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工藝參數(shù)對(duì)3D打印陶瓷零件質(zhì)量的影響

劉驥遠(yuǎn), 吳懋亮, 蔡杰, 陳軍, 謝飛

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:3D打印技術(shù)可用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密度高的陶瓷零件,其工藝參數(shù)的選擇對(duì)零件的加工質(zhì)量具有重要影響.不同擠出頭直徑下,擠出速度隨著擠出壓力的增大而加快,分層厚度與擠出頭直徑相關(guān),而掃描速度與擠出速度的配合關(guān)系會(huì)直接影響陶瓷零件的成型精度.試驗(yàn)結(jié)果表明:在擠出頭長(zhǎng)度為5 mm,擠出頭直徑為0.6 mm,擠出壓力為4 kg/cm2,掃描速度為20 mm/s,分層厚度為0.5 mm的打印參數(shù)下,能夠打印出較理想的陶瓷零件.

關(guān)鍵詞：3D打印; 工藝參數(shù); 陶瓷零件

收稿日期：2015-05-10

作者簡(jiǎn)介：通訊吳懋亮(1970-),男,博士,副教授,山東萊蕪人.主要研究方向?yàn)?D打印和燃料電池.

中圖分類號(hào)：TP334.8;TQ174.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

InfluenceofOperatingParameterson3DPrintingCeramicParts

LIUJiyuan,WUMaoliang,CAIJie,CHENJun,XIEFei

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:3D printing technology can produce ceramic parts with complicated structure and high density,and operating parameters greatly affect parts quality. Extrusion speed increases with the pressure increasing under different extrusion head orifice diameters,layer thickness also relates to orifice diameter,and scanning speed is matched with the extrusion speed which directly influences prototype quality. Experimental results show that 3D printing apparatus fabricates ceramic parts with pretty quality under the parameters with 5 mm extrusion head length,0.6 mm head diameter,4 kg/cm2 extrusion pressure,20 mm/s scanning speed and 0.5 mm layer thickness.

Keywords: 3Dprinting;operatingparameters;ceramicparts

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能,在機(jī)械、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.但這些特性也導(dǎo)致了陶瓷材料加工困難的問(wèn)題,傳統(tǒng)的陶瓷零件加工繁瑣復(fù)雜、耗時(shí)耗力、成本高昂,而陶瓷成型工藝是降低陶瓷零件生產(chǎn)成本和提高陶瓷零件成型性能的關(guān)鍵.與傳統(tǒng)的“減材”制造技術(shù)不同,3D打印技術(shù)是一種“增材”制造技術(shù),[1-2]它建立在離散/堆積的成形原理上.

陶瓷材料的3D打印技術(shù)推動(dòng)了陶瓷零件制造業(yè)的發(fā)展,該方法根據(jù)設(shè)計(jì)的CAD模型,不需要模具便可快速打印出所需的陶瓷零件.目前常見(jiàn)的陶瓷零件的3D打印技術(shù)有:立體光刻成型、激光選區(qū)燒結(jié)成型、[3-6]熔融沉積陶瓷成型、噴墨打印成型、[7]3D打印成型、[8-9]層合實(shí)體造型、形狀沉積造型以及固體自由成型[10]等.

本文研究了一種常溫下利用3D打印技術(shù)加工陶瓷零件的工藝方法,將陶瓷粉末、液相溶劑、分散劑、粘結(jié)劑等材料按照一定的比例混合,制備出具有一定粘度和流動(dòng)性的陶瓷漿料,并放入球磨機(jī)中球磨得到高固相的陶瓷膏體,然后根據(jù)CAD模型逐層疊加打印出陶瓷坯體,最后經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)等后處理工藝,得到陶瓷零件.本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分析了擠出壓力、分層厚度和掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)零件加工質(zhì)量的影響.

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1　試驗(yàn)材料的選擇

本文選用天津天力化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的α-Al2O3粉料為主要原料制備陶瓷漿料及膏體,Al2O3粉末密度為3.97 g/cm3,分散劑選用聚丙烯酸銨,聚乙二醇作為粘結(jié)劑,并利用氨水來(lái)調(diào)節(jié)陶瓷漿料的pH值.實(shí)驗(yàn)中使用的主要化學(xué)試劑如表1所示.

