陶瓷材料在3D打印過程中，不同方向的收縮率不同(各向異性收縮)、抗彎強(qiáng)度(三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度)和抗裂性能(斷裂韌性)的控制是陶瓷型芯和生物陶瓷研究的關(guān)鍵難題。這些性能主要受材料內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)的影響。如果能實(shí)現(xiàn)材料在各個(gè)方向上性能一致(各向同性)，將更有利于控制復(fù)雜零件在脫脂和燒結(jié)后的尺寸精度。為了更好地滿足產(chǎn)品尺寸和強(qiáng)度的要求，必須解決陶瓷3D打印中不同方向性能不一致(各向異性)的問題。
 

陶瓷增材制造各向異性行為調(diào)控機(jī)理在陶瓷型芯與生物陶瓷的應(yīng)用
 

基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的陶瓷增材制造各向異性調(diào)控方法與效益
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所工藝裝備與智能機(jī)器人研究室科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一些微米級(jí)中空矩形結(jié)構(gòu)，將層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癟”形錯(cuò)位層結(jié)構(gòu)，從而改善抗彎截面系數(shù)，進(jìn)而控制各向異性行為。基于固化深度的理論方程，建立了一種新的光聚合輪廓曲線方程，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際的固化輪廓曲線，指導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這為通過陶瓷光固化增材制造控制任何材料的尺寸和力學(xué)性能提供了一種普適性方法。
 

　　科研團(tuán)隊(duì)基于固化深度的理論方程，建立了一種新的光聚合輪廓曲線方程，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際的固化輪廓曲線，指導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并系統(tǒng)地研究了微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)(矩形的長(zhǎng)度、寬度和面積百分比)和燒結(jié)溫度對(duì)尺寸收縮、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的影響。
 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陶瓷材料的收縮率、抗彎強(qiáng)度、抗裂性能等方面均得到顯著提升，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陶瓷材料尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能的有效調(diào)控。
 

　　該研究成果以Designing curing layer structures to manage the anisotropies of alumina ceramics manufactured by vat photopolymerization為題發(fā)表于增材制造領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊Additive Manufacturing。沈陽(yáng)自動(dòng)化所博士生于雪華為第一作者，沈陽(yáng)自動(dòng)化所趙吉賓研究員和趙宇輝研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。(工藝裝備與智能機(jī)器人研究室)