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陶瓷增材制造各向異性行為調控機理在陶瓷型芯與生物陶瓷的應用
基于微結構設計的陶瓷增材制造各向異性調控方法與效益
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鍵難題。這些性能主要受材料內部層狀結構的影響。如果能實現材料在各個方向上性能一致（各向同性），將更有利于控制復雜零件在脫脂和燒結后的尺寸精度。為了更好地滿足產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計了一些微米級中空矩形結構，將層狀結構轉變為“T”形錯位層結構，從而改善抗彎截面系數，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，以準確預測實際的固化輪廓曲線，指導微觀結構設計。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，以準確預測實際的固化輪廓曲線，指導微觀結構設計，并系統地研究了微觀結構設計參數（矩形的長度、寬度和面積百分比）和燒結溫度對尺寸收縮、彎曲強度和斷裂韌性的影響。
實驗結果表明，通過優化微觀結構設計，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，實現了對陶瓷材料尺寸穩定性和力學性能的有效調控。
該研究成果以Designing curing layer structures to manage the anisotropies of alumina ceramics manufactured by vat photopolymerization為題發表于增材制造領域國際權威期刊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基金和中國科學院青年創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：中國科學院沈陽自動化研究所
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號