3D打印陶瓷TPMS结构制备和机械性能的研究

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三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces)是一种十分简洁且有数学表达式的复杂结构,它周期性(沿X,Y,Z轴都呈现周期性的变化)地构造了三维空间上的一种光滑全连通的多孔结构。TPMS是一种在三维空间中三个方向均呈周期性的极小曲面。极小曲面在数学上有两种表达方式,面积和曲率。从面积的角度去描述,极小曲面指的是满足所有外部约束条件下的面积最小的曲面(约束条件可以是曲面的周长信息,一些外部的受力工况等等因素),因此从面积的部分可以看出极小曲面具有卓越的物理性能;从曲率的角度去描述它,极小曲面指的是平均曲率为0的曲面,然而TPMS结构的性能与制备方法密切相关,制备方法的优劣直接决定着结构的质量。DLP(digital lighting processing)技术作为3D打印技术中的一种,在成型方式上具有灵活性和适用性高、成本低、计算机控制等独特优势,因此有望成为一种高效、便捷的制备新方式。本论文首次采用DLP技术制备得到了具有优异性能的陶瓷TPMS结构,同时研究了打印参数对固化效果的影响,利用准静态压缩实验研究了不同TPMS结构的力学性能,以及改变不同TPMS结构参数对力学性能的影响。主要内容及结果如下:1.研究了不同曝光时间和打印角度对制备样品三点抗弯强度的影响,通过软启动的方法,研究了曝光时间和打印角度对试样三点弯曲强度的影响。当弱曝光时间为1s,强曝光时间为13s时,测试条的三点抗弯强度可达580MPa,此外,沿着x轴旋转,45°打印的样品强度最低,0°打印的样品强度最高。2.研究了四种TPMS结构机械性能:分别为p-cell,gyroid,IWP,s14,的机械性能,其结果表明TPMS结构的抗压强度随相对密度的增大而增大。IWP和s14结构在应力作用下表现出相似的力学响应。一般情况下,所有TPMS结构均拥有>2%形变能力,抗压强度顺序按s14>IWP>gyroid>p-cell。S14结构在结构密度为30.47%时可达到105MPa的高抗压强度,而gyroid结构在非常低的结构密度为6.71%时可达到5.56MPa的抗压强度。陶瓷TPMS结构服从(Pabst-Gregorova)指数预测。3.研究了在相对密度不变的情况下,改变TPMS结构单胞的堆叠方式的对结构机械性能的影响,其结果表明,随着相对密度的增大,结构抗压强度增大。抗压强度随x-y平面增大而增大,抗压强度随z轴的增加而减小。p-cell总是表现出最差抗压强度,IWP,neovius,diamond表现出相似的力学行为
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