DLP 3D打印“無(wú)裂紋”高性能陶瓷型芯，北航、清華、君璟科技聯(lián)合攻關(guān)

導(dǎo)讀：渦輪葉片被譽(yù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，隨著航空工業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和耐溫性能要求的不斷提高，如何在葉片內(nèi)部制造出復(fù)雜的冷卻通道結(jié)構(gòu)成為技術(shù)突破的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)陶瓷型芯制造工藝面臨周期長(zhǎng)、成本高、難以制造復(fù)雜空心雙壁結(jié)構(gòu)等挑戰(zhàn)。而近年來(lái)興起的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)為這一難題提供了新的解決方案。

1. 研究成果

2026年2月7日，南極熊獲悉，近日《Ceramics International》 期刊上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究。君璟科技與北京航空航天大學(xué)袁松梅教授、清華大學(xué)褚祥誠(chéng)副研究員科研團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)性地解決了DLP技術(shù)制備陶瓷型芯過(guò)程中面臨的漿料綜合性能不足與層間裂紋缺陷兩大核心技術(shù)難題。通過(guò)多維度的漿料性能評(píng)價(jià)和工藝參數(shù)優(yōu)化，成功制備出表面質(zhì)量高、層間結(jié)合強(qiáng)度大、無(wú)宏觀裂紋的硅基陶瓷型芯。

據(jù)悉，本次所有研究采用的是君璟科技高精度光固化DLP陶瓷3D打印設(shè)備，該研究為制備大尺寸無(wú)缺陷復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶芯提供了系統(tǒng)性解決方案

2. 研究?jī)?nèi)容

圖1 陶瓷型芯打印工藝

2.1時(shí)間尺度粘度

在DLP打印過(guò)程中，漿料性能直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法主要關(guān)注不同剪切速率下的粘度變化，卻忽略了實(shí)際印刷過(guò)程中粘度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演變。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“時(shí)間尺度粘度”概念，建立了剪切速率與刮刀速度之間的映射關(guān)系，為工藝參數(shù)的精確控制提供了理論依據(jù)。

圖2 不同分散體系的粘度和剪切應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2.2高效分散體系

陶瓷漿料的性能很大程度上取決于粉末顆粒的分散狀態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)四種分散劑進(jìn)行了系統(tǒng)研究：20000、41000、KOS110以及自主開(kāi)發(fā)的JJ-86分散體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，JJ-86分散劑表現(xiàn)出卓越的分散性能。通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)能模量和損耗模量，揭示內(nèi)部微觀作用力。當(dāng)損耗因子tan δ≥1時(shí)，漿料在時(shí)間尺度上的性能更加穩(wěn)定，剪切稀化現(xiàn)象顯著減弱。添加4.8% JJ-86分散劑的漿料，其表觀接觸角降至47.76°，遠(yuǎn)低于其他體系。這意味著JJ-86分散劑具有優(yōu)異的界面潤(rùn)濕性能，有助于漿料的自流平性和鋪展均勻性。

圖3 不同分散體系的儲(chǔ)能模量、損耗模量及表觀接觸角

2.3固化性能與表面質(zhì)量

固化性能是評(píng)價(jià)陶瓷漿料適用性的關(guān)鍵指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)Jacobs基本工作曲線方程（Beer-Lambert定律）對(duì)不同分散體系的固化性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)，JJ-86分散體系具有更高的固化效率和更均勻的固化效果，即使在67 vol%的高固含量下，JJ-86分散體系的漿料仍保持良好的固化能力。

表面質(zhì)量是陶瓷芯性能的重要指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同分散體系固化單層的表面粗糙度進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，JJ-86體系固化表面的最大Ra和Sa分別低于2.0μm和3.0μm，遠(yuǎn)優(yōu)于其他分散體系，為后續(xù)燒結(jié)過(guò)程提供了優(yōu)質(zhì)的坯體基礎(chǔ)。

圖4 不同分散體系的固化性能

圖5 不同分散體系固化單層的表面質(zhì)量

2.4層厚參數(shù)協(xié)同

在DLP打印中，層厚參數(shù)直接影響層間結(jié)合強(qiáng)度和最終產(chǎn)品的完整性。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了30 μm、60 μm、90 μm和120 μm四種層厚對(duì)陶瓷型芯性能的影響。研究表明，層厚越小，層間結(jié)合越好。30 μm和60 μm層厚的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的層間結(jié)合性能，拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到10.377 MPa和10.862 MPa。隨著層厚增加至90μm和120μm，層間結(jié)合強(qiáng)度顯著下降，這與SEM觀察到的層狀結(jié)構(gòu)加劇現(xiàn)象一致。

