張娟娟， 王秀峰， 楊　陽， 曹新強(qiáng)， 樊小蒲，王　佳， 江紅濤， 于成龍

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安　710021)

0　引言

陶瓷3D打印技術(shù)近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)成為3D打印技術(shù)的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1].目前主要的陶瓷3D打印技術(shù)有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、熔融沉淀技術(shù)(FDM)、直接三維打印技術(shù)(3DP)和立體光固化技術(shù)(SLA)，根據(jù)成型方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)[2-4].

目前，塑性陶瓷泥料主要用于生產(chǎn)陶瓷藝術(shù)品、日用瓷、陶瓷潔具等產(chǎn)品.對于陶瓷潔具而言，其產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造型差異大，整體尺寸大，生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量大，是現(xiàn)代生活的必需品[5,6].對于陶瓷藝術(shù)品而言，最突出的特點(diǎn)就是創(chuàng)意產(chǎn)品造型、色彩、寓意不同，可進(jìn)行個性化定制，特色鮮明，且多采用地方原料[7,8].生產(chǎn)這兩類陶瓷產(chǎn)品時，坯體成形是基礎(chǔ)，后期施釉和燒成是不可缺少的工序.因此研究此類陶瓷制造新技術(shù)需考慮所用原料的“地域性”以及“坯釉結(jié)合”等問題，在不改變坯體主要組成及釉料成分的前提下進(jìn)行陶瓷制造新技術(shù)的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本文提出一種陶瓷3D打印新技術(shù)：擠出堆積成形技術(shù)(Extruded Deposition Modeling，EDM)，用于塑性陶瓷泥料的直接連續(xù)擠出堆積成形.以該技術(shù)為中心，主要進(jìn)行塑性泥料性能研究，3D打印設(shè)備搭建及調(diào)試，并利用泥料及打印設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜造型陶瓷坯體打印成型.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　打印裝備總體設(shè)計(jì)

擠出堆積3D打印機(jī)總體應(yīng)滿足剛性好、強(qiáng)度高、速度快、穩(wěn)定性好、可成形大件，適用于塑性泥料直接成形等要求.因此，根據(jù)擠出堆積原理，設(shè)計(jì)打印裝備整體包含：送料系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)，軟件及控制三大系統(tǒng).整體裝備如圖1所示：外部尺寸2 200 mm×2 400 mm×1 800 mm，可打印尺寸1 000 mm×1 200 mm×600 mm，電源220 V，功率3 200 W.

1.2　打印機(jī)各系統(tǒng)選擇

打印機(jī)包括三個系統(tǒng)：送料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、軟件及控制系統(tǒng).其中送料系統(tǒng)主要用于整個打印設(shè)備的原料供給，包括空壓機(jī)、壓力料倉、管道、螺旋推進(jìn)器四部分.螺旋推進(jìn)器同時作為擠出系統(tǒng)的一部分，用于將泥料擠出至打印噴嘴，并以適當(dāng)?shù)膲毫φ辰Y(jié)在前一層上，實(shí)現(xiàn)泥料連續(xù)穩(wěn)定供給和累積，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

(a)3D打印機(jī)模型

(b)3D打印機(jī)實(shí)體圖圖1　陶瓷3D打印機(jī)

圖2　螺旋推進(jìn)器

選擇SolidWorks建模軟件、ChiTuSlicer切片軟件以及ChiTu V3.6三維數(shù)控系統(tǒng)作為打印機(jī)的軟件及控制系統(tǒng).控制主板輸入電壓12～24 V，調(diào)試打印機(jī)在XYZ三軸運(yùn)動，使得三軸打印誤差X≦0.05 mm，Y≦0.05 mm，Z≦0.06 mm.

1.3　原料及測試

實(shí)驗(yàn)選用中國南方某陶瓷公司配方原料.利用萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測試泥料應(yīng)力及應(yīng)變量.稱取110 g泥料，做成直徑d約為4.5士0.1(cm)的泥球，施加負(fù)荷p(kg)使其發(fā)生變形形成裂紋，測量泥球出現(xiàn)裂紋時的高度h(cm).

