增材制造的氧化铝的强度研究

供稿人:王成玉 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

先进陶瓷具有良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性等性能，在实际应用中应用于特殊用途。但是将陶瓷材料制备成形所需的成本高，且加工烧结后的陶瓷零件所需的时间长，不利于设计结构复杂的材料。增材制造技术为复杂结构零件的设计提供了一种极佳的选择。莱奥本矿业大学的J. Schlacher等人[1]研究了使用基于光刻的陶瓷制造技术3D打印氧化铝零件件的强度，通过单轴和双轴抗弯强度试验研究了烧结参数、打印方向、表面情况（如机加工或3D打印）和几何形状对强度分布的影响，并在不同的样件中确定和比较了如特征强度和威布尔模量等威布尔参数。

图1 样件A（机加工）中典型的体缺陷：（a）层间孔（x方向） （b）分层区域（z方向）（c）分层（y方向）
实验结果表明烧结温度越高的样件具有更高的威布尔模量，其微观组织越均匀。像分层或大的孔洞等典型的过程缺陷有可能影响抗弯强度。如薄弱的层间边界或层间的不均匀等沿着打印方向一致的面缺陷，当沿着打印方向施加载荷时，只降低了该方向上的强度，而不会影响其他加载方向的强度。然而，如打印件内部的孔洞等体缺陷则会影响所有加载方向的强度。

图2 样件B1（机加工）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

图3 样件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方向上的人为损伤（c）在z方向的上表面可见（b）中的人为损伤
受打印路径影响的表面质量也会影响强度分布。然而，当打印参数设定较高时，打印后的表面强度可以与机加工后的表面强度相同，在后处理时要避免擦伤表面。

以上结论为提高LCM技术制造的氧化铝陶瓷强度提供了建议，优化后的LCM技术打印氧化铝陶瓷的工艺在陶瓷制造中具有非常大的应用前景。

参考文献：
J. Schlacher , T. Lube , W. Harrer , et al. Strength of additive manufactured alumina[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020.