固相含量对陶瓷浆料固化厚度和过固化现象的影响

3D打印动态
2019
04/22
11:06
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供稿人:刘小栋 连芩

光固化陶瓷浆料由陶瓷颗粒分散在光敏树脂中组成,光敏树脂的作用是促进陶瓷浆料的光聚合反应。陶瓷浆料光固化性能的影响因素众多,包括光引发剂的浓度、单体的动力学参数、陶瓷颗粒与光敏树脂的折射率差异、投射深度以及固相含量等。氧化锆陶瓷的折射率比氧化铝陶瓷的折射率高20%~27%,与光敏树脂的折射率存在较大的差异,这使得光在射入时会发生严重的边缘散射效应,影响陶瓷成形件的固化厚度和成形精度。韩国全南国立大学Kyoung-Jun Jang团队采用DLP光固化工艺成形了不同固相含量的氧化锆陶瓷浆料,并对不同固相含量的陶瓷浆料固化厚度和过固化现象进行了评估。

实验中配制了固相含量分别为48vol%、50vol%、52vol%、54vol%、56vol%、58vol%的氧化锆陶瓷浆料,浆料中采用的原材料及物理性能如下表1所示。采用DLP光固化3D打印机(Meg Printer, Megagen, Korea)打印不同固相含量的陶瓷浆料,设置光功率密度为30mW/cm2,分层厚度为25μm,曝光时间为1s-30s内变化。
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表1 原材料组成成分及物理性能

实验测试了在不同曝光时间下,不同固相含量氧化锆陶瓷浆料的固化厚度。过固化测试模型为孔径为250μm的多孔板,如图1(b)所示,采用光学显微镜和Imagej软件测量不同固相含量陶瓷浆料成形的多孔板的直径尺寸,设定过固化值为成形件直径尺寸与其CAD模型直径尺寸之差。

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图1 氧化锆成形件(a)固化厚度(b)几何过固化
研究发现固化厚度随着固相含量的增大而逐渐减小,随着曝光时间的增加而增大,例如,48vol%固相含量的浆料,曝光1s时固化厚度为53.98μm,曝光30s时,固化厚度为190.24μm,固相含量为58vol%时,曝光1s固化厚度为47.35μm,曝光30s时,固化厚度为99.28μm。而且由于氧化锆陶瓷颗粒与预混液树脂的折射率存在差异,使得紫外光照射陶瓷浆料时光发生散射引起边缘散射效应,从而导致产生过固化现象,降低了成形件的尺寸精度,而且固相含量越高,过固化现象越明显,例如,固相含量为48vol%时,过固化程度为28.55%,固相含量为58vol%,过固化程度达到了36.94%。

参考文献:
Kyoung-Jun Jang, Jin-Ho Kang,Kumaresan Sakthiabirami.et al. Evaluation of Cure Depth and Geometrical Overgrowth Depending on Zirconia Volume Fraction Using Digital Light Processing[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology.1;19(4):2154-2157.

供稿人:刘小栋 连芩
供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室 


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