采用三點(diǎn)彎曲法測試陶瓷抗彎強(qiáng)度.甲基纖維素的加入量分別為原料質(zhì)量的0%、1%、2%、3%、4%、5%，將泥料制備成長寬高分別為60 mm、10 mm、6 mm的長方體試樣進(jìn)行測試.

2　結(jié)果與討論

2.1　原料基本要求

直接擠出堆積成形的關(guān)鍵是解決泥料的可塑性、流動性和穩(wěn)定性.可塑性保證了泥料從噴嘴擠出后可快速凝聚，坯體逐層堆積時不變形.流動性要求泥料含水適中，均勻致密，因此需用真空煉泥機(jī)反復(fù)練泥，真空度保持在40～50 MPa之間.穩(wěn)定性要求泥料顆粒度小且均勻無雜質(zhì)，顆粒度直接影響打印精度及打印穩(wěn)定性，顆粒越粗越不易擠出，打印精度越低，因此在預(yù)制泥料時需將粉料過280目篩，平均粒徑50μm左右.

2.2　泥料可塑性與含水率的關(guān)系

在進(jìn)行打印時，需根據(jù)打印機(jī)擠出速度，擠出壓力，三軸移動速度等參數(shù)對泥料流動性及塑性進(jìn)行優(yōu)化，在不改變坯料本身成分的條件下，通過改變含水率調(diào)節(jié)泥料塑性，分析了含水率對可塑性的影響.其中，可塑性指標(biāo)s=(d-h)·p(kg·cm)，裂紋時施加的負(fù)荷p即為應(yīng)力值，用來近似反映屈服值，應(yīng)變量×100%為泥料裂紋前的最大變形量[9,10].

從圖3(a)曲線分析，應(yīng)變量隨著泥料含水率的增加而增加，其主要原因是因?yàn)槟嗔现械牧Ｗ訒M(jìn)行充分水化，在顆粒表面會形成一層較厚的水化膜，起到了改善粒子間潤滑的作用，可以使泥料在受力過程中更易發(fā)生位移，增大應(yīng)變量，從而提高泥料流動性[11,12].

曲線中應(yīng)變量在14%～24%之間，對應(yīng)含水率在21.5%～23.5%區(qū)間時曲線呈線性變化.因此，針對不同地區(qū)泥料料性不同，在確定含水率時，可利用控制應(yīng)變量的范圍來定性，即應(yīng)變量在14%～24%區(qū)間內(nèi)時泥料適于打印，對應(yīng)含水率-應(yīng)變量關(guān)系曲線中的含水率區(qū)間即為適于擠出堆積技術(shù)的不同地區(qū)泥料含水率的取值范圍.此外，該區(qū)間的線性變化率則反映了泥料在擠出時的難易程度，可根據(jù)線性變化率調(diào)整對應(yīng)擠出壓力和擠出速度.

從圖3(b)曲線看出，隨著泥料含水率的增加會導(dǎo)致應(yīng)力值減小.這是因?yàn)楹试黾?，顆粒表面的水化膜增厚，顆粒間吸引力減小，導(dǎo)致屈服值逐漸降低.在一定的含水量范圍內(nèi)，隨著含水率的逐漸降低，顆粒相互靠近吸引力增強(qiáng)，屈服值增高[13-15].當(dāng)泥料含水率過低時，會造成顆粒間塑性水膜中斷，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)裂紋.含水率在21.5%～23.5%之間時，應(yīng)力值對應(yīng)在2.5～3 kg附近，因此也可根據(jù)應(yīng)力值范圍確定其他地區(qū)泥料的含水率.

(a)應(yīng)變

(b)應(yīng)力圖3　泥料含水率與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，泥料的含水率對可塑性有極值效應(yīng).從圖4曲線可看出，泥料含水量在23%左右時可塑性存在極大值，通過后續(xù)打印發(fā)現(xiàn)含水率為23%時配制泥料既具有良好的可塑性還具有較好的流動性.

