□ 袁曉東

鄭州航空工業(yè)管理學院 鄭州 450000

三維打印技術又稱為3D制作技術［1］，它是起源于20世紀80年代后期的一項針對制件快速成形的工業(yè)生產(chǎn)技術，目前該項制作技術已經(jīng)開始被社會的各個專業(yè)領域所認知。

近年來隨著陶瓷生產(chǎn)技術的不斷提高和陶瓷材料技術的迅猛發(fā)展，三維打印技術也開始進入了傳統(tǒng)陶瓷器件的制作行業(yè)之中，并引起了眾多有遠見的陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)和陶瓷行業(yè)從業(yè)者的重視。通過實踐證明，三維打印成形技術其獨特的成形工藝通過與陶瓷材料的結合，在陶瓷器件的設計及生產(chǎn)上，與立體印制、疊成實體制作、選擇性激光燒結成形等其它種類的陶瓷材料快速成形技術相比，具有無法被取代的先天優(yōu)勢［5］，已經(jīng)被認為是陶瓷產(chǎn)品快速成形領域中最有生命力的新技術。

1 陶瓷三維打印機分析

1.1 傳統(tǒng)黏結成形陶瓷三維打印機

三維打印技術在發(fā)明之初，已經(jīng)與陶瓷材料結下了不解之緣，傳統(tǒng)的黏結成形陶瓷三維打印技術［4］，可采用陶瓷材料進行特殊制件的打?。ㄈ鐖D1所示）。具體工作過程為：首先在黏結成形陶瓷三維打印機的工作臺上鋪設陶瓷粉末原料，接著控制陶瓷三維打印機制作器物的截面形狀，然后將黏結液體材料通過陶瓷三維打印機噴頭，噴射到工作臺上所形成的器物截面輪廓內(nèi)，最后通過工作臺上的器物截面不斷下移以及不斷噴射黏結材料，打印出理想的陶瓷器物。

▲圖1 黏結成形三維打印機工作原理

采用陶瓷粉末原料經(jīng)黏結成形陶瓷三維打印機打印的器物，理論上就已經(jīng)是陶瓷坯品了，但該技術只能打印較為簡單的陶瓷器件且打印器件的精確度不高，同時制坯時間較長，所以目前在陶瓷學界都鮮有推廣案例。

1.2 現(xiàn)代電動助推注射器式陶瓷三維打印機

步入新世紀，采用助推步進電機的三維打印機開始引入三維打印技術中，而新穎噴頭的研制成功［9、10］與助推步進電機三維打印機的結合，使陶瓷材料在三維打印技術范圍內(nèi)真正得到全面的利用，如圖2所示。

電動助推注射器式的噴頭由直線步進電機驅(qū)動，通過電機螺桿推動注射筒內(nèi)的活塞向下運動，使注射筒內(nèi)的陶瓷材料通過噴頭擠壓被注射到工作臺上。任意改變電機轉速，即可達到精確控制噴出材料流量的目的，但需注意電機轉速n、噴頭流速vn與工作臺運動速度vx、vy的匹配。噴口噴出的材料流量Q為：

▲圖2 電動助推注射器的工作原理

式中：vn為噴口的材料流速，cm/s；d為噴頭內(nèi)徑，cm。

在噴頭內(nèi)徑不變的情況下，控制電機轉數(shù)n改變Q的流量，從而使打印器物在形體上產(chǎn)生變化，此時流量Q由電機通過螺桿推動活塞內(nèi)液體陶瓷材料產(chǎn)生：

式中：D為活塞直徑，cm；n為電機轉速，r/min；s為螺桿導程，cm。

式（1）和式（2）相等，即：

噴口材料流速vn應與工作臺運動速度vx、vy相匹配，在噴射陶瓷材料時，流速vn通常小于1 cm/s。因此通過公式證明，使用此電動助推注射器式陶瓷三維打印機，可以完成復雜陶瓷器物坯件及成品的打印，同時在打印速度以及打印精度上，超越傳統(tǒng)型的黏結成形陶瓷三維打印機。

得到：

2 陶瓷三維打印機的應用

2.1 三維打印陶瓷器物的燒結

經(jīng)過陶瓷三維打印機打印成形的器物并不完全都是成品器件，如果想讓陶瓷三維打印機制作的器物得到推廣與社會的認可，必須將在打印時攙有氧化鋁材料的陶瓷坯件經(jīng)燒結處理，以便轉作日用陶瓷器物進入社會的各個層面。

