科技创新 | 佛山(华南)新材料研究院科研团队原创压电打印头实现超高粘度浆料的 3D 打印技术

发布时间:2022-06-07

  近日,佛山(华南)新材料研究院联合北京航空航天大学、清华大学及北京科技大学等撰文展示了一款由团队自主研发的单个多层压电陶瓷高速打印头,该打印头可实现胶水、银浆、陶瓷浆料、食品等各类高粘度液体或固体颗粒混合液体的高频、高速、高精度 3D 打印,对开发各类 3D 打印材料可提供重要帮助。

本论文所搭载单陶瓷 5000 系列压电打印头可实现分区域独立加热,其中储料桶可加热到 180°C,喷嘴与流道可加热到 200°C,最小液滴可到 0.16mm,且可通过电控进行液滴高宽比的微调。文中的实验数据表明,该系统对液体石蜡的最小喷射体积约为 14.4 nL,液滴间体积误差不超过 8%,位置精度误差小于 6μm,角度轨迹误差约为 0.17 度。借助三轴精密运动系统装夹高精度、高速度压电打印头、附带切片等运动算法,使机台具有更为稳定的控制系统,运动轨迹精度较之前更高,这在直写式的固化成型方面具有显著优势。不同于 DLP 或 SLA 等其它光固化打印设备,该 DIW 选配不同打印头,几乎适合所有浆料打印。

▲液体石蜡的液滴成型,量筒内积累 80000 个液滴

 

该篇文章所参照的部分仪器设备是由佛山(华南)新材料研究院孵化企业 —— 广东君璟科技有限公司自主研发、生产而成的。该公司致力于陶瓷、金属 3D 光固化打印设备、增材制造材料、增材制造产业化应用等领域。在研究院的大力支持和政策扶持之下,公司自 2021 年成立以来,潜心科研,勇于开拓,积累丰富的技术经验,并在 3D 打印工艺、机械结构设计、运动控制软件拥有一批自主知识产权,在新型陶瓷材料研究等方面取得了丰硕的成果,并已于今年 5 月成功入库广东省第二批科技型中小企业,为下一步申报国家高新技术企业奠定基础。

▲公司现已拥有一批自助知识产权,并在新型陶瓷材料等方面取得了丰硕的成果

▲2021 年 5 月,佛山(华南)新材料研究院 4 家孵化企业成功入库广东省第二批科技型中小企业

 

目前,广东君璟科技有限公司所开发的 3 轴-5 轴直写式光固化 3D 打印设备,可根据客户的要求选配不同规格的 3D 打印头,例如:压电打印头、螺杆式打印头、气动打印头等。公司自主研发的 DLP 陶瓷 3D 打印机具有打印精度高、材料适配范围广的特点,可应用于陶瓷零部件制造、生物医用部件生产、日用文创品验证等各类复杂陶瓷形状的加工生产。

  此外,科研人员还制备和打印了液体石蜡、蜂蜜、UV 聚合物、环氧树脂、银浆和陶瓷浆料等,其粘度范围跨度了 4 个数量级 (21-665 320 cps),如下图 a 所示。通过调节不同控制参数最终实现了不同粘度的液体喷射,成果如下图 b-e 所示,可见液体蜡喷射到玻璃上,蜂蜜打印在巧克力上,环氧树脂、UV 树脂液滴阵列打印在玻璃上并进行固化;下图 f-i 中,银浆以单个液滴和线条进行印刷,固化后可实现通电;下图 j-k 中,陶瓷浆料可打印交叉复杂的形状并固化成型, 打印精度和效果远高于国内外同类型设备。

▲不同材料 3D 打印效果(UV 胶、树脂、食品、银浆、陶瓷浆料等)

 

该成果以 “The Design and Evaluation of a High-Speed Jet Dispenser Driven by Single Piezoelectric Stack”(基于单叠层压电陶瓷的高速喷射阀的设计计算)为题发表在《IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL》2022 年,69 卷,第 2 期。

本篇论文的顺利发表是对佛山(华南)新材料研究院孵化企业的发展和科技创新能力的肯定。下一步,研究院将持续加大科研投入和对在孵企业的扶持力度,发挥 “ 科技成果转化平台 ” 支撑作用,助力地方产业高质量发展。