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

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).