陶瓷增材制造各向异性行为调控机理在陶瓷型芯与生物陶瓷的应用

基于微结构设计的陶瓷增材制造各向异性调控方法与效益

陶瓷材料在3D打印过程中，不同方向的收缩率不同（各向异性收缩）、抗弯强度（三点弯曲强度）和抗裂性能（断裂韧性）的控制是陶瓷型芯和生物陶瓷研究的关键难题。这些性能主要受材料内部层状结构的影响。如果能实现材料在各个方向上性能一致（各向同性），将更有利于控制复杂零件在脱脂和烧结后的尺寸精度。为了更好地满足产品尺寸和强度的要求，必须解决陶瓷3D打印中不同方向性能不一致（各向异性）的问题。

近日，中国科学院沈阳自动化研究所工艺装备与智能机器人研究室科研团队设计了一些微米级中空矩形结构，将层状结构转变为“T”形错位层结构，从而改善抗弯截面系数，进而控制各向异性行为。基于固化深度的理论方程，建立了一种新的光聚合轮廓曲线方程，以准确预测实际的固化轮廓曲线，指导微观结构设计。这为通过陶瓷光固化增材制造控制任何材料的尺寸和力学性能提供了一种普适性方法。

科研团队基于固化深度的理论方程，建立了一种新的光聚合轮廓曲线方程，以准确预测实际的固化轮廓曲线，指导微观结构设计，并系统地研究了微观结构设计参数（矩形的长度、宽度和面积百分比）和烧结温度对尺寸收缩、弯曲强度和断裂韧性的影响。

实验结果表明，通过优化微观结构设计，陶瓷材料的收缩率、抗弯强度、抗裂性能等方面均得到显著提升，实现了对陶瓷材料尺寸稳定性和力学性能的有效调控。

该研究成果以Designing curing layer structures to manage the anisotropies of alumina ceramics manufactured by vat photopolymerization为题发表于增材制造领域国际权威期刊Additive Manufacturing。沈阳自动化所博士生于雪华为第一作者，沈阳自动化所赵吉宾研究员和赵宇辉研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等项目的支持。（工艺装备与智能机器人研究室）

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104763