為了驗證陶瓷三維打印機的打印器件具備燒結日用陶瓷的各種性能，經(jīng)過實驗，將硅酸鑭玻璃熔化滲透至攙有氧化鋁材料的陶瓷三維打印坯件中，使其成為氧化鋁玻璃復合物，該強化處理過程如下。

①為了將氧化鋁陶瓷粉與黏合劑 （糯米黏合劑）按6.5∶3.5的比例調(diào)配，冷卻干化后碾壓成打印材料。

② 在層高80～220 μm下打印成形，其孔隙率為18%～25%（體積分數(shù)），彎曲強度為 42～100 MPa。

③ 在1 300～1 400℃下燒結2 h后成形為氧化鋁多孔陶瓷預成件，其平均線收縮率為19%，孔隙率為20%，孔徑為 32 μm。

④ 在1 100℃下硅酸鑭玻璃熔化滲透孔隙2 h，并在1 000℃/h速率下冷卻得到氧化鋁玻璃復合物，該復合物彎曲強度為160～180 MPa，彈性模量為244 GPa。

⑤將經(jīng)過燒結的陶瓷坯件放置于溫度在20℃、絕對濕度為 11 g／kg 干空氣中，即 9.2 g／m3或 0.009 2 g／L濕度的冷等靜壓箱內(nèi)約24 h，然后取出即可。

實驗證明，利用陶瓷三維打印機制作的陶瓷器件，經(jīng)過燒結后完全具備投放市場的質(zhì)量要求，目前一些研究機構采用Ti3SiC2陶瓷粉來打印坯件，經(jīng)燒結并進行冷等靜壓后致密度可提高1倍［8］，完全超越傳統(tǒng)手工拉坯生產(chǎn)出來的陶瓷器件的各種性能。

2.2 三維打印成形的陶瓷產(chǎn)品

在陶瓷三維打印技術尚未得到推廣以前，口腔陶瓷義齒修復體的繪圖和模型制作流程相當復雜，設計的義齒產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)誤差。而在三維CAD/CAM制圖軟件及三維打印技術的幫助下［2］（如圖3所示），只要根據(jù)已制作的三維軟件模型并控制低熔瓷粉材料的三維打印機，就可以直接獲得想要的口腔陶瓷義齒修復體，所以應用三維打印技術，有效優(yōu)化了口腔義齒修復的制作流程，并提高了這項技術的整體醫(yī)療效果（如圖4所示）。

▲圖3 義齒CAD/CAM個性化模型設計

▲圖4 陶瓷特種材料三維打印一次成形產(chǎn)品模型

3 三維打印技術對制瓷業(yè)的影響

三維打印技術是集機械、電子、計算機科學為一體的先進制造技術，這項便捷的生產(chǎn)技術，目前正在悄然改變傳統(tǒng)的瓷器制造手段，它的出現(xiàn)不但可以滿足現(xiàn)代社會的生產(chǎn)需求，而且解決了企業(yè)單個產(chǎn)品生產(chǎn)的問題，使產(chǎn)品的制造變得更加自由。

三維打印技術的引用，將帶來陶瓷行業(yè)翻天覆地的變化，它可以讓所有人都成為陶瓷產(chǎn)品的制作高手，原來利用手工工序和制作經(jīng)驗的拉坯、晾曬、開模、倒坯、燒制等過程，轉變?yōu)樵陔娔X上進行操作，并可以根據(jù)個人的喜好以及對日常陶瓷器物的需求，來制作自己喜歡的陶瓷器件［6］。它模糊了設計師與消費者的區(qū)別，讓人人都可能成為設計師，人人都可以為了自己的生活需求而進行創(chuàng)造。現(xiàn)在只要擁有美好的構思，就可以借助三維打印的方式得以實現(xiàn)。

另外，三維打印技術的應用，讓一直建立在工業(yè)化量產(chǎn)理念上的日用類陶瓷的設計理念與制作方式產(chǎn)生了轉變，同時它也讓制瓷者們的制作觀念和知識結構產(chǎn)生了轉變，這也是陶瓷設計界正在提倡的陶瓷設計“人性化”、“人本化”理念的真正轉變。

4 結束語

三維打印技術在日用陶瓷領域的應用趨勢是，使三維打印產(chǎn)品逐漸讓社會和消費者接受［3、7］，并鼓勵和帶動一部分生產(chǎn)者和設計師對三維打印產(chǎn)品進行推廣；在特殊陶瓷器件的制作領域中，使先進的三維打印技術在制作高性能的復雜陶瓷器件所具備的優(yōu)勢得到行業(yè)的認可，并在行業(yè)內(nèi)得到推廣。從長遠的角度看，這項技術為制瓷業(yè)提供了新的改革方向，為我國日用陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的動力。

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