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(lái)源： 奇遇科技ADTE

2023年6月22日，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和中國(guó)科學(xué)院機(jī)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(bào)道了研究中使用激光打印技術(shù)對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行確定和優(yōu)化的過(guò)程，以及打印參數(shù)對(duì)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(shí)驗(yàn)，并分析了激光功率、激光頻率和掃描速度對(duì)線性固化深度的影響。

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

研究簡(jiǎn)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(jī)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(shí)，原位層狀間隙是由于固化面積不足造成的。研究還通過(guò)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(guò)正交實(shí)驗(yàn)得到了最佳打印參數(shù)，并認(rèn)為這項(xiàng)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(gè)獨(dú)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(jì):(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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)。

圖6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化分析:(a)HS-Ra，(b)VS-Ra，(c)相對(duì)密度，(d)硬度。

圖7 水平面上的多維固化行為:(a)高度統(tǒng)計(jì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果介紹了激光打印參數(shù)對(duì)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(duì)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(gè)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(jī)理中，單點(diǎn)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(huì)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(duì)密度和硬度隨打印參數(shù)的變化。最后，研究通過(guò)正交試驗(yàn)分析得到了最佳打印參數(shù)。