增材制造的氧化鋁的強(qiáng)度研究

供稿人:王成玉 魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

先進(jìn)陶瓷具有良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蝕性等性能，在實際應(yīng)用中應(yīng)用于特殊用途。但是將陶瓷材料制備成形所需的成本高，且加工燒結(jié)后的陶瓷零件所需的時間長，不利于設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料。增材制造技術(shù)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計提供了一種極佳的選擇。萊奧本礦業(yè)大學(xué)的J. Schlacher等人[1]研究了使用基于光刻的陶瓷制造技術(shù)3D打印氧化鋁零件件的強(qiáng)度，通過單軸和雙軸抗彎強(qiáng)度試驗研究了燒結(jié)參數(shù)、打印方向、表面情況（如機(jī)加工或3D打印）和幾何形狀對強(qiáng)度分布的影響，并在不同的樣件中確定和比較了如特征強(qiáng)度和威布爾模量等威布爾參數(shù)。

圖1 樣件A（機(jī)加工）中典型的體缺陷：（a）層間孔（x方向） （b）分層區(qū)域（z方向）（c）分層（y方向）
實驗結(jié)果表明燒結(jié)溫度越高的樣件具有更高的威布爾模量，其微觀組織越均勻。像分層或大的孔洞等典型的過程缺陷有可能影響抗彎強(qiáng)度。如薄弱的層間邊界或?qū)娱g的不均勻等沿著打印方向一致的面缺陷，當(dāng)沿著打印方向施加載荷時，只降低了該方向上的強(qiáng)度，而不會影響其他加載方向的強(qiáng)度。然而，如打印件內(nèi)部的孔洞等體缺陷則會影響所有加載方向的強(qiáng)度。

圖2 樣件B1（機(jī)加工）中的次表面缺陷或面缺陷： （a）y方向的孔隙（b）x方向的加工缺陷

圖3 樣件B2（3D打印）的表面或者接近缺陷的表面：（a）y方向的波形面 （b）z方向上的人為損傷（c）在z方向的上表面可見（b）中的人為損傷
受打印路徑影響的表面質(zhì)量也會影響強(qiáng)度分布。然而，當(dāng)打印參數(shù)設(shè)定較高時，打印后的表面強(qiáng)度可以與機(jī)加工后的表面強(qiáng)度相同，在后處理時要避免擦傷表面。

以上結(jié)論為提高LCM技術(shù)制造的氧化鋁陶瓷強(qiáng)度提供了建議，優(yōu)化后的LCM技術(shù)打印氧化鋁陶瓷的工藝在陶瓷制造中具有非常大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
J. Schlacher , T. Lube , W. Harrer , et al. Strength of additive manufactured alumina[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020.