《Acta Materialia》：超薄3D打印氧化鋁晶格結(jié)構(gòu)的燒結(jié)行為

來源：材料科學(xué)與工程

陶瓷立體光刻或大桶光聚合是一種允許制造具有高度復(fù)雜形狀的陶瓷物體的工藝。晶格結(jié)構(gòu)特別與先進的優(yōu)化拓撲工具一起使用，用于設(shè)計具有優(yōu)化機械阻力的可打印輕質(zhì)形狀。如果這些晶格結(jié)構(gòu)的機械阻力在聚合狀態(tài)下得到很好的控制，它們可能會在燒結(jié)階段的高溫下嚴重變形。然后確定晶格結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過程中的變形敏感性，以在概念階段考慮這一方面。晶格燒結(jié)的有限元 (FEM) 模擬是一種有趣的解決方案，可以從數(shù)值上預(yù)測晶格的變形敏感性并確定它們的最小壁厚。這需要確定印刷綠色樣品的燒結(jié)行為，并考慮燒結(jié)各向異性，這涉及層間較弱的電阻。

來自法國諾曼底大學(xué)的學(xué)者首先通過多軸膨脹儀確定燒結(jié)行為，對其進行分析建模，然后通過 FEM 方法進行模擬。之后，進行了不同壁厚晶格的燒結(jié)模擬。這允許測試模擬工具對每個格子壁厚的可預(yù)測性，并比較它們在高溫下的變形敏感性。相關(guān)文章以“Sintering behavior of ultra-thin 3D printed alumina lattice structures”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118865

圖1. 印刷晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計（A）桿直徑為 3 至 0.5 毫米的起始晶胞，（B）具有全桿直徑的等效單元和（C）打印機高原的視圖復(fù)制的格子結(jié)構(gòu)；下面 (D) 介紹了模型識別、驗證和參數(shù)化晶格模擬的文章主要步驟。

圖2. 3D 打印過程中的結(jié)構(gòu)孔隙度方案 (A)，在平行于層的剪切誘導(dǎo)情況下的弱變形行為的圖示 (B)。

圖3.脫脂陶瓷膏在 600°C 空氣中的 SEM 圖像和粒徑分布直方圖。

圖4. 膨脹測量配置 (A)、打印樣品表面的 SEM (B)、曲線的燒結(jié)膨脹測量 (C)。

圖5. 3D 打印氧化鋁樣品的燒結(jié)微觀結(jié)構(gòu)

圖6. Z 和 R 方向的實驗應(yīng)變率 (A)，Yz 和 Yr 的線性回歸，用于提取燒結(jié)活化能 (B)，粘度指數(shù)前參數(shù)與孔隙率的確定 (C)。

圖7. 實驗膨脹數(shù)據(jù)的解析燒結(jié)建模。

圖8. 膨脹實驗的 FEM 模擬以及解析、FEM 和實驗數(shù)據(jù)的比較：(A) 相對密度，Z 位移的 3D 視圖在插入中報告，(B) 燒結(jié)收縮，位置插入物中報告了虛擬測量探頭。

圖9. 桿直徑為 3 mm (A) 和 0.5 mm (B) 的格子結(jié)構(gòu)的 FEM 模擬，對于這兩個模擬，放置了一個虛擬位移探針（紅點）以記錄 Z 和 R 線性收縮(C)，還繪制了 5 mm立方體膨脹收縮的實驗值，以估計不需要的燒結(jié)變形水平。

圖10. 脫脂晶格結(jié)構(gòu)的照片 (A)，在 1600 ℃ 下燒結(jié) 3 小時后的照片(B)，F(xiàn)EM 模擬燒結(jié)結(jié)束時的相應(yīng)晶格 (C)，繪制最大形狀變形和 von Mises 應(yīng)力發(fā)展(D)。

薄晶格結(jié)構(gòu)在具有高機械/功能性能和多尺度結(jié)構(gòu)的仿生輕質(zhì)部件中用作支撐材料或填充材料。這些結(jié)構(gòu)是使用 3D 打印機切片軟件和先進的拓撲優(yōu)化工具開發(fā)的，可改進厚部件的設(shè)計。然而，這些數(shù)值工具不包括晶格在燒結(jié)過程中的高溫較弱電阻。在這項工作中，第一步是通過 FEM 模擬來預(yù)測印刷薄結(jié)構(gòu)對燒結(jié)變形的抵抗力。提出了一種實驗方案來提取立體光刻印刷樣品的高溫?zé)�結(jié)行為，并在快速計算分析模型中實施這些數(shù)據(jù)，然后在 FEM 模擬工具中預(yù)測晶格燒結(jié)行為。特別是，燒結(jié)行為必須包括印刷陶瓷的燒結(jié)各向異性，其中在構(gòu)建方向上觀察到較高的收縮率。這項研究表明，可以通過陶瓷立體光刻技術(shù)生產(chǎn)非常薄、低密度和復(fù)雜的氧化鋁晶格。所研究的晶格包含弱支撐結(jié)構(gòu)和小至 0.5 mm 的桿直徑結(jié)構(gòu)，填充密度低至 1.6 vol%。這些極具挑戰(zhàn)性的晶格結(jié)構(gòu)將 3D 打印機和耐燒結(jié)測試都探索到了極限。所有晶格結(jié)構(gòu)均已成功打印，并且在水平懸臂區(qū)域僅觀察到少量分層。實驗晶格燒結(jié)測試顯示了緊接在經(jīng)歷嚴重?zé)�結(jié)變形的最弱晶格 (1.6vol%) 之前的抗變形閾值。FEM 模擬成功地預(yù)測了實驗觀察到的嚴重變形區(qū)域。

這項工作提供了許多積極的前景：(1) 近期前景是可以使用 FEM 工具從拓撲優(yōu)化方法中使用的室溫特性預(yù)測晶格高溫應(yīng)力抵抗閾值。(2) 仍在拓撲優(yōu)化中，F(xiàn)EM 模型可用于識別行為類似于晶格但顯著降低計算成本的等效連續(xù)體材料特性。(3) 本文建模方法可用于模擬具有內(nèi)部或外部晶格結(jié)構(gòu)的仿生 3D 打印物體的燒結(jié)行為。