圖6 不同層厚生坯的層間形貌

圖7 不同層厚打印的生坯層間結(jié)合強(qiáng)度

燒結(jié)是陶瓷芯制備的最后關(guān)鍵步驟，燒結(jié)質(zhì)量直接決定最終產(chǎn)品的性能。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同層厚燒結(jié)陶瓷的形貌和應(yīng)變機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，刮料厚度與切片層厚的比值對(duì)燒結(jié)質(zhì)量有重要影響。當(dāng)比值合適時(shí)，可有效防止打印部件產(chǎn)生孔隙缺陷。應(yīng)變機(jī)制分析表明，層厚越大，遠(yuǎn)光側(cè)表面和近光側(cè)表面的聚合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和交聯(lián)密度差異越顯著，導(dǎo)致燒結(jié)后樣品產(chǎn)生彎曲形變。

目前，脫脂和燒結(jié)較大厚度尺寸的DLP實(shí)心陶瓷仍是制約該技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。通過(guò)漿料的多維優(yōu)化和打印層厚參數(shù)的協(xié)同控制，成功燒結(jié)制備出了較大Z軸尺寸的實(shí)心陶瓷，為較大厚度尺寸陶瓷部件的DLP打印和未來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)策略。

圖8 不同層厚參數(shù)燒結(jié)陶瓷的表面形貌與變形機(jī)制

圖9 不同層厚的印刷、脫脂和燒結(jié)陶瓷

3.研究結(jié)論

(1) JJ-86分散劑的高效分散性體現(xiàn)在：在整個(gè)剪切速率范圍（0.1 s?1-1000 s?1）內(nèi)，其CDC值更低且具有更優(yōu)的近牛頓流體特性，JJ-86分散體系漿料的TSV特性有利于刮料行為的穩(wěn)定性。

(2) 添加4.8% JJ-86分散劑后，平均表觀接觸角低至47.76?，表明JJ-86分散劑的界面潤(rùn)濕與分散效果更顯著，漿料的自流平與鋪展性能得到改善。

(3) 添加JJ-86分散劑的漿料具有高擴(kuò)散系數(shù)（Dp = 171.55, R2 = 0.979），使67vol.%漿料仍保持良好固化能力，可在較低刮料速度下實(shí)現(xiàn)打印。不同曝光能量下單層固化表面的最大Ra值和Sa值分別低于2.0 μm和3.0 μm，表明采用該分散體系漿料制備的陶瓷素坯固化質(zhì)量更優(yōu)。

(4) 隨著層厚（LT）的增加，生坯中的分層現(xiàn)象日益明顯，這與遠(yuǎn)光側(cè)（FS）和近光側(cè)（NS）之間的差異密切相關(guān)。層厚為30 μm和60 μm的陶瓷樣品具有更優(yōu)異的層間粘結(jié)強(qiáng)度，分別為10.377 MPa和10.862 MPa。

(5) 通過(guò)協(xié)同控制刮料厚度與層厚的比值、高效分散劑以及較小切片層厚，獲得了Ra和Sa值分別為2.5 μm和3.3 μm的高質(zhì)量陶瓷樣品且燒結(jié)表面平整。成功制備出較大厚度尺寸的陶瓷型芯樣品。

這項(xiàng)研究不僅為DLP技術(shù)制備高性能陶瓷芯提供了系統(tǒng)的解決方案，也為其他光固化陶瓷材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了重要參考。君璟科技通過(guò)產(chǎn)學(xué)研深度合作，成功將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，展現(xiàn)了國(guó)內(nèi)企業(yè)在高端制造領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力。

文章引用信息：

Liu Y, Yuan S, Niu P, et al. Multi-dimensional optimization of slurry and synergistic suppression of interlayer cracking by layer thickness in DLP 3D printing silica-based ceramic cores[J]. Ceramics International, 2025.

技術(shù)合作單位：

北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院

清華大學(xué)材料學(xué)院新型陶瓷材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

君璟科技

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.08.064