陶瓷漿料按需噴射打印沉積系統(tǒng)設(shè)計與實驗*

晁艷普

(許昌學(xué)院電氣(機電)工程學(xué)院,河南 許昌 461000)

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陶瓷漿料按需噴射打印沉積系統(tǒng)設(shè)計與實驗*

晁艷普

(許昌學(xué)院電氣(機電)工程學(xué)院,河南 許昌 461000)

針對陶瓷零件脆性大、硬度高、復(fù)雜形狀受限、生產(chǎn)周期長、成本高等問題，提出了一種將微滴按需噴射技術(shù)應(yīng)用到陶瓷零件打印成形的新方法。通過分析陶瓷漿料按需噴射打印沉積成形工藝原理，完成了試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、噴射裝置和運動控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了陶瓷漿料單個微滴按需噴射，以及點陣、線條、平面和實體的打印沉積實驗。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可滿足陶瓷漿料微滴的按需噴射和打印成形，驗證了所開發(fā)的按需噴射打印系統(tǒng)的可行性與正確性。

陶瓷漿料；按需噴射；打??；沉積

陶瓷材料因其特殊的物理、化學(xué)性質(zhì)，在國防和民用多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。但由于脆性大的特點，傳統(tǒng)陶瓷材料零件多采用拉坯、注漿、熱壓鑄等成形方法，由于模具和機械加工的制約，陶瓷零件的復(fù)雜形狀受限、生產(chǎn)周期長、成本高。為此，設(shè)計開發(fā)一種新的陶瓷成型工藝已成為降低陶瓷零件生產(chǎn)成本和實現(xiàn)陶瓷零件復(fù)雜外形的關(guān)鍵所在。近年3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為復(fù)雜形狀陶瓷零件的成形提供了有效的解決方案。該技術(shù)是建立在離散/堆積成形的原理上，依據(jù)三維零件模型，通過材料逐層添加堆積而直接打印出任意復(fù)雜形狀的零件。目前，能夠用于陶瓷零件3D 打印的工藝主要有：激光選區(qū)燒結(jié)覆膜陶瓷粉成型工藝[2]；陶瓷粉末有機粘結(jié)劑逐層粘接成型工藝[3]；光敏樹脂基陶瓷漿料紫外光固化成型工藝[4]；陶瓷膏體熔融擠出成型工藝等[5]。上述幾種工藝中，每種成形方法對陶瓷材料、應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)備功能要求都有所不同，實際應(yīng)用還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

近幾年，一種基于微滴按需噴射技術(shù)的3D打印成形方法在金屬、樹脂和聚合物等材料的直接打印成形方面得到廣泛應(yīng)用[6]。該技術(shù)以微滴為沉積單元，依據(jù)工件模型的分層制造信息，使微滴在沉積基板上按照成形工件的層面數(shù)據(jù)信息，逐點、逐層打印堆積從而實現(xiàn)三維工件的直接“生長”成形[7]?？沙尚纬鋈我鈴?fù)雜結(jié)構(gòu)特征的三維實體，且具有能耗低、無污染和低成本等優(yōu)點。基于此，本文提出一種將微滴按需噴射技術(shù)應(yīng)用到陶瓷材料打印成形的新方法，通過對系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、噴射裝置和運動控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，完成了陶瓷漿料的打印沉積實驗，驗證了研究的可行性與正確。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

