数字化仿真驱动先进陶瓷晶格结构3D打印精准智造

导语  

中国科研团队在《Journal of Materials Science & Technology》发布创新成果，通过数字化仿真与3D打印技术深度融合，成功制造出力学性能优异的氧化铝陶瓷晶格部件。研究利用先进仿真技术精准预测材料行为，将传统“试错式”研发升级为“数字化仿真驱动”智能设计，为复杂结构陶瓷制造开辟高效新路径。

数字化仿真的核心作用  

1. 设计阶段：虚拟筛选最优结构  

团队通过数字化仿真技术对两种晶格单元（边缘结构、顶点互连结构）进行力学模拟，提前预判应力分布与变形趋势。仿真结果显示，顶点互连结构的应力均匀性显著优于边缘结构，抗弯性能潜力更高，由此选定其为最优设计方案。

 设计的晶格结构：边缘结构(a)和顶点互连结构(b)。

应力变形数字化仿真 

2. 参数化建模：精准控制孔隙率与强度  

基于数学公式建立参数化模型，通过调整支柱半径、单元尺寸等参数，确保两种结构孔隙率一致（40%），并模拟不同孔隙率对弹性模量的影响。例如，结合孔隙率-弹性模量关系式，团队优化了烧结工艺，使最终产品孔隙率低于5%，密度接近理论值。  

3D打印氧化铝陶瓷的晶格结构及其微观组织结构 

3. 仿真与实验高度吻合  

三点弯曲测试中，仿真预测的负载-变形曲线与实验结果趋势一致，最大偏差仅因材料微观缺陷导致。这种一致性验证了数字化工具的可靠性，未来可大幅减少实验迭代次数。  

          载荷-位移模拟与实验结果

4. 加速材料基因组计划（MGI）落地  

研究全程践行MGI“先仿真、后智造”理念——通过仿真替代大量物理试验，将晶格结构设计周期缩短70%，成本降低50%。团队负责人表示：“数字化仿真是智能制造的‘大脑’，它让我们在虚拟世界中穷尽所有可能性，只将最优解投入现实生产。”

5. 技术突破与应用前景  

- 性能优势：顶点互连结构弯曲强度达28.96 MPa，较边缘结构（17.52 MPa）提升65%，可满足航空发动机叶片、卫星散热部件等极端工况需求。  

- 制造效率：从仿真建模到成品交付，全流程耗时仅为传统工艺的1/3，且支持复杂结构“一次成型”。  

结语  

这项研究不仅展现了我国在陶瓷增材制造领域的领先实力，更标志着数字化仿真正式成为材料创新的核心引擎。未来，该技术有望拓展至超高温合金、多功能复合材料等领域，推动高端制造向“精准设计-智能生产”范式跃迁。  

论文来源：Qingfeng Zeng, Changhao Yang, Dingyi Tang, Jiayao Li, Zhiqiang Feng, Jiantao Liu, Kang Guang. Additive manufacturing alumina components with lattice structures by digital light processing technique. Journal of Materials Science & Technology, 35 (2019) 2751-2755.