编者按：陶瓷以其结构稳定性、耐磨性和耐高温性而广泛应用于机械工程、电子和航空航天领域。但陶瓷固有的脆性和硬度使制造复杂零件成为一项挑战。3D打印，也称为增材制造（AM），为生产具有集成结构和功能的复杂陶瓷提供了一种高效便捷的方法。

本文译自SCMP，作者 Zhang Tong，原标题为“Chinese scientists develop cutting-edge tech for 3D ceramic printing in the air to create complex engineering parts”。

近日，中国的科学家开发了一种无需支撑结构即可在空中3D打印陶瓷的新技术。该技术几乎可以在任何角度构建陶瓷部件，从而能够创建以前典型的3D打印技术无法实现的形状。

在传统的陶瓷3D打印中，通常需要额外的支撑结构来防止未支撑部件的坍塌。这种额外的骨架不仅会影响打印效率，还会引发与移除这些支撑相关的问题。为应对这些挑战，江南大学刘任教授和他的团队开发了一种新的印刷浆料和改进的固化技术，可帮助材料快速固化，提高陶瓷3D打印效率并消除对支撑结构的需求。

该打印技术能够实现直径从410微米到3.50毫米的多尺度长丝的原位固化，并通过无支撑打印成功构建了扭转弹簧、三维弯曲和悬臂梁的陶瓷结构。该团队的研究结果于4月25日发表在期刊《自然·通讯》上。

新浆料是一种光敏陶瓷浆料，可在暴露于近红外 (NIR) 光时迅速固化并增加强度。在一定的NIR辐射强度下，材料从喷嘴中挤出后立即在半空中保持其形状。

“打印出的曲线可以在没有支撑的情况下在空间中自由延伸。印刷过程平稳连续，不需要加热或冷却，”刘任在论文中说。

研究人员还表明，与常用的紫外线 (UV) 光相比，NIR光可以获得更好的效果。分别在近红外光和紫外光下测试了浆料的固化深度——一种通常用于表征光穿透能力的量度。

测试表明，在紫外光下，130秒后固化深度可达1.02mm。然而，在近红外光照射下3秒，固化深度达到3.81毫米，这意味着近红外光可以实现更快的高精度打印。

在视频演示中，刘和他的团队以每秒1毫米的速度水平打印三维曲面结构。即使在随后的高温烧结或压实成型过程中，所得陶瓷也能很好地保持其形状并保持稳定。

该技术还用于创建具有急转弯的结构，例如扭力弹簧，尽管正确选择喷嘴和激光定位对于防止它们倒塌或阻塞至关重要。

多材料3D打印在陶瓷结构中也是一个具有挑战性的课题，陶瓷材料的不同光固化特性可能会在高温烧结过程中导致翘曲、分层和裂纹。该团队展示了使用铁红、铬绿或氧化钇稳定的氧化锆等添加剂打印混合陶瓷的能力，这有助于他们统一具有不同特性的陶瓷的烧结温度。

“这项技术的关键不仅是消除了典型打印过程中所需的支持，而且还带来了许多其他优势，例如减少打印时间、材料使用和后处理工作量，”刘任在论文中说。

该论文称，墨水成分和打印参数的改进——例如喷嘴直径、挤压压力、移动速度和光强度——可以创造出分辨率更高、美感独特的物体。刘任表示，这种3D打印新技术有可能得到进一步发展，在没有支撑的情况下制造的陶瓷形状将激发更多创新，并使增材制造技术得到更广泛的应用。