工藝參數(shù)對3D打印陶瓷零件質(zhì)量的影響

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工藝參數(shù)對3D打印陶瓷零件質(zhì)量的影響

劉驥遠, 吳懋亮, 蔡杰, 陳軍, 謝飛

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海200090)

摘要:3D打印技術可用于制造結(jié)構復雜、致密度高的陶瓷零件,其工藝參數(shù)的選擇對零件的加工質(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,而掃描速度與擠出速度的配合關系會直接影響陶瓷零件的成型精度.試驗結(jié)果表明:在擠出頭長度為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.

關鍵詞：3D打印; 工藝參數(shù); 陶瓷零件

收稿日期：2015-05-10

作者簡介：通訊吳懋亮(1970-),男,博士,副教授,山東萊蕪人.主要研究方向為3D打印和燃料電池.

中圖分類號：TP334.8;TQ174.6文獻標志碼： 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

陶瓷材料具有高強度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能,在機械、能源等領域有著廣泛的應用.但這些特性也導致了陶瓷材料加工困難的問題,傳統(tǒng)的陶瓷零件加工繁瑣復雜、耗時耗力、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鍵.與傳統(tǒng)的“減材”制造技術不同,3D打印技術是一種“增材”制造技術,[1-2]它建立在離散/堆積的成形原理上.

陶瓷材料的3D打印技術推動了陶瓷零件制造業(yè)的發(fā)展,該方法根據(jù)設計的CAD模型,不需要模具便可快速打印出所需的陶瓷零件.目前常見的陶瓷零件的3D打印技術有: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性的陶瓷漿料,并放入球磨機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)過干燥、燒結(jié)等后處理工藝,得到陶瓷零件.本文根據(jù)試驗結(jié)果,分析了擠出壓力、分層厚度和掃描速度等工藝參數(shù)對零件加工質(zhì)量的影響.

1試驗準備

1.1　試驗材料的選擇

本文選用天津天力化學試劑有限公司生產(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,并利用氨水來調(diào)節(jié)陶瓷漿料的pH值.實驗中使用的主要化學試劑如表1所示.

將配制好陶瓷漿料在球磨機上球磨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實驗產(chǎn)生的影響,實驗中均采用2h內(nèi)配制的陶瓷膏體.

表1　實驗使用的主要化學試劑

1.2　試驗裝置

實驗在自主設計的Delta結(jié)構3D打印機上完成,如圖1所示.設備硬件主要由4部分組成:機架和工作臺,起支撐作用; 空壓機,提供高壓空氣,驅(qū)動擠出頭運動擠出陶瓷材料; 并聯(lián)機構,將步進電機的運動轉(zhuǎn)換成擠出頭的掃描運動; 各種驅(qū)動電機及傳感器.空壓機產(chǎn)生的氣壓推動擠出頭內(nèi)的活塞運動擠出陶瓷漿料,調(diào)節(jié)空壓機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打印機結(jié)構

1.3　加工工藝參數(shù)的選擇

1.3.1擠出壓力的選擇

納入標準：①符合診斷標準［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。排除標準：①1型或繼發(fā)性等其他類型糖尿病；②合并重大器官疾病者；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個月服用過減肥藥物者；⑥經(jīng)6個月內(nèi)計劃妊娠、處于妊娠期、哺乳期婦女。

3D打印機擠出頭的結(jié)構模型如圖2所示.膏體放置在擠出頭的腔體內(nèi)部,加工零件時,擠出頭的活塞在壓力作用下運動,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度有關.

圖2　擠出頭的結(jié)構模型

選取相同的膏體裝載量,相同的擠出頭長度L=5mm,在不同的擠出頭直徑D的情況下,擠出壓力的實驗參數(shù)設置如表2所示.

表2　不同直徑下擠出壓力的參數(shù)設置

1.3.2分層厚度的選擇

分層厚度是3D打印機在打印零件時層與層之間的距離,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,因此分層厚度的設置對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種不同的層厚進行實驗,具體參數(shù)設置如表3所示.

表3　分層厚度設置　 mm

1.3.3掃描速度的選擇

在打印過程中,膏體的擠出速度應與打印頭的掃描速度相適應,當壓力恒定,即擠出速度基本保持恒定時,不同的掃描速度會導致加工質(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試驗結(jié)果與分析

2.1　擠出壓力的影響

3D打印機擠出頭的擠出壓力與擠出頭直徑和擠出速度的關系如圖3所示.

圖3　不同擠出壓力與膏體擠出速度的關系

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呈上升趨勢,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　分層厚度對打印結(jié)果的影響

分層厚度的選擇與擠出頭的直徑有關,選用直徑D=0.6mm的擠出頭,實驗中設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,由于從噴頭擠出的絲狀材料直徑大于分層厚度,噴頭在移動過程中經(jīng)常粘黏到上一層打印的材料,不僅會嚴重影響打印制件的表面質(zhì)量和尺寸精度,還容易導致噴頭堵塞;分層厚度提高為0.64mm時,粘黏的現(xiàn)象有所減少,能夠打印出一定尺寸精度的零件,但材料堆積過多導致表面質(zhì)量較差;分層厚度升高到0.72mm時,零件有較好的表面質(zhì)量.同樣,對擠出頭直徑D=0.4mm,D=0.8mm進行相同試驗,當分層厚度為擠出頭直徑的80%~90%時,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

在打印過程中,漿料的擠出速度應與打印設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,當擠出頭掃描速度太慢時,容易導致材料堆積,在零件表面形成疙瘩;而擠出頭移動過快時,材料的擠出速度無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出現(xiàn)缺口.

在整體零件加工過程中,當壓力P=4kg/cm2,擠出頭直徑D=0.6mm時,選用掃描速度15mm/s,20mm/s,25mm/s分別進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,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,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,由于掃描速度相對于擠出速度來說過慢,擠出的陶瓷漿料過多,噴頭打印過程中擠壓到下層已打印好的陶瓷材料,導致材料偏離預設的輪廓線.

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)過試驗選擇,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,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) 分層厚度會影響陶瓷膏體擠出過程,當分層厚度為擠出頭直徑的80%~90%時,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;擠出壓力過大或過小會導致陶瓷零件上出現(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