光固化打印具有成型速度快、精度高的优势。是用来制作高精度、高复杂度结构最重要的方法之一。其成型原理是将三维模型切片成若干二维图案，逐层打印，累加成型。因此这必然会在层与层相接处产生明显的台阶纹。这种台阶效应一直以来是3D打印不可避免的缺陷。严重降低了打印结构的表面质量，并且很容易造成应力集中现象而降低打印结构的力学性能。对于这个在3D打印中存在的普遍问题，尚未提出良好的解决办法。

为消弱台阶效应带来的影响，西安交通大学3D打印王莉课题组提出了一种Layerless Printing打印技术。通过在打印过程中抑制甚至消除层感对高粘度陶瓷前驱体光敏树脂与无层打印技术进行工艺匹配，成功将无层打印技术应用于陶瓷的制作，可以生产出表面精度高，力学性能良好的复杂陶瓷结构。

该工作内容以“Polysilazane-derived SiCN Ceramics-based Layerless Printing”为题发表在国际著名期刊Additive Manufacturing（JCR1，IF=10.998）。第一作者及通讯作者为王莉老师。

主要研究内容

01台阶效应的抑制

台阶效应的产生是一个与设备、材料、工艺多方面相关的复杂问题，如光源的高斯分布（图1a），材料对光的折散射，光能量在材料中的衰减（图1b）等。通过对打印件的表面观察（图1c-d）可以看到明显的层感。

图1.台阶效应的产生

在一个曝光层内，越靠近光投影面越容易发生过固化，导致打印层Z方向并非垂直于水平面，在逐层累加过程中产生明显层感（图2），对此本文在打印过程中构建了一个台阶纹抑制层，在台阶纹抑制层内，材料不发生固化，消弱了打印层底部的过固化，使得打印层之间过渡更加平缓。

图2.台阶效应抑制原理

通过抑制层可以对打印过程中产生的台阶效应进行动态调控，当打印参数配合调整在最佳参数时，几乎可以完全消除层感（图3c）

图3.打印结构层感的动态调节

02

陶瓷前驱体的无层打印

本文采用的高粘度商业聚硅氮烷陶瓷前驱体（PSN1,粘度>10000cp),将其制备成可光固化打印的陶瓷前驱体光敏树脂，通过升温降粘原理是材料达到满足无层打印的粘度。打印件表面粗糙度从14.4 μm降低到1.9 μm，降幅达86.4%；无层打印件的尺寸精度均高于传统的打印方式。极大提高了打印精度，并成功制作出多种复杂的聚合物衍生SiCN陶瓷结构。

图4.无层打印过程及打印聚合物衍生陶瓷复杂结构

03

无层打印陶瓷性能

分别比较了无层打印和传统打印聚合物衍生陶瓷的硬度模量及抗压性能。无层打印的硬度和模量相较于传统打印高出10%左右（图5左），我们将这个现象归因为，在无层打印中需要对材料进行加热处理，在打印过程中引入均匀的热能量，一定程度上提升了材料的反应活性，使得交联程度更高，更多的N元素被保留，产生更多高硬度的Si₃N₄。而陶瓷晶格结构的抗压测试显示了无层打印陶瓷在破坏过程中的波动更小，这是由于无层打印抑制了层感，使得在晶格支柱结构在连续破碎的过程中受力更加均匀，可以提供更加稳定的支持。

工作总结

西安交通大学3D打印王莉课题组提出的无层打印技术几乎可以完全消除光固化打印中的台阶效应，使得打印结构精度更好，力学性能更好。这种打印技术几乎可以应用在适于光固化打印的各种材料上，具有打印方式简单，成本低，应用广的特点。

作者简介：

王莉，通讯作者，西安交通大学副教授，硕士生导师/博士生导师，美国西北大学访问学者。西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室微纳制造团队骨干成员；卢秉恒院士智能机器人及3D打印制造团队骨干，西安增材制造国家研究院-西安交大工程硕士班导师；科技部重点研发计划评审专家，广东省重点研发计划评审专家，国家自然科学基金评审专家；陕西省研究生创新成果一等奖指导老师。