粗糙度或力学性能等方面的性能差异。所有增材制造技术可分为两类：直接增材制造技术5，其基于材料的选择性沉积（例如，材料喷射工艺，如直接墨水书写打印（Direct Inkjet Printing）或热塑性三维打印（T3DP））7,8,9,10；以及间接增材制造技术，其基于对整层铺设材料进行选择性固化（例如，陶瓷立体光刻技术（SLA））。
新型应用的复杂性和紧迫性要求提升陶瓷增材制造加工技术。例如，某些特殊的创新性工业或医疗应用需要在同一组件中集成多种不同性能，从而催生了功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）。这类材料在微观结构或材料组成上具有多种性能的过渡特征11，这些过渡可以是离散的或连续的。目前已知多种类型的FGM，如具有材料梯度或梯度孔隙率的组件，以及多色组件。FGM组件可通过单一的传统成型技术12,13,14,15,16,17，或通过多种技术的组合来制造，例如将膜内贴标技术结合流延成型与注塑成型来实现18,19。
为了将增材制造（AM）的优势与功能梯度材料（FGMs）相结合，应用于陶瓷基4D构件20（三维几何结构，以及每个位置材料性能的一个自由度），Admatec Europe 在欧洲研究项目“CerAMfacturing”&#34;CerAMfacturing&#34;中，开发了一种基于立体光刻技术的3D打印设备，用于增材制造多功能或多材料构件。
用于FGM构件的技术是一种基于立体光刻的方法，采用数字光处理器（DLP）作为光源，其中包含数字微镜器件芯片（DMD），用于引发可与不同粉末混合的树脂的聚合反应。DMD芯片上排列有数十万个微型镜面，每个镜面对应待显示图像中的一个像素。这些镜面可单独旋转，以设定像素的开启或关闭状态。最常用的树脂基于丙烯酸酯和/或氨基甲酸酯单体的混合物。在这些混合物中，还可含有其他添加剂，如吸光性光引发剂分子和染料。树脂混合物通常被倒入一个容器或槽中，该容器也称为料槽（vat）。聚合反应由光引发剂分子（PI）与DMD芯片产生的光子发生反应而引发。不同的树脂单体结构可能导致不同的聚合速率、收缩程度以及最终结构。例如，使用单官能团单体 与 多功能单体对聚合物网络的交联具有影响。
在陶瓷光固化成型（SLA）中，一个最重要的考虑参数是光（光子）穿过不同材料时产生的光散射效应。这一效应影响显著：在此情况下，树脂中会掺入一定量的粉末以形成悬浮液或浆料。该浆料由对光具有不同折射率的材料组成。树脂与粉末之间的折射率差异越大，越会影响成形层的尺寸精度、聚合速率以及引发聚合反应所需的总光剂量。当光进入悬浮液时，粉末颗粒（即陶瓷、金属或其他聚合物）会使光路发生衍射，从而改变（被照射）光子的原始传播路径。如果光子的传播方向相对于曝光方向呈倾斜，可能在与原始方向横向偏移的位置引发聚合反应。这种现象会导致曝光过度，即固化浆料区域大于曝光区域；同样地，若固化后的浆料层小于原始曝光区域，则会出现曝光不足。
在文稿中，描述了利用Admaflex技术实现氧化铝部件增材制造的研究，该部件结合了致密结构与大孔结构。如文中所述 &#34;CerAMfacturing&#34; 欧洲研究项目中，FGM陶瓷部件的制造需要高分辨率和良好的表面性能，以满足严苛的应用需求。DLP立体光刻技术（如本文所述）可使研究人员获得此类基于陶瓷的全功能部件。

