汪傳生，張 偉，江 瑞，馬亞標(biāo)，邊慧光，晁宇琦

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東省聚合物材料先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

0 前言

3D打印技術(shù)也叫快速成型制造，又稱增材制造技術(shù)。該技術(shù)在20世紀(jì)80年代由美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人提出[1-2]，是通過建立數(shù)字模型然后利用黏性材料(工業(yè)陶瓷粉末、聚合物材料、金屬粉末等)層層疊加成型制備出成型制品的技術(shù)。3D打印技術(shù)是以數(shù)字建模、材料研究分析、三維信息處理等技術(shù)為基礎(chǔ)的新型前沿技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的固有成型模式[3-4]。

隨著3D打印成型技術(shù)不斷突破發(fā)展，工業(yè)陶瓷3D打印成型技術(shù)不斷被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)加工中。工業(yè)陶瓷制品在快速成型領(lǐng)域的發(fā)展也極為迅速，特別是對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的個(gè)性化制品，工業(yè)陶瓷3D打印技術(shù)無論在價(jià)格成本、加工效率還是成型品質(zhì)等方面都具有顯著的優(yōu)勢[5]。早在1993年，美國麻省理工學(xué)院就利用摻有黏結(jié)劑的陶瓷粉末打印出陶瓷成品[6]，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，在2015年法國的一家3D Ceram公司基于Thierry Chartier將激光光固化快速成型技術(shù)用于陶瓷3D打印，研制出第一臺工業(yè)陶瓷3D打印機(jī)，從而推進(jìn)了工業(yè)陶瓷在3D打印領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用，使得學(xué)者們對工業(yè)陶瓷3D打印產(chǎn)生濃厚的興趣[7]。

綜合市面上桌面級3D打印機(jī)的缺點(diǎn)，并且結(jié)合課題組現(xiàn)有的橡膠擠出機(jī)的喂料擠出方式研發(fā)出一臺適用于工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混材料的新型3D打印裝置——螺桿擠出式3D打印機(jī)。按照工業(yè)陶瓷 - 聚合物材料共混喂料最優(yōu)實(shí)驗(yàn)配方，利用自主研發(fā)的螺桿擠出式3D打印實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)研究。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)最終得出最佳成型工藝參數(shù)，按照最佳成型工藝參數(shù)能夠獲得表面品質(zhì)優(yōu)良，無缺陷的工業(yè)陶瓷毛坯件，有利于后續(xù)的脫脂 - 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)研究。圖1分別為螺桿擠出式3D打印機(jī)和打印機(jī)頭。

(a)螺桿擠出式3D打印機(jī) (b)打印機(jī)頭圖1 螺桿擠出式3D打印機(jī)和打印機(jī)頭Fig.1 Screw-extrusion 3D printers and printer heads

1 混合物料分散混合機(jī)理

分散混合的目的是把陶瓷粉末固體顆粒和聚合物材料組成的黏結(jié)劑進(jìn)行混合，制成混合顆?；蛘吒〉念w?；旌衔?，使聚合物材料組成的黏結(jié)劑能夠均勻包覆陶瓷粉末顆粒。分散混合過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，在混合過程中要發(fā)生各種物理 - 力學(xué)和化學(xué)作用，分散混合過程原理如圖2所示。混煉過程中，黏結(jié)劑在剪切熱和傳導(dǎo)熱的作用下熔融塑化，將陶瓷粉末均勻加入到黏結(jié)劑中，在流場作用下產(chǎn)生分散混合，陶瓷粉末顆粒最終克服聚合物材料的內(nèi)聚力，被黏結(jié)劑組分所包覆。

(a)陶瓷粉末 (b)聚合物材料組成的黏結(jié)劑 (c)陶瓷 - 聚合物混合物料圖2 分散混合過程原理Fig.2 Decentralized mixing process

