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:從固化到燒結行為

來源： 奇遇科技ADTE

2023年6月22日，中國科學院沈陽自動化研究所和中國科學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)學公式闡明了表面質量與打印參數(shù)之間的關系，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。最后，研究通過正交實驗得到了最佳打印參數(shù)，并認為這項研究為立體光刻的高質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工藝設計:(a)料漿TGA-DSC曲線，(b)坯體脫脂燒結方案。

圖2 單激光脈沖的固化形狀和數(shù)學模型。

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℃燒結樣品，(f)1500℃燒結樣品，(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)部結構和晶粒生長行為:(a)、(b)、(c)脫脂體內(nèi)部，(d)、(e)、(f)燒結體內(nèi)部，(g)坯體表面，(h)脫脂體表面，(i)燒結體表面。

研究結論
這段實驗結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、脫脂體和燒結體的各種性質的影響。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)絡包裹的顆粒在單位空間中的體積密度，導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)。