联盟专家姚建华团队发表多陶瓷材料增材制造最新成果

摘要：陶瓷因耐高温、耐腐及生物相容等优势，被广泛应用于航空航天、医疗、汽车与建筑领域。然而，单组分陶瓷难以实现复杂分级结构与多功能需求，而现有多陶瓷3D 打印技术（如单喷嘴挤出的直接墨水书写DIW）仍受限于打印精度不足（如结构坍塌）与浆料非受控窜流等瓶颈。

长三角G60激光联盟导读

陶瓷因耐高温、耐腐及生物相容等优势，被广泛应用于航空航天、医疗、汽车与建筑领域。然而，单组分陶瓷难以实现复杂分级结构与多功能需求，而现有多陶瓷3D 打印技术（如单喷嘴挤出的直接墨水书写DIW）仍受限于打印精度不足（如结构坍塌）与浆料非受控窜流等瓶颈。

为突破上述难题，浙江工业大学激光先进制造研究院姚建华（联盟专家）教授团队提出一种集成激光辅助固化、脉冲切换挤出与相对压力控制的多陶瓷DIW打印方法。其中，激光辅助固化可显著提升成型精度，高频脉冲切换与相对压力控制协同抑制浆料窜流并提高组分切换精度。该研究不仅为多材料 3D 打印（尤其是陶瓷增材制造）领域提供了可行的技术方案，也为相关领域研究者提供了具有参考价值的思路，在航空航天、医学等高端制造场景中展现出巨大应用潜力。

研究团队自主设计并制备了新型多流道汇聚喷头，将其集成于 3D 打印设备后，成功实现了 2 种、3 种及 4 种陶瓷浆料复合支架的精准 3D 打印成型。该结果充分验证了所提集成方案的可行性——通过创新喷嘴结构、定制化直接墨水书写系统与优化工艺参数的协同配合，有效突破了多组分陶瓷复杂结构的增材制造瓶颈。

图1 多陶瓷3D打印的实现

此外，研究团队系统探究了多种陶瓷浆料的流变学特性，为 3D 打印工艺参数的科学规划提供了关键理论依据。在此基础上，进一步针对脉冲模式与相对压力控制作用下的浆料流变行为展开深入分析。结果表明，通过优化脉冲切换频率并精准实施相对压力调控，可有效抑制多材料 3D 打印过程中的浆料窜流现象，为该核心难题的解决提供了初步技术方案。

图2 多陶瓷材料的3D打印工艺过程

由于墨水书写（DIW）技术依赖重力驱动的浆料沉积机制，在打印过程中易因重力作用引发结构坍塌，严重制约3D打印支架的成型精度。为应对这一挑战，研究团队在陶瓷浆料配方中引入光聚合树脂，并采用原位固化策略——通过在浆料发生明显变形前对其进行固化，有效减轻结构塌陷问题。结果证实，紫外激光辅助固化、脉冲可切换策略与相对压力控制方法的协同整合，可显著提升多陶瓷构件的 3D 打印精度。

图3 激光辅助3D打印过程

性能测试结果显示，所制备的多陶瓷复合支架在机械性能与生物相容性方面，均表现出优于单组分陶瓷支架的特性。这一结果初步证实，3D 打印多陶瓷支架在生物医学领域（尤其是骨科植入物、齿科修复体等精准医疗场景）具备良好的应用潜力。

图4 机械性能和初步的生物相容性

相关成果以“Pulsed-switchable strategy and relative-pressure control optimizing multi-ceramics 3D printing integrated with laser-assisted curing”为题，发表于增材制造领域国际顶级期刊《Additive Manufacturing》（2025年8月，影响因子 IF=11.1）。论文第一作者为我院赵超前助理研究员，通讯作者为姚建华教授与中国科学院上海硅酸盐研究所朱钰方研究员，浙江工业大学为第一完成单位。研究工作得到国家自然科学基金项目（52035014、52203203）和浙江省自然科学基金项目（LQ24E050018）资助。