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

本次實(shí)驗(yàn)選用江蘇天行新材料有限公司制造的型號為TGP-M100的氧化鋯粉末，其構(gòu)成與性能如表1所示，所選陶瓷粉末的SEM照片如圖3所示;

表1 工業(yè)陶瓷粉末的構(gòu)成與性能

圖3 工業(yè)陶瓷粉末的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM of industrial ceramic powder

聚合物材料在工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型技術(shù)中扮演著黏結(jié)劑的作用，表2為聚合物黏結(jié)體系中各構(gòu)成成分及性能；原料制備過程中，將工業(yè)陶瓷粉末和聚合物材料進(jìn)行混煉、粉碎、擠出、干燥等，制得大小均勻的工業(yè)陶瓷 - 聚合物混合喂料顆粒，其中工業(yè)陶瓷粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占工業(yè)陶瓷 - 聚合物材料共混喂料的92.23 %，體積分?jǐn)?shù)占68 %。

2.2 主要設(shè)備及儀器

電子天平，F(xiàn)A1004，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；

擠出機(jī)，SJ4525，余姚市綠島橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；

表2 聚合物黏結(jié)體系中各構(gòu)成成分及各成分的性能

密煉機(jī)，SY-07，東莞市雙業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司；

真空干燥箱，DZF-6050B，上海力辰儀器科技有限公司；

破碎機(jī)，ZRPC-300，寧波中瑞陽塑料機(jī)械有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-IT300，日本電子株式會社；

螺桿擠出式3D打印機(jī)，QUST-350，青島科技大學(xué)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

該實(shí)驗(yàn)研究的最終目的是得到能夠滿足加工要求的精密工業(yè)陶瓷制品，而前提是通過3D打印制備出精度高、品質(zhì)好的工業(yè)陶瓷毛坯件。本實(shí)驗(yàn)基于最佳工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印共混喂料，使用青島科技大學(xué)自主研發(fā)的螺桿擠出式3D打印實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)而研究最佳3D打印成型參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)以套筒為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行打印成型實(shí)驗(yàn)，根據(jù)模型體積、原料密度計(jì)算得到打印模型所需質(zhì)量為47 g。若實(shí)際物料擠出量過多，則會造成打印過程中邊角料過多，表面品質(zhì)差；若實(shí)際擠出量過少，則會出現(xiàn)斷層或內(nèi)部缺陷等問題，因此實(shí)際擠出量的多少可以反映坯體件成型品質(zhì)的好壞。由于打印過程中需要控制輸料、噴頭、成型平臺的溫度以及出料速度對坯體件進(jìn)行打印，因此將這4個(gè)因素作為變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究，從而得到最佳的工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型工藝參數(shù)。若每個(gè)影響因素設(shè)定4個(gè)數(shù)值，則需要進(jìn)行256次測試才能得到最終結(jié)果，為此選用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)行測試，該方法不僅可以減小工作量，而且得到的結(jié)果具有可信性。表3和表4分別是所設(shè)定的正交因子和水平表以及正交試驗(yàn)計(jì)劃表。

表3 正交因素水平表

本次正交試驗(yàn)采用極差分析法[8-9]對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如式(1)所示：

(1)

其中Kjm——第j列因素下m水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)和

Rj——第j列因素的極差，即第j列因素各水平下平均指標(biāo)值的最大值與最小值之差

表4 正交試驗(yàn)表

3 結(jié)果與討論

按照表4所設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)計(jì)劃表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表5所示。

表5 工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：表中標(biāo)準(zhǔn)毛坯件成型質(zhì)量為47 g，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為3個(gè)成型樣品質(zhì)量的平均值。

實(shí)驗(yàn)過程中打印的不同物料擠出量的坯體實(shí)物圖如圖4所示。

正視圖：(a)擠出量過多(c)擠出量正常(e)擠出量過少俯視圖：(b)擠出量過多(d)擠出量正常(f)擠出量過少圖4 不同物料擠出量的坯體實(shí)物圖Fig.4 Physical drawing of bodies with different extrusion output