<table><tbody><tr><td>Taimicron (TM-100D)</td><td>Taimei Chemicals Co Ltd., 日本</td><td>&amp;hellip;</td><td>氧化铝（商用）</td></tr><tr><td>BYK LP C22124</td><td>BYK-Chemie GmbH, 德国&amp;nbsp;</td><td>&amp;hellip;</td><td>分散剂&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Mastersizer 2000</td><td>Malvern Instruments Ltd., 英国</td><td>&amp;hellip;</td><td>激光衍射粒度分析仪</td></tr><tr><td>TriStar 3000</td><td>Micromeritics Instrument Corp., 美国</td><td>&amp;hellip;</td><td>吸附/脱附分析仪</td></tr><tr><td>Pulverisette 5/4 classic line</td><td>Fritsch GmbH, 德国</td><td>&amp;hellip;</td><td>行星式球磨机</td></tr><tr><td>Thinky ARV-310</td><td>C3-Prozesstechnik, 德国</td><td>&amp;hellip;</td><td>高速行星式球磨机</td></tr><tr><td>Modular Compact Rheometer MCR 302&amp;nbsp;</td><td>Anton Paar, 格拉茨, 奥地利</td><td>&amp;hellip;</td><td>流变仪</td></tr><tr><td>UV-LED Smart</td><td>Opsytec Dr. Gr&amp;ouml;bel GmbH, 德国</td><td></td><td>蓝色LED&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>prototype</td><td>Admatec, 荷兰</td><td>&amp;hellip;</td><td>Admaflex</td></tr><tr><td>NA120/45</td><td>Nabertherm, 德国</td><td>&amp;hellip;</td><td>脱脂炉</td></tr><tr><td>LH 15/12</td><td>Nabertherm, 德国&amp;nbsp;</td><td>&amp;hellip;</td><td>烧结炉</td></tr><tr><td>Gemini 982&amp;nbsp;</td><td>Zeiss, 德国&amp;nbsp;</td><td>&amp;hellip;</td><td>场发射扫描电子显微镜（FESEM）</td></tr></tbody></table>

基于立体光刻技术的功能梯度陶瓷材料增材制造

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

采用增材制造技术来制备具有功能梯度的陶瓷部件。该技术基于数字光处理/立体光刻工艺，是在欧洲研究项目CerAMfacturing框架内开发的。使用定制的氧化铝聚合物混合物三维打印出一种三维（3-D）半上颌骨类似结构。为确保打印过程中材料的可加工性，对粉末及混合物的流变行为进行了全面分析。本文阐述了利用Admaflex技术打印功能梯度材料的可能性。场发射扫描电子显微镜（FESEM）结果显示，烧结后的氧化铝陶瓷部件孔隙率低于1%，且分析后未发现原始层状结构的残留。

