学术研究报告：光聚合陶瓷浆料制备技术与打印参数对3D打印晶格结构精度的影响

一、作者及发表信息
本研究由Nikolina Kovacev、Sheng Li和Khamis Essa（通讯作者）合作完成，三位作者均来自英国伯明翰大学机械工程学院（School of Mechanical Engineering, University of Birmingham）。论文题为《Effect of the preparation techniques of photopolymerizable ceramic slurry and printing parameters on the accuracy of 3D printed lattice structures》，发表于《Journal of the European Ceramic Society》2021年第41卷，第7734–7743页。

二、学术背景
本研究属于陶瓷增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦于数字光处理（Digital Light Processing, DLP）技术制备复杂氧化铝（Al₂O₃）陶瓷晶格结构的精度控制问题。晶格结构在生物陶瓷、催化载体、轻量化部件等领域应用广泛，但传统制造方法难以实现其高精度成型。尽管金属和塑料的增材制造技术已较成熟，陶瓷增材制造仍面临浆料配方、光聚合行为和尺寸精度等挑战。

研究背景基于以下关键问题：
1. 浆料制备技术差异：陶瓷粉末的预处理（如球磨分散）与直接使用原粉（as-received）对浆料流变性和光固化性能的影响尚未系统比较；
2. 打印参数优化：曝光时间（Exposure Time, ET）、曝光功率（Exposure Power, EP）和层厚（Layer Thickness, LT）对晶格结构尺寸精度的交互作用缺乏量化分析；
3. 光散射效应：陶瓷颗粒与树脂的折射率差异导致光散射，引发横向过固化（Excess Cure Width），影响微小特征（如直径≤500 μm的支柱）的成型精度。

研究目标包括：
- 评估两种浆料制备技术（预处理粉末 vs. 原粉）的流变学和光聚合特性；
- 通过全因子实验设计（Design of Experiments, DOE）和方差分析（ANOVA）确定最优打印参数；
- 揭示能量剂量（Energy Dose）、特征尺寸与层厚对横向过固化的影响规律。

三、研究流程与方法
1. 浆料制备与表征
- 研究对象：两种Al₂O₃浆料（原粉AR与预处理粉末PT），固体负载量为57 vol%。
- 预处理方法：PT组通过行星式球磨（400 rpm, 2 h）结合分散剂（BYK-磷酸酯盐）处理，干燥后过250 μm筛网。
- 浆料配制：将单体、光引发剂（TPO）与粉末混合，滚筒均质化24小时。
- 测试方法：
- 流变学：采用旋转流变仪（TA Instruments AR500）测试剪切速率0.1–300 s⁻¹下的粘度；
- 光聚合性能：单层固化实验测定临界曝光能量（Ec）和穿透深度（Dp），使用Jacob方程（Cd = Dp·ln(E/Ec)）拟合数据；
- 形貌分析：扫描电镜（SEM）观察粉末分散状态。

1. 晶格结构设计与打印实验

   • 模型设计：基于菱形晶格单元（1.25 mm × 1.25 mm × 2.5 mm），支柱直径（ds,cad）为100–500 μm。
     
   • 实验设计：全因子DOE（3因素×3水平）：
     
     • 因素：ET（1.5 s, 2 s, 3 s）、EP（6.72 mW/cm², 14 mW/cm², 20.79 mW/cm²）、LT（10 μm, 25 μm）；
       
     • 样本量：每种参数组合打印18组晶格结构，每组测量16处支柱直径。
       
   • 打印设备：Admaflex 130 DLP打印机（λ=405 nm，XY分辨率40 μm）。
     

2. 数据分析

   • 尺寸偏差计算：按公式d(i) = (ds,cad - dsi)/ds,cad × 100%量化打印精度；
     
   • 统计方法：ANOVA分析ET、EP、LT及其交互作用的显著性（p<0.05）；
     
   • 横向过固化模型：基于Gentry-Halloran提出的准Beer-Lambert关系（Cw = Dw·ln(E/Ew)）拟合数据。
     

四、主要结果
1. 浆料性能对比
- 流变性：PT浆料呈现剪切稀化行为，粘度显著低于AR浆料（300 s⁻¹时差值达50%），满足DLP打印要求（<10 Pa·s）。
- 光聚合参数：PT组的Ec（9.03 mJ/cm²）高于AR组（5.47 mJ/cm²），Dp（120.74 μm）降低11%，表明预处理减少了光散射，提升横向分辨率。

1. 打印参数对精度的影响

   • ANOVA结果：ET、EP及二者交互作用对支柱直径偏差影响显著（p<0.01），而LT无显著影响。
     
   • 最优参数组合：
     
     • ds,cad=200 μm：EP=14 mW/cm², ET=3 s（偏差最小为15%）；
       
     • ds,cad=500 μm：EP=6.72 mW/cm², ET=2 s（偏差8%）。
       
   • 制造极限：ds,cad=100 μm的晶格因粘附力不足无法成型；ds,cad≥200 μm需更高固化深度（如200 μm需280 μm固化深度）。
     

2. 横向过固化规律

   • 能量剂量（E=EP×ET）与Cw呈对数线性关系，验证了准Beer-Lambert模型；
     
   • 层厚增加导致宽度敏感度（Dw）上升（如ds,cad=300 μm时，LT=25 μm的Dw=126.42 μm，较10 μm时增加93%）；
     
   • 特征尺寸越小，临界宽度能量（Ew）越高（ds,cad=300 μm的Ew=15.64 mJ/cm²，400 μm为10.48 mJ/cm²）。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了陶瓷粉末预处理通过降低团聚改善浆料流变性和光聚合效率的机制；
- 建立了DLP打印中能量剂量、特征尺寸与横向过固化的定量关系，为复杂陶瓷结构的精度调控提供理论依据。

1. 应用价值：
   
   • 优化参数组合可直接用于高精度陶瓷晶格（如生物支架、催化剂载体）的工业化生产；
     
   • 提出的浆料预处理方法可推广至其他高折射率陶瓷（如ZrO₂、TiO₂）的DLP成型。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：首次系统比较了原粉与预处理粉末对DLP陶瓷浆料性能的影响，提出球磨-分散剂协同优化策略；
2. 跨尺度分析：结合宏观流变学与微观光散射效应，解析了支柱直径从100 μm至500 μm的成型极限；
3. 工程指导性：通过DOE与ANOVA量化了打印参数的交互作用，为工艺窗口选择提供数据支撑。

七、其他发现
- 固化深度需为层厚的5–28倍（取决于特征尺寸）以确保层间粘附，这一发现修正了传统“2–3倍层厚”的经验规则；
- 负的起始 broadening depth（如LT=10 μm时bd=-36.29 μm）表明薄层下横向过固化无法避免，需通过CAD模型补偿设计。