Multi‐Objective Optimization for Strength, Porosity, and Surface Roughness of Extrusion‐Based 3D‐Printed ZrO2 Ceramics Using Response Surface Methodology and Nondominated Sorting Genetic Algorithm‐II

材料科学 挤压 分类 多孔性 表面粗糙度 陶瓷 曲面(拓扑) 遗传算法 复合材料 表面光洁度 响应面法 算法 数学优化 计算机科学 数学 几何学 机器学习
作者
Liang Zhang,Yuxiao Lin,Fuchu Liu,Peng Yang,Hao Liu,Guangchao Han,Thomas Kvan,Hao Liang
出处
期刊:Advanced Engineering Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adem.202500038
摘要

Flexural strength, porosity, and surface roughness are three critical properties in extrusion‐based 3D‐printed ZrO 2 ceramic components. However, these properties are usually contradictory in extrusion‐based direct ink writing (DIW) process. In this work, taking nozzle diameter, filling rate, and layer height/nozzle diameter as process parameter variables, response surface methodology, and nondominated sorting genetic algorithm‐II (NSGA‐II) are used to perform multi‐objective optimization for the above‐mentioned properties of DIW‐printed ZrO 2 ceramics. The predictive models of flexural strength ( σ b ), porosity ( P ), and surface roughness (Ra’) are constructed. The applicability and reliability of the predictive models were verified through analysis of variance, and the interactive effects between the two variables are analyzed. The results show that the optimal parameter combination optimized by NSGA‐II was a nozzle diameter of d = 0.51 mm, a fill rate of r f = 73%, and a nozzle diameter/printing layer height ratio of d / h = 0.4. Experimental validation reveals that the optimal parameters effectively increased flexural strength and porosity, while reduced surface roughness. The actual values obtained are flexural strength σ b = 7.54 MPa, porosity P = 64.17%, and surface roughness Ra' = 26.16 μm, with prediction errors of 5.38, 1.03, and 3.19%, respectively, confirming the accuracy of the constructed predictive model and effectiveness of the optimal parameters.

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