直寫成型增材制造的燒結過程：介觀建模方法

【引言】

直寫成型技術(DIW)是一種比較前沿的增材制造技術，可以進行任意復雜3D形狀的快速成型，主要工作方式是利用計算機控制的平臺移動沉積噴嘴生成具有各種尺寸以及形狀的圖案。根據材料沉積方式直寫成型技術可以分為基于液滴成型以及絲狀成型兩類。近些年來，DIW已經可以用來制造碳化硼，氧化鋁，莫來石等陶瓷材料。其中，在以基于絲狀成型的DIW中，燒結過程是整個過程的關鍵，很大程度的影響了內部孔隙率，整體收縮率以及晶格結構等。目前已經有原子模擬，Monte Carlo模型，宏觀方法等用于研究燒結過程。

【成果簡介】

近日，美國Sandia國家實驗室Fadi Abdeljawad(第一兼通訊作者)在Acta Mater.上發表“Sintering Processes in Direct Ink Write Additive Manufacturing: A Mesoscopic Modeling Approach”的文章。研究人員利用一種介觀模型框架用于驗證DIW燒結過程的各個階段以及相應的微觀結構變化，例如表面糙化，晶粒長大以及縮孔現象，并驗證了顆粒尺寸分布，界面性能對燒結動力學的影響。通過該方法可進行對過程參數（例如顆粒尺寸，粒度）的相空間的探索，從而獲得最優微觀結構。

【圖文導讀】

圖1 ：原理示意圖
(a) 用于分解燒結微觀組織的有序參數

(b) 雙粒子幾何模型，晶界能與表面自由能平衡。

圖2 ：三粒子幾何結構
(a) 三粒子幾何結構示意圖

(b) 內孔半徑R（t）和孔隙收縮隨時間的變化

圖3：模型驗證后特征結構

(a) 單分散結構堆積

(b) 雙分散結構堆積

圖4 ：粒度分布
(a) 單分散以及雙分散堆積的粒度分布

(b) DIW所用Al2O3粉末實驗測得的粒度分布

圖5 ：燒結過程中微觀結構隨時間的變化
(a-c) 單分散體系 a, t=0; b, t=1x10^3_T;c, t=7.2x10^3_T

(d-f) 雙分散體系 d, t=0; e, t=1x10^3_T; f, t=7.2x10^3_T

圖6 ：S₂(r)與L_p(r)函數隨時間的變化

S₂(r)：兩點相關性函數，定義位置1與2兩點在感興趣的孔或固相之間的概率

L_p(r)：線性路徑函數，定義長度為r的線隨機放置在感興趣的相或孔之間的概率

(a-b)：單分散體系

(c-d)：雙分散體系

圖7 ：孔偏心參數隨時間的變化
插圖描述的是內部孔隙與連通性的結構

【小結】

研究人員通過采用能夠解釋體積和界面熱力學并結合各種質量傳遞機制的介觀建模框架來研究基于細絲成型的DIW中的固態燒結。借助于孔相的兩點相關和線性路徑函數，研究和量化了粒度分布(PSD)對微觀結構演變的作用，發現雙分散PSD增強了孔隙收縮動力學。 然而，雙分散性產生具有高度偏心的孔的微結構，可能對印刷材料的機械性能有害。

文獻鏈接：Sintering Processes in Direct Ink Write Additive Manufacturing: A Mesoscopic Modeling Approach(Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.01.011)

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