基于分区扫描策略的双激光SLA-3D打印系统实现氧化铝陶瓷高效制备

《Optics & Laser Technology》：Dual-Laser SLA-3D printing system with partitioned scanning strategy for high-efficiency alumina ceramic fabrication

本研究针对立体光刻(SLA)技术在陶瓷制造中时间效率低下的瓶颈问题，创新性地提出了基于分区扫描策略的协同多激光并行扫描方法。研究人员通过优化Al2O3陶瓷浆料的固化特性与流变学参数，开发了硬件软件集成的双激光SLA-3D打印系统。实验结果表明，该技术成功制备了蜂窝结构件，相比单激光设备效率提升至少44.84%，在实体截面打印时较商用设备CeramakerC900提升45.18%，同时展示了在多材料陶瓷制造领域的应用潜力。

　　

在精密加工、航空航天、电子技术和生物医学工程领域，陶瓷材料因其高硬度、耐磨性、热稳定性、压电性和生物相容性等优异性能而备受青睐。然而，陶瓷的脆性和模具制造的复杂性使得传统制造方法难以制备高精度复杂陶瓷结构。增材制造（3D打印）技术为这一难题提供了创新解决方案，其中基于光聚合的立体光刻（Stereolithography, SLA）技术因其高分辨率和优异表面质量，被视为最具前景的陶瓷增材制造技术。

尽管在浆料体系、参数优化、烧结工艺和结构设计等方面取得了突破性进展，但时间效率的改进却鲜有关注。与传统减材制造方法相比，激光陶瓷3D打印技术仍存在显著的效率差距。例如，制作相同的牙科修复体，铣削仅需67分钟，而3D打印则需要长达702分钟。研究表明，只有当同时处理8个以上修复体时，3D打印才显示出效率优势。虽然通过提高浆料的光敏性可以增强单层固化深度，从而提升打印效率，但过大的层厚会导致明显的阶梯效应。同样，扩大光斑直径虽可缩短扫描路径，但不可避免地会牺牲打印精度。

面对这些相互制约的挑战，山东大学机械工程学院先进喷射工程技术研究中心（CaJET）的研究团队在《Optics》上发表了一项创新研究，他们从金属增材制造领域的多激光激光粉末床融合（ML-PBF）系统中获得灵感，将多激光策略引入陶瓷立体光刻领域，开创性地开发了一种基于分区扫描策略的双激光SLA-3D打印系统。

研究人员首先深入研究了Al₂O₃陶瓷浆料的流变学和固化特性，确定了适用于多激光系统的最佳工艺参数组合。通过系统比较不同路径方案下打印件的成型精度和翘曲行为，选择了最优扫描路径。团队创新性地提出了混合扫描方法：在子区域内部采用交叉填充路径，通过层间角度旋转机制分散应力矢量；在子区域外轮廓实施单组轮廓偏移路径进行二次固化，提高表面质量。

分区固化实验结果表明，分区扫描是一种可行的生坯制备方法。特别值得注意的是，设置超过1毫米的重叠区可有效改善烧结件的弯曲性能。表面形貌分析显示，在分区连接处存在宽度约0.13-0.15毫米的过渡区，局部凸起高度约35.7微米，这种微米级的几何偏差可通过烧结收缩过程消除。

在机械性能方面，研究团队设计了五种分区方案进行三点弯曲测试。结果表明，并排分区样品的弯曲强度存在显著分散性，最低值仅为107.4MPa。扫描电镜观察发现，边界区域存在残余树脂和游离球形陶瓷颗粒，阻碍了陶瓷的正常致密化生长。通过建立重叠区，样品的弯曲性能得到显著改善，设置1.5毫米宽度时性能提升达60.66%。

基于分区扫描的可行性验证，研究团队成功开发了CeraMultic-DL双激光陶瓷SLA-3D打印设备，并设计了专门的同步G代码执行算法。该设备集成了两个并排安装的激光扫描系统，每个系统的打印幅面为350×350mm2，扫描重叠区约185毫米。通过创新的G代码处理算法，实现了线性双分区和嵌套分区两种模式，将原始G代码中的路径坐标数据重新组织并映射到两个激光系统的独立坐标系中。

