康友偉，劉鑫宇，聶子杰

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

作為陶瓷總產(chǎn)量最多的國(guó)家，中國(guó)的陶瓷行業(yè)對(duì)環(huán)境的破壞日益嚴(yán)峻。據(jù)文獻(xiàn)[1]所知，我國(guó)每年生產(chǎn)陶瓷消耗礦物原料超1.24億噸，消耗標(biāo)煤超3 440萬(wàn)噸。此外，全國(guó)陶瓷廢棄物的每年產(chǎn)量大約為1 000萬(wàn)噸[2]。但現(xiàn)有的回收利用廢陶瓷的工藝效益低下，限制了廢陶瓷的再利用，而隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，為陶瓷行業(yè)提供了新的方向。

對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的雙噴頭擠出式3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢棄陶瓷的再利用，節(jié)省了資源，減少了對(duì)環(huán)境的破壞，同時(shí)促進(jìn)了陶瓷3D打印的發(fā)展，有助于陶瓷產(chǎn)業(yè)朝著高端、綠色的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 制備打印材料

溶劑型陶瓷材料擠出成型有機(jī)系統(tǒng)具有脫除粘結(jié)過程用時(shí)短、易于使用的優(yōu)點(diǎn)，是最常用的擠出成型陶瓷材料的類型。本文根據(jù)典型的粘結(jié)劑體系，采用水作為溶劑，甲基纖維素作為粘結(jié)劑，甘油作為增塑劑，硼酸作為表面活性劑制備粘結(jié)劑。試驗(yàn)中向56 g純水中分別加入25 g甲基纖維素、13 g甘油和6 g硼酸，用玻璃棒攪拌均勻直至形成均勻混合的溶液。分批次添加廢瓷粉至上述漿料中并緩慢攪拌，每次加入10 g，調(diào)制出具有一定流動(dòng)性的陶瓷膏體，并記錄加入廢瓷粉的次數(shù)以便計(jì)算膏體的固相含量。

在成型過程中，向注射器中倒入陶瓷膏體并擠壓，使陶瓷膏體從注射器口擠出并在玻璃板上固化，干燥一段時(shí)間直至成型。對(duì)于不同固含量的陶瓷膏體，觀察成型后的陶瓷外表形態(tài)，判斷是否成型、有無(wú)裂紋和缺陷，切割后觀察內(nèi)部形態(tài)，判斷是否有孔洞和間隙，得出試驗(yàn)結(jié)論并記錄。

根據(jù)上一次的試驗(yàn)材料的性能，改變相應(yīng)作用的試劑的用量，重復(fù)試驗(yàn)并做記錄與比對(duì)，最后得出適合用于做擠出成型3D打印材料的配方。

2 打印機(jī)簡(jiǎn)介

2.1 三軸聯(lián)動(dòng)模塊

豎直方向的Z軸由滾珠絲桿和兩平行導(dǎo)桿組成，其一端與步進(jìn)電機(jī)連結(jié)，另一端通過軸承與支架相連。水平前后方向的Y軸由兩根平行導(dǎo)桿組成，固定于支架上。平行于導(dǎo)桿上方設(shè)置同步帶傳遞運(yùn)動(dòng)，同步帶由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。水平左右方向的X軸由兩根平行導(dǎo)桿組成，固定于滑動(dòng)模塊上，滑動(dòng)模塊置于Y軸導(dǎo)桿上。平行于導(dǎo)桿上方設(shè)置同步帶傳遞運(yùn)動(dòng)，同步帶由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.2 擠料模塊

擠料模塊主要由螺桿擠出頭、步進(jìn)電機(jī)、儲(chǔ)料罐、空氣壓縮機(jī)、真空泵組成。雙噴頭打印機(jī)的兩個(gè)噴頭的區(qū)別主要體現(xiàn)在噴頭口徑大小的不同，大口徑噴頭對(duì)應(yīng)連接盛裝自制泥料的儲(chǔ)料罐，小口徑噴頭對(duì)應(yīng)連接盛裝普通泥料的儲(chǔ)料罐。兩個(gè)噴頭按固定間距△x連接在三軸聯(lián)動(dòng)模塊的移動(dòng)端上，噴頭中心連線與X軸平行。該3D打印機(jī)的模型如圖1所示。

圖1 打印機(jī)結(jié)構(gòu)