通過表5正交試驗(yàn)結(jié)果中的極差值得出：出料速度與輸料溫度是工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型技術(shù)的主要影響參數(shù)，而成型平臺溫度與噴嘴溫度的影響比較小。對表5中的平均值進(jìn)行分析，進(jìn)而確定工藝條件對工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型質(zhì)量的影響。

3.1 輸料溫度的影響

輸料溫度作為影響工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，如圖5所示，共混喂料3D打印成型品質(zhì)隨著溫度的升高而不斷地增加，輸料溫度在185 ℃時(shí)打印成型品質(zhì)最接近標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，因此確定此溫度為工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型的最佳輸料溫度。輸料溫度在175 ℃到180 ℃時(shí)雖然達(dá)到了共混喂料的熔融溫度，但是其流動性較差，在打印模型過程中會出現(xiàn)出料不均勻、噴嘴堵塞等情況導(dǎo)致打印失敗。

圖5 輸料溫度對共混喂料3D打印成型品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of feeding temperature on 3D printing articles′ quality of blending feed

并不是輸料溫度越高打印效果越好，輸料溫度的選擇需要考慮諸多因素：當(dāng)輸料溫度過低時(shí)，共混喂料的熔融狀態(tài)不完全，流動性較差，在打印模型過程中會出現(xiàn)出料不均勻、噴嘴堵塞等情況導(dǎo)致打印失?。欢?dāng)輸料溫度過高時(shí)，則會發(fā)生剪切變稀或者聚合物材料由于溫度過高在輸料筒內(nèi)發(fā)生變性。因此綜合考慮以上的因素，選擇185 ℃作為最佳輸料溫度。

3.2 出料速度的影響

出料速度是影響工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，如圖6所示，共混喂料3D打印成型品質(zhì)隨著出料速度的增加而增大。單位時(shí)間內(nèi)出料速度越大，擠出的喂料質(zhì)量越大，工業(yè)陶瓷毛坯件的質(zhì)量越大。圖6中的數(shù)據(jù)顯示，出料速度為8 r/min時(shí)，共混喂料3D打印成型質(zhì)量最接近標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量；出料速度為7 r/min時(shí)，成型質(zhì)量較小，這是由于在打印過程中出料速度過低，擠出量達(dá)不到成型所需要喂料總量，導(dǎo)致打印的工業(yè)陶瓷毛坯件出現(xiàn)斷層或者中間缺陷；出料速度為9、10 r/min時(shí)，成型質(zhì)量較大，這是由于成型過程中共混喂料過多，打印的工業(yè)陶瓷毛坯件邊角料過多、表面粗糙。

圖6 輸料速度對共混喂料3D打印成型質(zhì)量的影響Fig.6 Effect of discharge rate on 3D printing articles′ quality of blending feed

理論上出料速度越大，螺桿擠出式3D打印機(jī)保壓腔中的壓力越大，共混喂料的出料均勻性和穩(wěn)定性越好，成型的工業(yè)陶瓷毛坯件效果越好，然而在實(shí)際打印過程中并非如此。出料速度較快時(shí)，成型的毛坯件所需要的共混喂料消化不了噴頭擠出的喂料，導(dǎo)致打印的工業(yè)陶瓷毛坯件邊角料過多、表面粗糙；出料速度較慢時(shí)，擠出量達(dá)不到成型所需要喂料總量，導(dǎo)致打印的工業(yè)陶瓷毛坯件出現(xiàn)斷層或者中間缺陷。因此需要綜合考慮打印過程中所需要的出料總量，最終選擇8 r/min為最佳出料速度。

3.3 噴頭溫度的影響

從正交試驗(yàn)結(jié)果的極差值可知，噴頭溫度對工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印效果的影響較小，但還是會對毛坯件的質(zhì)量造成影響。

