立体光刻三维打印陶瓷型芯的研究进展与展望

本文由Jinguo Li、Xiaolong An、Jingjing Liang、Yizhou Zhou和Xiaofeng Sun合作完成，作者团队来自中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心、中国科学技术大学材料科学与工程学院，以及中国科学院空间制造技术重点实验室。该综述发表于2022年的《Journal of Materials Science & Technology》（第117卷，79-98页），系统总结了立体光刻三维打印（Stereolithographic Three-Dimensional Printing, SLA-3DP）技术在陶瓷型芯制备中的研究进展、核心挑战及未来发展方向。

研究背景与主题

随着第五代战斗机等高推重比航空发动机对复杂几何结构涡轮叶片需求的增长，传统陶瓷型芯制备技术（如凝胶注模、注射成型和热压）因工艺局限性难以满足双壁或多层空心冷却结构的制造需求。SLA-3DP技术凭借数字化控制材料形貌、成分和结构的优势，成为解决这一技术瓶颈的关键路径。然而，该技术在高固含量低粘度浆料制备、大型复杂结构打印精度控制、脱脂烧结过程中的变形与缺陷抑制等方面仍存在显著挑战。

核心观点与论据

1. 高固含量低粘度浆料的制备

陶瓷浆料的流变行为直接影响打印层的均匀性和精度。研究表明，通过表面改性（如硅烷偶联剂KH560、KH550和硬脂酸SA）可优化Al₂O₃粉末的分散性，实现75 wt.%固含量浆料的粘度低于25,000 mPa·s（剪切速率30 s⁻¹）。 Shenzhen Research Institute of Shandong University团队开发的紫外光固化浆料体系，结合丙烯酸单体（如HDDA、NPG2PODA）作为反应稀释剂，显著提升了浆料的流动性和光固化效率（图3）。此外，颗粒形状与尺寸分布对光散射行为的影响通过多粒子参数化模拟得到验证（图4），为浆料设计提供了理论依据。

2. SLA-3DP工艺优化与挑战

• 技术分类：论文重点分析了三种SLA-3DP技术：双光子聚合（Two-Photon Polymerization, TPP）、大面积投影微立体光刻（Large-Area Projection Microstereolithography, LAPμSL）和连续液面生产（Continuous Liquid-Interface Production, CLIP）。TPP可实现亚微米级分辨率（图2a），但打印速度受限；CLIP通过氧抑制层技术将打印速度提升至数百毫米/小时（图9），但分辨率与速度呈反比关系。
  
• 精度控制：阶梯效应（Step Effect）和紫外光在浆料中的衰减（Beer-Lambert模型）是影响打印精度的主要因素（图8）。通过动态调节切片厚度和曝光参数，可减少层间应力导致的变形。
  
• 大型双壁结构打印：美国密歇根大学Halloran团队开发的紫外固化设备成功制备了简单涡轮叶片陶瓷型芯样本，但大型双壁结构的弧度控制仍依赖工艺优化（图11）。韩国科学技术院（KAIST）提出的“高面积快速打印”（HARP）技术通过流动界面降低粘附力，实现了430 mm/h的垂直打印速度（图12）。
  

3. 脱脂与烧结力学机制

脱脂过程中树脂相的均匀排出和烧结阶段的颗粒结合是确保型芯性能的关键。韩国材料科学研究院（KIMS）的Bae团队发现，硅基陶瓷型芯在烧结过程中β-方石英向α-方石英的相变会引发微裂纹（图14e-f），需通过烧结工艺调控（如温度梯度与保温时间）以平衡强度与尺寸精度。数学模拟表明，颗粒间烧结力与孔隙闭合速率呈正相关（图15），为微观结构优化提供了理论支持。

4. 市场应用与未来方向

当前，3DCeram Sinto、Lithoz等公司已推出商用SLA-3DP陶瓷树脂，但在多材料打印和大规模生产时效方面仍存局限。未来研究方向包括：
- 浆料创新：开发纳米/微米材料复合浆料，拓展可打印材料范围；
- 工艺集成：结合机器学习（Machine Learning, ML）和数据驱动方法优化打印参数（图19）；
- 性能均一化：解决梯度材料在双壁型芯中的性能一致性难题（图13）。

科学价值与应用意义

该综述系统梳理了SLA-3DP陶瓷型芯的技术链条，从浆料设计、工艺调控到后处理强化，为复杂结构陶瓷型芯的工业化制备提供了理论框架。其科学价值在于揭示了光-浆料相互作用、层间反应机制和烧结动力学的内在规律；应用价值则体现在推动航空发动机涡轮叶片冷却结构的革新，降低传统模具依赖，实现定制化生产。

亮点总结

1. 跨学科技术整合：融合材料科学、光学工程与流体力学，提出浆料-工艺-烧结的全流程优化策略；
   
2. 创新工艺突破：CLIP和HARP技术显著提升打印速度，TPP与LAPμSL实现微纳尺度精度；
   
3. 理论模型构建：首次建立紫外光衰减与浆料固含量的定量关系，为工艺参数设计提供依据。
   

本文的讨论不仅限于陶瓷型芯，其方法论亦可拓展至生物医疗、电子器件等领域的精密陶瓷制造，体现了SLA-3DP技术的广泛潜力。