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              基于噴射成形打印氧化鋁粉末,通過算法使零件的致密度提高

              科研前沿
              2021
              07/01
              16:04
              分享
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              供稿人:王程冬 魯中良
              供稿單位:西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

              α-Al2O3其功能特性(如高耐磨性,生物相容性,電絕緣性等)和相對較低的成本而成為行業(yè)中使用最廣泛的陶瓷之一,噴射成型操作簡易且可以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件,但是零件的致密度無法得到有效的保證。

              研究人員通過計算機模擬,基于Lubachevsky-Stillinger算法依據(jù)尺寸分布來驗證粉末堆積的可能性,使用離散元方法(DEM)模型模擬了粉末堆積動力學(xué),借助顯式的時間積分算法解決單個顆粒之間的接觸力和力矩;通過盡可能的簡化打印參數(shù),其中包括使用單峰的粒徑分布的粉末以避免燒結(jié)后處理,從而得到了素坯與燒結(jié)后的密度與噴射成型工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)最大。

              圖1中通過LS算法模擬,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,圖2通過DEM模擬,更好地評估填充性能,以重現(xiàn)流變儀引起的攻絲效果,并使顆粒之間更好地互鎖,重復(fù)操作直到獲得均勻的顆粒床為止,因而根據(jù)模擬確定采用該種粒徑的粉末可實現(xiàn)粉末的緊密堆積。

              圖1 LS算法獲得的粉末堆積模擬的可視化表示(a)D50=1.7μm (b)D50=9μm
              圖2 通過DEM模擬獲得的粉末堆積模擬的直觀表示
              本文研究團隊簡化打印參數(shù),通過算法模擬的方式獲得最佳的粉末粒徑分布,驗證了此技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的可行性,且通過此方法獲得的生坯致密度高達61.2%,燒結(jié)致密度(75.4%)是目前噴射成型的最高燒結(jié)致密度,彎曲強度56.1MPa,維氏硬度1.95GPa。為了使該技術(shù)打印的零件完全致密化,仍可進一步改進,粉末堆積方式的改進(如引入雙峰分布),自動脫粉工藝的開發(fā),燒結(jié)工藝的優(yōu)化或采用其他處理方法(如微波或火花等離子體燒結(jié)),因而此種模擬方法在噴射成型其他材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

              參考文獻:
              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).


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