陶瓷漿料按需噴射打印沉積成形工藝是在常溫下將陶瓷粉末、液相溶劑、分散劑、粘結(jié)劑等材料按照一定的比例混合，經(jīng)球磨機制備出具有一定粘度和流動性的陶瓷漿料，并將陶瓷漿料注入噴射腔體，在脈沖氣壓的作用下，實現(xiàn)陶瓷漿料微滴的按需噴射，然后根據(jù)工件的CAD 模型，控制微滴按照層面數(shù)據(jù)信息，逐點、逐層堆積出陶瓷坯體，最后經(jīng)過干燥、燒結(jié)等后處理工藝，得到陶瓷工件的一種新方法。由于陶瓷漿料按需噴射打印沉積過程涉及微滴的按需噴射、定點沉積、搭接結(jié)合、沉積軌跡控制、沉積固化控制以及微滴按需噴射與沉積平臺協(xié)調(diào)運動控制等多個復(fù)雜過程。依據(jù)成形原理和工藝特點，陶瓷漿料按需噴射打印沉積試驗系統(tǒng)必具備以下功能：實現(xiàn)陶瓷漿料微滴的按需噴射，為后續(xù)的打印沉積提供尺寸均勻、穩(wěn)定的漿料微滴；實現(xiàn)陶瓷漿料微滴掃描沉積軌跡的控制，為微滴按照成形工件的層面數(shù)據(jù)信息，逐點、逐層堆積出工件提供保證；實現(xiàn)陶瓷漿料微滴按需噴射與沉積過程的在線監(jiān)控，為微滴按需噴射沉積參數(shù)的在線調(diào)整及選取提供依據(jù)；實現(xiàn)陶瓷漿料微滴打印沉積基板溫度的控制，為微滴沉積固化提滿足工藝要求的溫度環(huán)境；實現(xiàn)陶瓷漿料微滴打印沉后表面快速固化的控制，為后續(xù)微滴的逐層打印沉積提供工藝條件。按照上述試驗系統(tǒng)的總體功能，對陶瓷漿料按需噴射打印沉積試驗系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，如圖1所示。整個系統(tǒng)主要包括：微滴產(chǎn)生系統(tǒng)、成形軌跡控制系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和表面快速固化系統(tǒng)。其中，微滴產(chǎn)生系統(tǒng)由任意波形函數(shù)發(fā)生器、高頻電磁閥、高純氮氣源和噴射坩堝組成，在噴射打印之前可對陶瓷漿料微滴噴射參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)按需噴射; 沉積成形軌跡控制系統(tǒng)，由三維運動平臺、伺服驅(qū)動器、多軸運動控制器、反饋測量裝置和運動控制軟件等構(gòu)成，通過采用全閉環(huán)控制的方式，實現(xiàn)工件成形過程中陶瓷漿料微滴掃描沉積軌跡的控制；圖像采集及處理系統(tǒng)由高速CCD攝像機、頻閃光源、圖像采集卡、數(shù)據(jù)傳輸模塊和圖像分析軟件等組成，在噴射的過程中，實時地獲取噴射出來的微滴的圖像進(jìn)行處理，獲得微滴噴射的速度、微滴的直徑等重要參數(shù)，將分析結(jié)果反饋波形函數(shù)發(fā)生器，以便對驅(qū)動波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；溫度控制系統(tǒng)，由加熱裝置、K型熱電偶、溫度控制儀表等組成，用于對成形過程中沉積基板溫度的精確檢測與控制；表面快速固化系統(tǒng)主要有功率調(diào)節(jié)器、黃金碳纖維加熱管和反射板等組成，當(dāng)陶瓷漿料微滴打印沉積后，可通過調(diào)節(jié)加熱管的功率大小和反射板的角度，實現(xiàn)對打印沉積漿料微滴表面的快速固化。在整個打印沉積過程中，依據(jù)工件的打印沉積數(shù)據(jù)控制信息，通過協(xié)調(diào)控制微滴的噴射和三維沉積平臺的運動，使微滴在基板上按照成形軌跡逐點、逐層打印堆積，最終實現(xiàn)陶瓷坯體工件的制造。

2 噴射裝置設(shè)計

氣動脈沖按需微滴噴射是一種以氣體脈沖作為激勵運動擠壓流體形成液滴的噴射技術(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，該微滴噴射裝置主要包括高頻電磁閥、氣體溢流球閥、儲料腔、噴射腔、單向膜片、噴嘴以及漿料輸入端口等部分。氣動脈沖按需微滴噴射過程如圖2中的(1)～(5)所示，其核心是控制腔體中的陶瓷漿料在脈沖壓力的驅(qū)動動力下從底部的噴嘴中產(chǎn)生微滴。具體噴射原理如下：在穩(wěn)定狀態(tài)下，主控計算機控制任意波形函數(shù)發(fā)生器發(fā)出驅(qū)動脈沖信號，電磁閥依據(jù)脈沖信號的高低電平高頻通斷，當(dāng)電磁閥開啟時,壓縮的高純氮氣體經(jīng)過電磁閥進(jìn)入氣體工作腔,腔內(nèi)壓力上升，迫使陶瓷漿料向下流動，單向膜片壓緊，流體在底部噴嘴處形成高壓，并通過噴嘴形成射流；然后電磁閥關(guān)閉，氣體工作腔內(nèi)氣體壓力被釋放，流體工作腔內(nèi)壓力下降,上階段形成的射流后部速度減小甚至在負(fù)壓作用下反向運動，射流在速度變化最大處開始頸縮;最后，在表面張力、重力以及射流后部流體的回拉作用下，射流斷裂形成液滴,射流后部回到流體工作腔達(dá)到平衡狀態(tài)，準(zhǔn)備下一輪噴射過程的進(jìn)行。

