分散剂对SiC陶瓷浆料基粘结剂喷射零件质量的影响

2022年八月的美国陶瓷学会杂志J. American Ceramic Society 发表了京瓷精密陶瓷德国公司Kyocera Fine ceramics Precision GmbH，德国联邦材料所BAM， Universität Bayreuth ，Technische Universitaet Claustha克劳斯塔尔工业大学联合发表的文章。

分散剂对SiC陶瓷浆料基粘合剂喷射零件质量的影响https://doi.org/10.1111/jace.18693

Binder Jetting是一种通过喷射粘合剂使粉末成型的增材制造技术。该技术使用粉床（powder bed）作为基础，并且使用喷墨打印头将粘合剂喷到粉末里,从而将一层粉末在选择的区域内粘合，每一层粉末又会同之前的粉层通过粘合剂的渗透而结合为一体，如此层层叠加制造出三维结构的物体。作者在文章中提到粘结剂喷射在陶瓷工业中越来越多地用于生产大型复杂形状零件。 其中对零件质量有很大影响的一个参数是粘结剂-粉末相互作用。使用陶瓷浆料作为该工艺的原料，例如在LSD印刷技术中，允许组合物具有很大的灵活性。这种浆料通常由陶瓷粉末、水和少量各种添加剂组成。因此，了解这些成分对印刷质量的影响对于原料开发至关重要。

针对分散剂等添加剂对3D打印的影响，本文作者开发了四个模型。这些模型通过使用两种不同浓度的分散剂和商用酚醛树脂作为粘合剂的SiC浆料系统的实验得到证实或反驳。结果表明，对于该体系，分散剂对固化行为的影响以及分散剂对孔隙的堵塞可以忽略不计。树脂固化后分散剂的再分散没有或只有很小的影响。然而，由系统表面能决定的润湿行为似乎是最关键的。 如果浆料添加剂的表面能显著低于粘合剂的表面能，则原型件的强度和打印质量将较低 。实验的结果通过Adscientis 反气相色谱（IGC）、接触角测量、流变特性和铸造样品的机械试验得到了确认。

IGC数据结论：

模型1：润湿性差异

通过IGC测量获得的数据分析得出了分散剂对粉末床润湿行为的负面影响的几个指标。对于良好的润湿性，粘合剂的表面能优选低于粉末的表面能。所用粘合剂的总表面能确实略低于SiC粉末，即使色散部分相当高。实验仍然需要期望适当的润湿。相反，由于分散剂的表面能低得多，因此不希望粘合剂润湿分散剂表面。因此，粘合剂不太可能位于分散剂分子占据的区域上。这也可以从粘合剂对分散剂的负扩散系数中看出。当混合物中含有过多分散剂时，作为强结合的先决条件之一，无法获得良好的润湿性。

表面能的差异还导致分散剂和粘合剂之间的低粘合功，这进一步导致弱粘合。与用0.5wt%分散剂制备的样品相比，这种弱结合导致用5.0wt%的分散剂制得的铸造样品获得的强度值低得多。这些结果还可以通过W_adh/W_coh粘合剂-碳化硅接触的比率为0.99而粘合剂-分散剂接触的比率是1.33来预测。文献中的其他研究表明-比率接近1的组合物具有最高强度。

通过接触角测量也验证了取决于粉末床组成的粘合剂与粉末床的不良相互作用。接触角随时间的发展表明粘合剂非常缓慢地渗透到基材中。粘合剂渗透用低浓度的分散剂更快地进入粉末床。这一观察结果与文献中Nguyen等人的结果一致，他指出水滴的渗透时间随着粉末混合物中疏水性成分的增加而增加。此外，观察到粉末床的润湿性与颗粒强度成正比，与颗粒尺寸（成反比，颗粒尺寸对应于滑动铸造样品的强度结果。在这项工作中，分散剂是与粘合剂并没有相互作用良好。

原文链接： Influence of the dispersant on the parts quality in slurry‐based binder jetting of SiC ceramics (wiley.com)