將配制好陶瓷漿料在球磨機(jī)上球磨5h后分裝在擠出頭內(nèi)密封貯存,為了減少水分蒸發(fā)及陶瓷顆粒的沉聚對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響,實(shí)驗(yàn)中均采用2h內(nèi)配制的陶瓷膏體.

表1　實(shí)驗(yàn)使用的主要化學(xué)試劑

1.2　試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的Delta結(jié)構(gòu)3D打印機(jī)上完成,如圖1所示.設(shè)備硬件主要由4部分組成:機(jī)架和工作臺(tái),起支撐作用; 空壓機(jī),提供高壓空氣,驅(qū)動(dòng)擠出頭運(yùn)動(dòng)擠出陶瓷材料; 并聯(lián)機(jī)構(gòu),將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成擠出頭的掃描運(yùn)動(dòng); 各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳感器.空壓機(jī)產(chǎn)生的氣壓推動(dòng)擠出頭內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)擠出陶瓷漿料,調(diào)節(jié)空壓機(jī)氣壓可以控制不同的擠出壓力,并與PC端協(xié)同控制,以調(diào)節(jié)掃描零件的分層厚度和掃描速度.

圖1　3 D打印機(jī)結(jié)構(gòu)

1.3　加工工藝參數(shù)的選擇

1.3.1擠出壓力的選擇

納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合診斷標(biāo)準(zhǔn)［6］；②體質(zhì)量指數(shù)（BMI）≥25.0 kg/m2；③腰圍（WC）男≥90 cm，女≥85 cm；④糖化血紅蛋白（HbAc1）7%～12%；⑤已簽知情同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①1型或繼發(fā)性等其他類型糖尿?。虎诤喜⒅卮笃鞴偌膊≌?；③合并內(nèi)分泌、血液系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、感染性疾病者；④合并惡性腫瘤、慢性消耗性疾病者；⑤經(jīng)3個(gè)月服用過(guò)減肥藥物者；⑥經(jīng)6個(gè)月內(nèi)計(jì)劃妊娠、處于妊娠期、哺乳期婦女。

3D打印機(jī)擠出頭的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.膏體放置在擠出頭的腔體內(nèi)部,加工零件時(shí),擠出頭的活塞在壓力作用下運(yùn)動(dòng),將膏體從擠出口擠出.由Benbow-Bridgwater物理模型可知,擠出膏體所需的壓力與擠出頭的直徑和長(zhǎng)度有關(guān).

圖2　擠出頭的結(jié)構(gòu)模型

選取相同的膏體裝載量,相同的擠出頭長(zhǎng)度L=5mm,在不同的擠出頭直徑D的情況下,擠出壓力的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示.

表2　不同直徑下擠出壓力的參數(shù)設(shè)置

1.3.2分層厚度的選擇

分層厚度是3D打印機(jī)在打印零件時(shí)層與層之間的距離,這種逐層疊加的工作原理不可避免地破壞了模型表面的連續(xù)性,從而產(chǎn)生加工零件形狀和尺寸的誤差,因此分層厚度的設(shè)置對(duì)陶瓷零件的精度有很大影響.

本文分別選用3種不同直徑擠出頭D=0.4mm,D=0.6mm,D=0.8mm,每種擠出頭選取3種不同的層厚進(jìn)行實(shí)驗(yàn),具體參數(shù)設(shè)置如表3所示.

表3　分層厚度設(shè)置　 mm

1.3.3掃描速度的選擇

在打印過(guò)程中,膏體的擠出速度應(yīng)與打印頭的掃描速度相適應(yīng),當(dāng)壓力恒定,即擠出速度基本保持恒定時(shí),不同的掃描速度會(huì)導(dǎo)致加工質(zhì)量的改變,本文選取的掃描速度vp分別為15 mm/s,20mm/s,25mm/s.

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　擠出壓力的影響

3D打印機(jī)擠出頭的擠出壓力與擠出頭直徑和擠出速度的關(guān)系如圖3所示.

圖3　不同擠出壓力與膏體擠出速度的關(guān)系

由圖3可以看出,在3種不同的擠出頭直徑條件(0.4mm,0.6mm,0.8mm)下,擠出速度隨著擠出壓力的增強(qiáng)呈上升趨勢(shì),擠出頭的直徑越小,陶瓷膏體就越難擠出,需要更大的擠出壓力.

