基于喷射成形打印氧化铝粉末，通过算法使零件的致密度提高

供稿人:王程冬 鲁中良
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

α-Al2O3其功能特性（如高耐磨性，生物相容性，电绝缘性等）和相对较低的成本而成为行业中使用最广泛的陶瓷之一，喷射成型操作简易且可以成型复杂结构的零件，但是零件的致密度无法得到有效的保证。

研究人员通过计算机模拟，基于Lubachevsky-Stillinger算法依据尺寸分布来验证粉末堆积的可能性，使用离散元方法（DEM）模型模拟了粉末堆积动力学，借助显式的时间积分算法解决单个颗粒之间的接触力和力矩；通过尽可能的简化打印参数，其中包括使用单峰的粒径分布的粉末以避免烧结后处理，从而得到了素坯与烧结后的密度与喷射成型工艺参数关联最大。

图1中通过LS算法模拟，粉末（D50=9μm）的粉末密度分散度更大，因此粉末的填充密度更高，图2通过DEM模拟，更好地评估填充性能，以重现流变仪引起的攻丝效果，并使颗粒之间更好地互锁，重复操作直到获得均匀的颗粒床为止，因而根据模拟确定采用该种粒径的粉末可实现粉末的紧密堆积。

图1 LS算法获得的粉末堆积模拟的可视化表示（a）D50=1.7μm （b）D50=9μm

图2 通过DEM模拟获得的粉末堆积模拟的直观表示

本文研究团队简化打印参数，通过算法模拟的方式获得最佳的粉末粒径分布，验证了此技术在工业生产的可行性，且通过此方法获得的生坯致密度高达61.2%，烧结致密度（75.4%）是目前喷射成型的最高烧结致密度，弯曲强度56.1MPa，维氏硬度1.95GPa。为了使该技术打印的零件完全致密化，仍可进一步改进，粉末堆积方式的改进（如引入双峰分布），自动脱粉工艺的开发，烧结工艺的优化或采用其他处理方法（如微波或火花等离子体烧结），因而此种模拟方法在喷射成型其他材料具有广阔的应用前景。

参考文献：
Marco Mariani,Ruben Beltrami, PaoloBrusa，et al. 3D printing of fine alumina powders by binder jetting[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2021,4(006).