圖4　泥料含水率對可塑性的影響

2.3　坯體抗彎強(qiáng)度與甲基纖維素的關(guān)系

泥料中的粘結(jié)劑含量是控制泥料塑性的主要手段[16,17].可以通過添加甲基纖維素來彌補(bǔ)陶瓷坯料本身塑性的不足，但甲基纖維素的加入會導(dǎo)致坯體中有機(jī)物增多，對燒成后的制品性能產(chǎn)生不良影響.

從圖5可以看出，適量的甲基纖維素對泥料可塑性及3D打印制品的抗彎強(qiáng)度均有一定的提高，在含量為3.5%時坯體抗彎強(qiáng)度最大，但當(dāng)甲基纖維素用量從4%增加到5%時，制品的抗彎強(qiáng)度從47.84 MPa急劇下降到33.47 MPa，過多的甲基纖維素不僅會使得泥料粘度大大增加，還會使打印坯體中有機(jī)物增多，泥料密度降低，使材料孔隙率增大導(dǎo)致燒成后坯體強(qiáng)度變低.因此考慮坯體燒成后的強(qiáng)度，選擇甲基纖維素用量在3%左右為宜.

圖5　甲基纖維素對抗彎強(qiáng)度的影響

2.4　打印機(jī)各系統(tǒng)參數(shù)對坯體質(zhì)量的影響

通過調(diào)節(jié)料倉壓力，螺旋推進(jìn)器的電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制面板擠出速率及擠出量等參數(shù)控制打印.結(jié)果表明，調(diào)節(jié)料倉壓力在0.3～0.6 MPa之間時，采用含水率為23%，甲基纖維素含量為3%的泥料均可實(shí)現(xiàn)擠出，且擠出壓力越大，擠出量及擠出速度越大.但當(dāng)擠出壓力高于0.5 MPa時，噴嘴處有泥料噴涌現(xiàn)象，且打印件尺寸與所設(shè)計(jì)的模型尺寸偏差較大.當(dāng)擠出壓力低于0.35 MPa時，噴嘴出泥量較少，在進(jìn)行逐層堆積至高處時出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，因此根據(jù)測試得到擠出壓力為0.4 MPa時，打印質(zhì)量最好.

對擠出系統(tǒng)而言，赤兔板的擠出速度擠出量以及電機(jī)轉(zhuǎn)速共同控制噴嘴處的出泥量.在打印機(jī)Z軸移動速度為300 mm/s的前提下，實(shí)驗(yàn)測得電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，赤兔控制面板擠出速度120%，擠出量100%時，擠出量控制良好，不存在擠出過多引起的堆料及擠出不足引起的斷料等情況.打印件表面光滑，層間結(jié)合緊密，層厚均勻，層片累積過程中泥料支撐性能良好，不存在塌陷現(xiàn)象.打印測試如圖6所示，模型尺寸均為200 mm×200 mm×100 mm，重疊率15%，圖6左圖形打印時間15 min，圖6右圖形打印時間5 min.

圖6　打印測試圖

經(jīng)過打印、干燥、修坯、施釉、燒成等后處理，實(shí)現(xiàn)了陶瓷工藝品的制造，并且可根據(jù)需求對產(chǎn)品造型及尺寸進(jìn)行調(diào)整和打印，如圖7所示.成形產(chǎn)品造型復(fù)雜，尺寸精確，薄壁.實(shí)現(xiàn)了陶瓷藝術(shù)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與成形.

(a)　　　高8.3 mm、寬7.6 mm、　　(b)　　　高13.2 mm、寬8.2 mm、　　　　　壁厚0.9 mm　　　　壁厚0.4 mm

(c)　　　高12.6 mm、寬9.5 mm、　　(d)　　　高4.3 mm、寬3.5 mm、　　　　　壁厚0.6 mm　　　　　壁厚0.2mm圖7　3D打印陶瓷藝術(shù)品

3　結(jié)論

(1)提出了一種運(yùn)用于藝術(shù)陶瓷的3D打印新技術(shù)—擠出堆積成形技術(shù).具體指陶瓷塑性泥料依靠外部作用力從噴嘴擠出，借助泥料本身特性直接堆積成形.研究表明，這項(xiàng)技術(shù)適合于將數(shù)字化成形與傳統(tǒng)原料配方及后期施釉工藝相結(jié)合，是藝術(shù)陶瓷坯體成形技術(shù)的重要突破.