为了通过宏观尺度上致密部分与多孔部分的组合来制备单材料构件以及最终的功能梯度结构，仅使用了以氧化铝为基础的悬浮液。
分散后所用氧化铝粉末的平均粒径（D50）测量结果为 0.47 µm，该结果与供应商提供的实际粒径范围 0.45 至 0.5 µm 的信息相符。图 1A 显示了制备前氧化铝粉末的场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析结果，图 1B 为颗粒表面的 FESEM 局部放大图像。图 1C 和 图 1D 则分别展示了解团聚后处于干燥状态的氧化铝样品的相应图像。未经处理的粉末并非以单个原始颗粒形式存在，而是以直径可达 100 µm 的大球形颗粒团聚体形式存在，这是干压成型原料的典型特征。颗粒团聚体表面的 FESEM 图像显示了未处理（图 1B）和解团聚后（图 1D）氧化铝的原始颗粒，其实际粒径约为 0.45 µm。
图2展示了基于氧化铝粉末的悬浮液的动态黏度随剪切速率变化的情况（对数表示），以及不同组分（包括粉末含量、黏结剂-交联剂比例和分散剂含量）对黏度的影响。所有悬浮液组分均表现出剪切变稀行为，但动态黏度水平不同。
悬浮液的均匀性如图3所示，该图为陶瓷-聚合物树脂薄片的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。陶瓷初级粒子清晰可见，而聚合物树脂在一定程度上未被电子探测器检测到。
通过测量储能模量 G´ 随时间的变化来表征其随时间依赖的固化行为，结果如图4所示。打印设备的可调参数有助于评估打印过程中的固化时间。通常情况下，悬浮液在恒定形变下 G´ 值保持在 1,000 Pa 以下。在悬浮液曝光开始后（60 秒后开始曝光），G´ 随曝光时间（在 1 至 20 秒范围内变化）的延长而升高，达到高于 105 Pa 的更高水平。图中曲线代表悬浮液在不同曝光时间下的情况，以显示其对固化后聚合物-陶瓷复合材料强度的影响。
采用 Admaflex 技术的陶瓷 SLA 打印设备，得益于其输送系统，能够处理高黏度陶瓷浆料。通过逐像素控制，可针对网格每一部分的照射光进行调控，从而实现梯度功能材料（FGM）部件的设计。该逐像素控制功能还可补偿曝光不足和过度曝光效应。此外，配套开发的软件套件可识别不同区域（多孔与致密区域），以补偿各曝光区域之间的光行为差异。该专有技术可为这些区域提供适配的光固化策略。
通过使用具有如配方1所示动态黏度行为的悬浮液（图2），在经验确定设备参数后，制备出具有三维结构的单组分功能梯度材料。图5A展示了一个复杂的三维模型，图5B展示了基于该研究项目内通过增材制造制备的氧化铝悬浮液所烧结的测试结构。
图6 显示了单材料FGM构件致密部分显微结构的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像；孔隙处于宏观尺度范围。
<img alt="显示微米和纳米尺度下颗粒形貌尺寸差异的扫描电镜图像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 1"> 
图 1：场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。 前两幅图显示了（A）原始氧化铝粉末和（B）表面细节的场发射扫描电子显微镜图像。后两幅图显示了（C）去团聚后粉末颗粒和（D）表面细节的场发射扫描电子显微镜图像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57943/57943fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="动态粘度与剪切速率对数-对数图；流变学分析，流体动力学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：不同组成悬浮液的动态粘度随剪切速率的变化关系。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57943/57943fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="材料科学分析中多孔表面结构在 10 µm 尺度下的扫描电镜图像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3：陶瓷-树脂悬浮液的场发射扫描电子显微镜图像。 该图显示了聚合物树脂上粉体悬浮液的均匀性。
<img alt="储能模量 G' 随时间变化的流变图，显示在 1 秒、2 秒、3 秒、4 秒时的粘弹性行为。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 4"> 
图 4：不同组成的多种悬浮液的储能模量 G´ 随时间的变化关系。
<img alt="3D打印骨支架对比；结构分析用CAD模型与原型。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图5"> 
图5：三维建模与打印。（A）本图展示单材料功能梯度陶瓷组件的三维模型。（B）本图展示打印过程烧结后的结果。
<img alt="显微结构分析，不同放大倍数下材料的扫描电子显微镜图像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57943/57943fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 6"> 
图 6：烧结氧化铝结构的场发射扫描电子显微镜图像。 （A）本图显示整体形貌。（B）本图显示高倍细节图像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57943/57943fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本手稿描述了通过立体光刻增材制造的单个多功能陶瓷部件（例如，致密-多孔结构的组合）的加工过程。

一种增材制造技术被用于制备功能梯度陶瓷部件。该技术基于数字光...