圖4　不同擠出壓力下膏體的擠出情況

2.2　分層厚度對(duì)打印結(jié)果的影響

分層厚度的選擇與擠出頭的直徑有關(guān),選用直徑D=0.6mm的擠出頭,實(shí)驗(yàn)中設(shè)置分層厚度分別為擠出頭直徑的70%,80%,90%,即0.42mm,0.48mm,0.54mm,不同分層厚度條件下打印出的零件如圖5所示.

分層厚度為0.55mm時(shí),由于從噴頭擠出的絲狀材料直徑大于分層厚度,噴頭在移動(dòng)過(guò)程中經(jīng)常粘黏到上一層打印的材料,不僅會(huì)嚴(yán)重影響打印制件的表面質(zhì)量和尺寸精度,還容易導(dǎo)致噴頭堵塞;分層厚度提高為0.64mm時(shí),粘黏的現(xiàn)象有所減少,能夠打印出一定尺寸精度的零件,但材料堆積過(guò)多導(dǎo)致表面質(zhì)量較差;分層厚度升高到0.72mm時(shí),零件有較好的表面質(zhì)量.同樣,對(duì)擠出頭直徑D=0.4mm,D=0.8mm進(jìn)行相同試驗(yàn),當(dāng)分層厚度為擠出頭直徑的80%~90%時(shí),打印出的零件的成形效果較好.

圖5　不同分層厚度情況下打印的零件

2.3　掃描速度的影響

在打印過(guò)程中,漿料的擠出速度應(yīng)與打印設(shè)備的掃描速度相配合,不同掃描速度下零件出現(xiàn)的缺陷如圖6所示.

圖6　不同掃描速度下的零件出現(xiàn)的缺陷

由圖6可以看出,當(dāng)擠出頭掃描速度太慢時(shí),容易導(dǎo)致材料堆積,在零件表面形成疙瘩;而擠出頭移動(dòng)過(guò)快時(shí),材料的擠出速度無(wú)法滿足材料累加的需要,擠出的材料不能堆積成形,零件上由于材料不足會(huì)出現(xiàn)缺口.

在整體零件加工過(guò)程中,當(dāng)壓力P=4kg/cm2,擠出頭直徑D=0.6mm時(shí),選用掃描速度15mm/s,20mm/s,25mm/s分別進(jìn)行圓柱狀零件的加工,加工情況如圖7所示.由圖7可以看出,掃描速度為25mm/s時(shí),由于掃描速度偏快,擠出的材料不能按照指定的輪廓線沉積成形,打印出的零件有個(gè)別層面出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象,表面質(zhì)量較差;掃描速度為20mm/s時(shí),打印出的工件表面質(zhì)量較好,不同層面比較均勻;掃描速度為15mm/s時(shí),由于掃描速度相對(duì)于擠出速度來(lái)說(shuō)過(guò)慢,擠出的陶瓷漿料過(guò)多,噴頭打印過(guò)程中擠壓到下層已打印好的陶瓷材料,導(dǎo)致材料偏離預(yù)設(shè)的輪廓線.

圖7　不同掃描速度下的零件表面質(zhì)量

2.4　參數(shù)優(yōu)化后打印的零件

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選擇,擠出頭直徑為D=0.6mm,分層厚度為0.5mm,擠出壓力為4kg/cm2,填充速度為20 mm/s時(shí),能夠打印出表面質(zhì)量良好且具備較高精度的陶瓷零件,如圖8所示.

圖8　參數(shù)優(yōu)化后打印出的零件

3結(jié)論

(1) 分層厚度會(huì)影響陶瓷膏體擠出過(guò)程,當(dāng)分層厚度為擠出頭直徑的80%~90%時(shí),打印的零件具有較好的表面質(zhì)量及外形精度.

(2) 擠出壓力越大,陶瓷材料擠出速度就越快;擠出壓力過(guò)大或過(guò)小會(huì)導(dǎo)致陶瓷零件上出現(xiàn)疙瘩或缺口.

(3) 良好配合的掃描速度和擠出速度可以保障加工出表面質(zhì)量較好的零件.

(4) 試驗(yàn)表明,擠出頭直徑D=0.6mm,分層厚度為0.5mm,擠出壓力為4kg/cm2,填充速度為20 mm/s時(shí)能夠打印出表面質(zhì)量良好且具備較高精度的陶瓷零件.

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(編輯白林雪)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.015