为验证双激光系统的制造效率，研究人员设计了最大尺寸175.51毫米的蜂窝结构模型，包含三种不同截面结构。效率对比实验显示，在扫描蜂窝结构截面时，双激光系统（CM-DL）相比原始设备（CM-300）效率提升至少44.84%。在打印实体截面（Type C）时，CM-DL仅需90.08秒，较法国3D CERAM公司的Ceramaker C900设备实现45.18%的效率提升。

该研究还展示了双激光系统在多材料陶瓷制造领域的独特优势。通过线性双分区和嵌套分区方法，成功制备了白/蓝双色氧化铝陶瓷组件和光聚合物-陶瓷嵌套分区圆形组件。双激光系统可同时以独立扫描参数固化两种材料，避免了单激光系统因频繁参数切换导致的激光寿命折损。

关键技术方法包括：采用双尺寸级配的Al₂O₃陶瓷粉末（1μm和200nm）制备固体含量为75wt%的陶瓷浆料；通过流变学测试和固化深度建模确定最佳工艺参数；开发基于分区扫描策略的G代码处理算法；使用自主研发的CeraMultic-DL双激光陶瓷SLA-3D打印系统进行成型实验；通过三维激光扫描显微镜和扫描电镜对样品表面形貌和微观结构进行表征。

3.1. 浆料流变学和固化特性

研究表明陶瓷浆料呈现典型的剪切稀化行为，在剪切速率达到50s^-1时粘度稳定在较低值。通过固化深度预测模型确定最佳工艺参数组合为：扫描速度4500mm/s，功率80mW，层厚0.1mm，确保层间牢固结合。

3.2. 扫描路径对打印质量的影响分析

交叉填充路径通过层间角度旋转机制有效抑制翘曲变形，而轮廓偏移路径通过连续边界扫描获得更光滑轮廓。提出的混合扫描方法结合两者优势，内部采用交叉填充，外轮廓实施轮廓偏移二次固化。

3.3. 分区制造的可行性

表面形貌分析显示分区连接处存在微米级过渡区，不影响整体成型质量。机械性能测试表明，设置适当重叠区可显著改善弯曲性能。尺寸精度测量显示不同分区策略的样品在烧结前后尺寸偏差率基本一致，证明分区打印具有良好成型稳定性。

4.1. 设备设计

开发的CeraMultic-DL双激光陶瓷SLA-3D打印系统集成两个激光扫描系统，最大打印尺寸300×300mm2。设备配备多喷嘴喂料系统，支持多材料打印功能。

4.2. 分区G代码处理算法

创新性地开发了线性双分区和嵌套分区两种G代码处理算法，通过坐标变换和路径重分配，实现双激光同步扫描。

4.3. 双激光系统效率优势验证

通过蜂窝结构样品打印实验，证实双激光配置在不同截面类型下均显示显著效率优势，特别是在实体截面打印时表现突出。

4.4. 小尺寸和多材料组件

设备成功制备最小圆孔孔径2mm的小尺寸蜂窝结构，展示高精度成型能力。通过多材料打印实验，验证了技术在多功能陶瓷构件一体化制造中的潜力。

研究结论表明，基于分区扫描策略的双激光SLA技术为高性能陶瓷制造提供了高效的解决方案。通过优化工艺参数、扫描路径和分区策略，实现了氧化铝陶瓷构件的高质量高效制备。该技术不仅显著提升打印效率，同时为复杂结构多材料陶瓷组件的一体化成型开辟了新途径。未来通过进一步优化跳转速度控制和扫描角度选择，有望在保持精度的同时实现更大程度的效率提升。这项技术在航空航天、生物医疗、电子器件等领域的复杂陶瓷构件制造中具有广阔应用前景。