ZrO2陶瓷增材制造中光致固化梯度和原位層狀間隙的優(yōu)化,、形成和演變:從固化到燒結(jié)行為

來源： 奇遇科技ADTE

2023年6月22日,，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和中國科學(xué)院機器人與智能制造研究所的研究人員在《Journal
of the European Ceramic Society》上發(fā)表題為Optimization, formation, and evolution of the photoinduced curing gradients and in-situ lamellar gaps in additive manufacturing of ZrO2 ceramics: From curing to sintering behaviors的研究論文,，報道了研究中使用激光打印技術(shù)對打印參數(shù)進行確定和優(yōu)化的過程，以及打印參數(shù)對原位層狀間隙和光致固化梯度的影響,。研究采用了四因素四水平正交實驗,，并分析了激光功率、激光頻率和掃描速度對線性固化深度的影響,。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0955221923004934

研究簡介
該研究了關(guān)于光致固化梯度和原位層狀間隙與立體光刻三維固化機理的關(guān)系,。研究指出，光致固化梯度受激光功率和頻率,、掃描角度和打印厚度等打印參數(shù)的影響,，在其中固化面積不足是影響陶瓷表面質(zhì)量和物理性能的主要因素。同時,，原位層狀間隙是由于固化面積不足造成的,。研究還通過建立數(shù)學(xué)公式闡明了表面質(zhì)量與打印參數(shù)之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)各向異性體積收縮,、各向異性表面形貌,、密度和硬度演變與光致固化梯度引起的包裹顆粒密度差異有關(guān)。最后,，研究通過正交實驗得到了最佳打印參數(shù),，并認(rèn)為這項研究為立體光刻的高質(zhì)量成形和高性能制造提供了一個獨特的理解。

圖1 氧化鋯熱重,、熱流分析及脫脂燒結(jié)工藝設(shè)計:(a)料漿TGA-DSC曲線,，(b)坯體脫脂燒結(jié)方案。

圖2 單激光脈沖的固化形狀和數(shù)學(xué)模型,。

圖3 不同掃描角度的空間固化生長行為:(a)25o,，(b)45o，(c)65o,，(d)90o,。

圖4 圓柱坯體打印不同掃描角度的空間掃描路徑分布:(a)25o，(b)45o,，(c)65o,，(d)90o。

圖5 線性固化深度行為:(a)不同工作功率，(b)不同激光頻率,，(c)不同掃描速度,，(d)流變實驗。

圖6 正交實驗結(jié)果優(yōu)化分析:(a)HS-Ra,，(b)VS-Ra,，(c)相對密度，(d)硬度,。

圖7 水平面上的多維固化行為:(a)高度統(tǒng)計曲線,，(b)樣本a，(c)樣本b,，(d)樣本c,，(e)樣本d，(f)樣本e,，(g)樣本f,，(h)樣本g，(i)樣本h,，(j)樣本i,。

圖8 打印參數(shù)對燒結(jié)性能的影響:(a)各向異性收縮率(b)垂直表面，(c)水平表面,，(d)相對密度,，(e)1170℃燒結(jié)樣品，(f)1500℃燒結(jié)樣品,，(g)光致固化梯度演變,。(包裹顆粒的密集區(qū)域意味著由于分子間距離的減小，足夠的固化區(qū)域容易形成被聚合物網(wǎng)絡(luò)捕獲的顆粒的高排列和堆積密度,。)

圖9 棕色體的垂直表面形貌:(a)樣本a,，(b)樣本b，(c)樣本c,，(d)樣本d,，(e)樣本e，(f)樣本f,，(g)樣本g,，(h)樣本h，(i)樣本i,。

圖10 燒結(jié)體的垂直表面形貌:(a)試樣a,，(b)試樣b，(c)試樣c,，(d)試樣d,，(e)試樣e,，(f)試樣f，(g)試樣g,，(h)試樣h,，(i)試樣i。

圖11 表面的壓痕,、微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶粒生長行為:(a),、(b)、(c)脫脂體內(nèi)部,，(d),、(e)、(f)燒結(jié)體內(nèi)部,，(g)坯體表面,，(h)脫脂體表面，(i)燒結(jié)體表面,。

研究結(jié)論
這段實驗結(jié)果介紹了激光打印參數(shù)對原位層狀間隙和光致固化梯度的影響，并介紹了這些影響對坯體,、脫脂體和燒結(jié)體的各種性質(zhì)的影響,。研究發(fā)現(xiàn)，光致固化梯度的形成受多個打印參數(shù)的影響,，其中不充分的固化面積體積隨打印厚度和激光功率的增加而減小,，隨激光頻率的增加而增大。層狀間隙的形成是由于不充分的固化區(qū)域被去除,，在三維固化機理中,，單點固化形狀的排列決定了坯體的間隙形狀，并呈現(xiàn)出各向異性,�,？傮w而言，不充分固化區(qū)域會降低聚合物網(wǎng)絡(luò)包裹的顆粒在單位空間中的體積密度,，導(dǎo)致相對密度和硬度隨打印參數(shù)的變化,。最后，研究通過正交試驗分析得到了最佳打印參數(shù),。