如圖7所示，噴頭溫度為180 ℃時(shí)，工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型質(zhì)量最接近標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量。由于噴頭位置在打印時(shí)和毛坯件相觸碰，因此噴頭處的溫度大小能夠?qū)γ骷馁|(zhì)量造成直接影響。噴頭溫度為175 ℃時(shí)，由于溫度較低，共混喂料會在噴嘴處流出時(shí)固化，導(dǎo)致共混喂料堵塞噴嘴；噴頭溫度為185～190 ℃以上時(shí)，由于噴嘴處溫度過高導(dǎo)致共混喂料發(fā)生剪切變稀，共混喂料從噴嘴擠出時(shí)不能瞬間固化，導(dǎo)致喂料發(fā)生輕微滑移致使工業(yè)陶瓷成型毛坯件的表面質(zhì)量粗糙。綜上考慮，選擇180 ℃為最佳噴頭溫度。

圖7 噴頭溫度對共混喂料3D打印成型質(zhì)量的影響Fig.7 Effect of nozzle temperature on 3D printing articles′ quality of blending feed

3.4 成型平臺溫度的影響

從正交試驗(yàn)結(jié)果的極差值可知，成型平臺溫度對工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印效果的影響較小，但還是會對毛坯件的質(zhì)量造成影響，其決定了工業(yè)陶瓷毛坯件底面的成型效果以及在打印過程中毛坯件的固定效果。

如圖8所示，成型平臺溫度對工業(yè)陶瓷成型毛坯件的質(zhì)量影響很小，成型平臺溫度為45 ℃時(shí)，工業(yè)陶瓷 - 聚合物共混3D打印成型質(zhì)量最接近標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量。成型平臺溫度為40 ℃時(shí)，成型效果較差，這是成型平臺的溫度較低，共混喂料在成型平臺上瞬間固化導(dǎo)致成型毛坯件與成型平臺黏結(jié)性較差，出現(xiàn)錯(cuò)位甚至移動等問題；成型平臺溫度為50 ℃以上時(shí)，雖然成型毛坯件與成型平臺黏結(jié)性較好，但是由于溫度較高導(dǎo)致成型毛坯件與成型平臺之間形成熱應(yīng)力，導(dǎo)致成型毛坯件在打印過程中出現(xiàn)翹曲變形的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工業(yè)陶瓷毛坯件的尺寸成型精度。綜上考慮，選擇45 ℃為最佳噴頭溫度。

圖8 成型平臺溫度對共混喂料3D打印成型品質(zhì)的影響Fig.8 Effect of molding platform temperature on 3D printing articles′quality of blending feed

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述實(shí)驗(yàn)所得最佳成型工藝參數(shù)，利用自主研制的螺桿擠出式3D打印設(shè)備打印模型毛坯件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所得到的毛坯件及其表面平整度如圖9所示，根據(jù)模型體積以及物料密度計(jì)算得毛坯件標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為98 g，實(shí)際成型毛坯件質(zhì)量為98.23 g，成型質(zhì)量合格，通過三維形貌儀測得毛坯件表面平整度曲線波動在20 μm之內(nèi)，表面光潔度較好，坯體件的表面光滑，驗(yàn)證了最佳成型工藝參數(shù)的合理性。

(a)3D打印毛坯件 (b)毛坯件表面平整度圖9 3D打印成型的毛坯件及其表面平整度Fig.9 3D printed blanks and their surface smoothness

5 結(jié)論

(1)按照最佳喂料配方所制備出的共混喂料，利用螺桿擠出式3D打印設(shè)備設(shè)置不同的成型參數(shù)，通過正交試驗(yàn)法可以得出最佳的成型工藝；

(2)輸料溫度為185 ℃、出料速度為8 r/min、噴頭溫度為180 ℃、成型平臺溫度為45 ℃時(shí)，通過螺桿擠出式3D打印機(jī)打印成型的工藝陶瓷毛坯件的質(zhì)量最佳。