分散剤濃度が光硬化型3Dプリントセラミックスの印刷精度と表面品質の向上に与える影響

寄稿者: 馬衛剛、連秦寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点実験室

スラリーベースの3Dプリンティング技術センターでは、高解像度や処理時間の短さなどの利点から、DLP技術は有望なセラミック製造技術であると考えられています。 DLP印刷技術で使用されるセラミックスラリーは、通常、セラミック粉末、感光性モノマー、光開始剤、分散剤で構成されています。現在、多数の研究で分散剤がセラミックスラリーのレオロジー特性に与える影響が研究されていますが、異なる露光時間における分散剤濃度とスラリー硬化性能の関係については議論が不足しています。上記の問題に対応するため、韓国科学技術院（KAIST）は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）圧電セラミックスを研究対象とし、分散剤濃度がスラリーの硬化性能に及ぼす影響を分析することに焦点を当て、最適な分散剤濃度を決定し、印刷精度と表面品質を向上させました。

研究者らは、分散剤濃度の異なる3種類のセラミックスラリー（S-80/1、S-80/2、S-80/3）を調製した。分散剤の濃度は、それぞれ1wt%（セラミック粉末）、2wt%、3wt%であった。分散剤濃度がセラミック懸濁液のレオロジー挙動、分散挙動、凝固挙動に与える影響を研究した。まず、図1に示すように、赤外分光法を使用して、粒子表面への分散剤の吸着度を評価しました。

図 1 (a) 純粋セラミック粒子 (PZT) と分散剤 (BYK) の FTIR スペクトル。 (b、c) 3 つのセラミック懸濁液処方 (S-80/1、S-80/2、S-80/3) の FTIR スペクトル。異なる分散剤濃度によって形成される粒子表面界面構造の違いは、レオロジーおよび分散性分析の結果によって検証されました。両方の分析結果は、粒子表面への分散剤吸着の程度が分散剤濃度によって変化するという結果と一致しています。図 2 に示すように、最適な分散剤濃度のセラミック懸濁液は、粘度が最も低く、せん断減粘挙動が最も強く、沈降速度が最も遅く、分散安定性が最も高くなります。

図 2 異なる分散剤濃度での PZT セラミックスラリーのレオロジー特性と分散安定性の分析光重合速度、表面粗さ、硬化深さ、硬化幅などのテスト結果を通じて、分散剤濃度が DLP 印刷セラミック部品の硬化性能に与える影響を調べました。分散剤濃度が2wt%のとき、セラミックスラリーの転化率と光重合率は最も高くなります。さらに、この研究では、異なる露光時間（露光エネルギー）が硬化深度、過硬化幅（寸法精度）、表面および表面粗さ（表面品質）に大きく影響することがわかりました。図 3 に示すように、3 つのセラミック懸濁液配合物のうち、S-80/2 配合物は、すべての露光エネルギーで最高の寸法精度と良好な表面品質を示しました。

図3 異なる露光時間におけるワークピースの表面粗さ（a、b、c）と過硬化幅（d、e）の分析硬化深度の観点から見ると、S-80/2配合は、より低いエネルギー量（30〜90 mJ/cm2、露光時間10〜30秒に相当）で最高の硬化深度を示します。したがって、エネルギー線量が分散剤効果に与える影響を分析すると、硬化深度、過硬化幅、表面粗さの観点から、露光エネルギーが30〜90 mJ/cm2の場合、分散剤濃度2wt%のS-80/2配合が最適な配合であることがわかります。この研究結果は、分散剤濃度の最適化だけでなく、DLP 印刷技術で作成されたセラミック部品の印刷品質を向上させるための印刷パラメータの最適化にも使用できます。

参考文献:
KIM I、KIM S、ANDREU A、et al. バット光重合3Dプリントセラミックスの印刷精度と表面品質の向上に向けた分散剤濃度の影響 [J]。Addit Manuf、2022、52。

分散剤濃度が光硬化型3Dプリントセラミックスの印刷精度と表面品質の向上に与える影響

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