摘要：快速成型技术是一项在材料开发领域内有不错前景的技术。在探究材料结构性能的过程中，可通过快速成型得到想要的结构同时缩短材料研发的时间。本次实验为了研究3D打印氧化锆内部结构对力学性能的影响，采取了在自然界中观察到的三重周期最小表面结构（TPMS）。设计出不同壁厚和大小的P-cell单胞做成10 mm×10 mm×10 mm的单元导入Object型号3D打印机。模型由含氧化锆的光敏树脂印刷。通过机械压缩实验测试其压缩行为，得到其压缩过程的应力-应变曲线。根据实验得出不同壁厚的P-cell单胞的力学性能随着壁厚的增加力学性能呈现上升趋势，不同大小的单胞随单胞大小增大力学性能呈现出下降趋势。

关键词： 3D打印；氧化锆；P-cell TPMS结构；力学性能

Research on Mechanical Properties of 3D Printing zirconia P-cell TPMS Structure

Abstract: Rapid prototyping technology is a promising technology in the field of material development. In the process of investigating the structural properties of materials, the desired structure can be obtained through rapid prototyping and the material development time can be shortened. In order to study the influence of the internal structure of 3D printed zirconia on the mechanical properties, this experiment adopted the triple-cycle minimum surface structure (TPMS) observed in nature. The P-cell unit cells with different wall thicknesses and sizes were designed to make the 10 mm×10 mm×10 mm cell into the Object model 3D printer. The model is printed with a photosensitive resin containing zirconia. The compression behavior was tested by mechanical compression experiments to obtain the stress-strain curve of its compression process. According to experiments, the mechanical properties of P-cell unit cells with different wall thicknesses increase with increasing wall thickness, and the mechanical properties of different sizes of unit cells with increasing unit cell size show a downward trend.

Key words: 3D printing; zirconium oxide; P-cell TPMS structure; mechanical properties

目录

1 绪论 5

1.1 3D打印陶瓷材料 5

1.1.1背景 5

1.1.2 SLA光固化成型的发展 5

1.1.3光固化工作原理 6

1.1.4 3D打印的优势 6

1.2 TPMS（Triply Periodic Minimal Surfaces）结构 8

1.2.1 简介TPMS 8

1.2.2施瓦兹P面（Schwarz' P Surface） 9

1.3氧化锆 10

1.3.1氧化锆的结构 11

1.3.2物理性质 11

1.3.3化学性质 11

1.3.4用途 11

1.4研究的目的与意义 12

1.4.1研究的目的 12

1.4.2研究的意义 13

2 实验步骤 13

2.1 p-cell单胞的设计与建模 13

2.2模型的制作 14

2.3模型烧结前的预处理 14

2.4模型的烧结 15

2.5模型实际数据的测量 15

2.5.1模型实际质量、密度的测量 15

2.5.2扫描电镜测试 16

2.6机械压缩测试 18

3 实验数据处理 18

3.1扫描电镜下模型的壁厚 18

3.2模型各项理论参数与实际参数 20

4 结果与分析 21

4.1塑性变形的实验结果 21

4.2模型各项数据分析 24

5 结论 25

6 致谢 25

7 参考文献 25

1.绪论

1.1 3D打印陶瓷材料

1.1.1 背景

提起陶瓷材料我们并不会陌生，因为它经常出现在我们的日常的生活当中。在人类社会发展之初，传统的陶瓷材料便已经出现，并且发展了千年之久。可以这么说陶瓷材料的发展伴随着人类社会的发展。

传统陶瓷材料的有点良多，主要有硬度高、耐高温能力好并且具有良好的化学稳定性。现在广泛的应用生活的各个领域。我们经常在建筑领域、生物医疗领域等方面见到陶瓷材料的身影。但随着社会的发展以及人们对于材料的要求在不断提高其缺陷表露在人们眼前，传统陶瓷材料已经出现千年但是我们不难发现他们的三维立体结构相对现在大部分我们所熟知的材料的结构过于简单主要原因是由于材料本身硬度高且有一定的脆性导致加工与成型的难度大，并且相对而言传统陶瓷材料的生产成本以及生产研发的周期会比较长，这将导致陶瓷材料的研发成本上升以及研发效率的下降。为了解决这些问题人们开发了陶瓷材料快速成型技术。