(2)不同地域泥料性能差異較大，因此該技術(shù)從原料及打印裝置上進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步縮小地域化差異，實(shí)現(xiàn)同一臺裝備可打印各地不同泥料.發(fā)現(xiàn)對于不同地區(qū)的原料和配方，一般可控制其應(yīng)變量在14%～24%，應(yīng)力值在2.5～3.0 kg，此時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上對應(yīng)的含水率即為擠出堆積技術(shù)所用泥料的含水率范圍.添加劑甲基纖維素的量控制在3.0%左右.

(3)進(jìn)行打印裝備選擇，包括供料系統(tǒng)，擠出系統(tǒng)，軟件及控制系統(tǒng).經(jīng)打印測試，成功打印出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體.該裝備主要應(yīng)用于陶瓷坯體打樣、設(shè)計(jì)、評價、直接制造母模原型等方面，有助于加快陶瓷藝術(shù)品及復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷品的新品開發(fā)速度和成功率，實(shí)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)品多樣化和生產(chǎn)現(xiàn)代化.

[1] 王秀峰,羅宏杰.快速原型制造技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2001.

[2] Faes M,Valkenaers H,Vogeler F,et al.Extrusion-based 3D printing of ceramic components[J].Procedia Cirp,2015,28:76-81.

[3] Dimov S S,Pham D T.Rapid prototyping and rapid tooling the key enablers for rapid manufacturing[J].Archive Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2003,217(1):1-23.

[4] Choudhari C M,Patil V D.Product development and its comparative analysis by SLA,SLS and FDM rapid prototyping processes[J].Materials Science and Engineering,2016,3(2):9-12.

[5] Wang X J,De Q L,Huang X H.Modern molding technology for sanitary ceramic wares[J].Die & Mould Industry,2011,37(1):65-67.

[6] Miranda S D,Patruno L,Ricci M,et al.Ceramic sanitary wares: Prediction of the deformed shape after the production process[J].Journal of Materials Processing Tech,2015,215(2):309-319.

[7] 畢海龍.傳統(tǒng)文化與陶瓷造型藝術(shù)的融合[J].中國陶瓷,2014,50(7):80-82.

[8] Yu F B,Gao Y.Research on ceramic art design based on rhetorical devices[J].Applied Mechanics & Materials,2013,312:968-971.

[9] Uskov I A.Assessing the plasticity of clay materials[J].Glass & Ceramics,1959,16(3):153-157.

[10] Naeini S A,Ziaie Moayed R.Effect of plasticity index and reinforcement on the CBR value of soft clay[J].International Journal of Civil Engineering,2009,7(2):124-130.

[11] 彭陳亮,閔凡飛,趙晴,等.微細(xì)礦物顆粒表面水化膜研究現(xiàn)狀及進(jìn)展綜述[J].礦物學(xué)報(bào),2012,32(4):515-522.

[12] Silvestre J,Silvestre N,Brito J D.Review on concrete nanotechnology[J].European Journal of Environmental & Civil Engineering,2015,20(4):1-31.

[13] 劉素文.陶瓷泥料塑性參數(shù)與含水率的相關(guān)性分析[J].中國陶瓷,1998,34(1):8-10.

[14] Horpibulsuk S,Suddeepong A,Chinkulkijniwat A,et al.Strength and compressibility of lightweight cemented clays[J].Applied Clay Science,2012,69(21):11-21.

[15] Shibasaki Y,Maeda M,Nishioka A,et al.DSC measurement of the unfrozen water on the surface of clay particles and the plasticity[J].Nendo Kagaku,1992,32(2):78-85.

[16] Andrade F A,Al Qureshi H A,Hotza D.Measuring the plasticity of clays: A review[J].Applied Clay Science,2011,51(1-2):1-7.

[17] Rahmat M N,Ismail N.Sustainable stabilisation of the lower oxford clay by non-traditional binder[J].Applied Clay Science,2011,52(3):199-208.