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基于喷射成形打印氧化铝粉末

基于喷射成形打印氧化铝粉末

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  发布日期:2021-06-19
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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:

  1. 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).