采用基于光刻的无模陶瓷制造技术进行功能梯度陶瓷部件的增材制造，有助于开发创新的、功能优化的医用植入结构。该增材制造技术的主要优势在于其高分辨率。利用基于立体光刻的方法制造陶瓷部件，可获得高精度和高密度的制品。进行此操作时，应使用高纯度陶瓷粉末，其平均粒径小于0.5微米，粒径分布较窄，比表面积约为7平方米/克。在研磨碗中，按80:20的质量比将粉末与无水乙醇混合。加入直径为1至2毫米的研磨球，其质量与粉末质量相等。然后，根据粉末的量加入约0.5%至2%（重量百分比）的分散剂。在行星式球磨机中以250转/分钟的速度研磨混合物2小时。之后，使用孔径为500微米的筛子去除研磨球。将悬浮液置于通风橱中，室温下干燥12小时，然后在110摄氏度下进一步干燥24小时。将干燥后的材料通过孔径为100至500微米的筛网研磨，得到解团聚的功能化粉末。接下来，在高速行星式球磨机的研磨罐中，加入光引发剂（该引发剂可被打印设备所用波长激活）、有机交联剂和粘结剂，以及增塑剂，混合均匀。加入5至10个由陶瓷材料制成、直径为5至10毫米的磨球。在1000转/分钟的条件下均质化混合物4分钟。然后，将粉末加入混合物中，并在1000转/分钟下均质化4分钟，1500转/分钟下均质化45秒，2000转/分钟下均质化30秒。随后用水冷却罐体。如果混合物呈现不均匀状态，需重复该过程。接下来，将约1毫升的陶瓷填充树脂浆料置于流变仪的平板上，并设置为旋转测试模式。在20摄氏度恒温条件下，将剪切速率从0.1增加至1000每秒，同时测量扭矩。确认该悬浮液表现出剪切稀化行为，在剪切速率为0.1每秒时动态黏度低于600帕斯卡·秒，在剪切速率为10至300每秒时动态黏度低于10帕斯卡·秒。最后，通过在紫外光照射前、中、后进行振荡测量，评估其固化行为。设置数字光处理立体光刻打印设备。确认固化深度至少与所选的构建层厚度相同，最好为后者的好几倍。然后，使用计算机辅助设计软件生成该部件的三维模型文件。将组件模型切分为适当厚度的层，并以立体光刻轮廓格式保存文件。通过网络或USB将该文件传输至打印设备。创建打印程序，并设置每层的固化时间、浇铸速度、构建平台速度及其他参数。然后，将制备好的陶瓷树脂浆料加入打印设备的储液槽中，至约一半位置。启动泵使浆料在系统中循环，直至开始回流到储液槽。通过真空吸附将金属打印板固定在构建平台上，并启动打印程序。打印过程中根据需要补充储液槽中的料浆。完成后，在关闭真空的同时用手握住打印板以取出部件。使用异丙醇或其他温和的有机溶剂清洗残留的浆料，然后将部件置于通风良好的环境中，于室温下自然干燥。随后对部件进行脱脂和烧结，以完成制造。这种高纯氧化铝粉末经过解团聚并用分散剂进行表面改性。干燥后，改性后的粉末重新发生团聚，但在聚合物树脂中能够均匀再分散。针对不同粉末含量、二官能与四官能交联剂比例以及总体黏结剂交联剂比例的悬浮液体系，进行了评估。四种悬浮液均表现出理想的剪切稀化行为，但只有配方一展现出最优的悬浮物流动性能。若动态黏度过高，则可能因流动性不足而阻碍薄浆料层的浇铸。动态黏度过低可能导致浆料在刮刀下自由流动，或形成不稳定的悬浮液。在将陶瓷树脂悬浮液暴露于光之前，其剪切储能模量基本保持不变。实现所需最低强度且避免过度固化的最佳固化时间为两到三秒。曝光时间超过四秒可能导致过度固化而产生脆性。采用最佳的氧化铝浆料配比和曝光时间，可制备出无缺陷的测试部件，其具有致密的外壳和类似骨骼的多孔中心核，整体区域孔隙率极低、密度高。本文介绍的技术旨在处理黏稠的陶瓷树脂混合物，以实现功能梯度材料制造所必需的高精度。该技术为陶瓷制造领域开辟了新途径，可开发出光敏陶瓷悬浮液。这些悬浮液可用于基于Lyrica的陶瓷增材制造，以生产高质量的陶瓷部件。

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