擠料模塊使用時(shí)，將打印用泥料直接加入儲(chǔ)料罐中，攪拌均勻，經(jīng)過真空泵真空除泡后，通過空氣壓縮機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的氣動(dòng)、電動(dòng)聯(lián)合雙驅(qū)動(dòng)，將陶瓷泥料送入3D打印機(jī)的打印噴頭并擠出。

3 打印方法簡(jiǎn)介

3.1 切片方法

將用于打印的三維模型分為內(nèi)部填充及外表面成型部分，兩部分的分界線由模型的形狀和外表面部分的厚度決定，外表面部分的厚度由三維建模軟件根據(jù)實(shí)體需要設(shè)定而成。假設(shè)噴頭1為精細(xì)打印噴頭，噴頭2為粗糙打印噴頭，為了適應(yīng)新型打印機(jī)雙噴頭的不同精度，內(nèi)外部分分別采用不同成型層厚，即外表面要求精度較高的層厚設(shè)置為h，內(nèi)部填充的層厚設(shè)置為2 h。

三維模型切片每一層分為內(nèi)層和外層，內(nèi)層填充使用精度較差的噴自制泥料的噴頭進(jìn)行打印，節(jié)約材料；外層使用精度較高的噴普通泥料的噴頭進(jìn)行打印，保證精度。以曲面形狀邊界為例，提升表面精細(xì)度原理如圖2所示，圖示為豎直方向邊界位置的局部截面圖。

圖2 提升表面精細(xì)度原理示意圖

3.2 打印方法

首先定義，如果第i層無(wú)內(nèi)層填充，則第i層厚h；如果有填充，則第i層厚2h，包括厚為2h的內(nèi)層以及厚均為h的i-I外層和i-Ⅱ外層，i-I和i-Ⅱ?qū)拥囊饬x如圖2所示。打印底面層，即打印的第一層，為外表面層，只有厚度為h的切片層。三軸聯(lián)動(dòng)模塊回歸初始位置，噴頭1工作出料，三軸聯(lián)動(dòng)模塊在XY平面內(nèi)牽引打印噴頭按切片文件的規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)，直到底面層打印完畢。

打印中間層，中間層具有內(nèi)部和外表面合成的切片數(shù)據(jù)。承接前一層，三軸聯(lián)動(dòng)模塊下移h高度，噴頭1工作出料，三軸聯(lián)動(dòng)模塊牽引打印噴頭打印實(shí)體外表面兩層中的較低層。三軸聯(lián)動(dòng)模塊再下移h高度，噴頭安裝板向X軸負(fù)方向移動(dòng)△x的距離，噴頭2工作出料，三軸聯(lián)動(dòng)模塊牽引打印噴頭打印實(shí)體內(nèi)部。內(nèi)部打印完畢后，噴頭安裝板向X軸正方向移動(dòng)△x的距離，噴頭1工作出料，三軸聯(lián)動(dòng)模塊牽引打印噴頭打印實(shí)體外表面兩層中的較高層。至此，一層中間層打印完畢。其余中間層重復(fù)上述打印方法打印成型。

打印頂面層，即打印的最后一層，為外表面層，只有厚度為h的切片數(shù)據(jù)。三軸聯(lián)動(dòng)模塊下移h高度，噴頭1工作出料，三軸聯(lián)動(dòng)模塊牽引打印噴頭按切片文件的規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)，直到頂面層打印完畢。至此，整個(gè)實(shí)體打印完畢。

對(duì)于打印成型所需添加的支撐結(jié)構(gòu)，由噴頭2工作出料，逐層堆積成型。選擇小口徑的噴頭1對(duì)模型外表面進(jìn)行打印，可以使工件外表面成型質(zhì)量得以提高；選擇大口徑的噴頭2對(duì)模型內(nèi)部進(jìn)行填充，可以節(jié)約大量普通陶瓷泥料的使用并能提高打印速率。

4 總結(jié)

隨著陶瓷制造領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)新，社會(huì)對(duì)形狀復(fù)雜的陶瓷零部件的需求量越來(lái)越大，受傳統(tǒng)制造工藝的限制，制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷更適合通過3D打印成型。面對(duì)發(fā)展迅猛的陶瓷3D打印技術(shù)，其對(duì)陶瓷原料的消耗隨之增加。然而用于3D打印的陶瓷原料日漸減少，原料成本則會(huì)越來(lái)越高，這給本文所用的技術(shù)帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間，應(yīng)用前景可觀。