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陶瓷增材制造各向異性行為調(diào)控機理在陶瓷型芯與生物陶瓷的應(yīng)用
基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計的陶瓷增材制造各向異性調(diào)控方法與效益
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）、抗彎強度（三點彎曲強度）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。如果能實現(xiàn)材料在各個方向上性能一致（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。
近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所工藝裝備與智能機器人研究室科研團隊設(shè)計了一些微米級中空矩形結(jié)構(gòu)，將層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤?/span>T”形錯位層結(jié)構(gòu)，從而改善抗彎截面系數(shù)，進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)測實際的固化輪廓曲線，指導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計。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。
科研團隊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)測實際的固化輪廓曲線，指導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，并系統(tǒng)地研究了微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（矩形的長度、寬度和面積百分比）和燒結(jié)溫度對尺寸收縮、彎曲強度和斷裂韌性的影響。
實驗結(jié)果表明，通過優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，陶瓷材料的收縮率、抗彎強度、抗裂性能等方面均得到顯著提升，實現(xiàn)了對陶瓷材料尺寸穩(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)域國際權(quán)威期刊Additive Manufacturing。沈陽自動化所博士生于雪華為第一作者，沈陽自動化所趙吉賓研究員和趙宇輝研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。（工藝裝備與智能機器人研究室）
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104763
來源：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號