3 運動控制系統(tǒng)設(shè)計

運動控制系統(tǒng)是微滴按需噴射打印沉積成形試驗系統(tǒng)的核心，主要用來實時輸出各種指令和信號控制成形系統(tǒng)中各個運動部件的動作，并實時接收各種傳感器輸送來的檢測數(shù)據(jù)，完成整個工件成形過程中微滴沉積成形軌跡的實時在線控制。陶瓷漿料按需噴射打印沉積實驗系統(tǒng)中采用PC機加運動控制器的開放式結(jié)構(gòu)。選用研華工控PC機作為上位機，選用固高多軸運動控制器作為下位機，可同時進(jìn)行4路電動機控制信號的輸出，內(nèi)置8 路16 位模擬量輸入，除了計算機和運動控制器，還包括I/O轉(zhuǎn)接板、伺服驅(qū)動器、傳感器反饋器件、控制面板以及相應(yīng)的輔助電路和器件等。三軸運動平臺行程為200 mm×200 mm×180 mm，選用安川電機SGMJV系列伺服電動機，選擇位置控制模式進(jìn)行控制，用絲杠螺母作為傳動裝置，選用RENISHAW RGH41直線光柵作為位置檢測元件，選用歐姆龍的EE-SX674 型光電傳感器作為限位開關(guān)。X、Y軸方向的絲杠導(dǎo)程為10 mm，重復(fù)定位精度為±0.001 mm，定位精度為0.03 mm。Z方向的絲杠導(dǎo)程為5 mm，重復(fù)定位精度為±0.003 mm，定位精度為0.02 mm。上位人機控制界面選用固高Otostudio軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，可以對坐標(biāo)間距、絲杠螺距、電動機運動速度、加速度進(jìn)行設(shè)定，并可以通過返回的坐標(biāo)值和誤差參數(shù)等來判斷程序運行的正確性，更直觀地設(shè)置控制參數(shù)和顯示程序結(jié)果。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制系統(tǒng)工作時，上位機(工控機)通過動態(tài)鏈接庫及虛擬設(shè)備驅(qū)動程序同下位機(運動控制器)進(jìn)行網(wǎng)口通訊，運動控制器通過伺服驅(qū)動器控制三臺伺服電動機的運動，并實時接受來自光柵尺的信息反饋，同時監(jiān)控各運動軸限位開關(guān)信號的電平信號，完成各個運動軸的閉環(huán)控制。

4 試驗驗證

為了驗證陶瓷漿料按需噴射打印系統(tǒng)的可行性與正確性，一系列微滴按需噴射和打印沉積實驗在本文建立的系統(tǒng)上進(jìn)行。圖4為進(jìn)行微滴按需噴射實驗時，利用在線圖像采集處理系統(tǒng)對單個陶瓷漿料微滴按需噴射過程的圖像采集結(jié)果?？梢钥闯稣麄€過程從(1)～(6)可用四個階段來描述：射流的噴出，即腔體中的陶瓷漿料在脈沖壓力作用下被加速并從噴嘴中射出，形成有圓形前緣的射流柱，并不斷伸長；射流的縮頸，即當(dāng)脈沖壓力作用釋放后，腔體中的壓力降低，噴嘴處流體的速度降低，前端脫離噴嘴處的液柱以較高速度運動，使液柱不斷被拉長，液柱出現(xiàn)縮頸；微滴的斷裂形成，即前端頸縮處的流體在表面張力作用下逐漸累積，直到最后液柱被拉斷形成微滴；射流的回縮，即斷裂后噴嘴出口處的流體在腔內(nèi)負(fù)壓和表面張力的作用下，被拉回噴嘴口，為下次噴射做準(zhǔn)備，而斷裂后的微滴繼續(xù)向下飛行，最后在表面張力的作用下形成球狀微滴。

圖5為陶瓷漿料微滴打印沉積實驗結(jié)果，實驗中的主要工藝參數(shù)設(shè)置如圖表1所示。圖5a、c是在噴嘴直徑為500 μm、基板運動速度為5 mm/s、噴射頻率為1 Hz下打印出的點陣，可以看出成形在基板上的微滴形狀較為規(guī)整，鋪展后的微滴直徑約為1～1.2 mm。圖5b是在設(shè)定搭接率為30%條件下打印沉積出的線條，微滴之間搭接較好，搭接輪廓清晰，線條沒有出現(xiàn)孔隙。為了獲得較好的打印線條輪廓，將微滴搭接率提高到50%，圖5d、e是在該條件下打印沉積出的線框和平面，由于陶瓷漿料微滴打印沉積后的鋪展較為充分，可以看出表面經(jīng)固化后較為平整，沒有顯著的孔隙和凸凹。為了進(jìn)一步驗證陶瓷漿料微滴打印沉積三維實體的可行性，圖5f是在噴嘴直徑為800 μm、微滴直徑約為1.5 mm下，逐層打印沉積出的簡單實體結(jié)構(gòu)，由于逐層打印過程中微滴固化過程較線條和平面復(fù)雜，實體表面局部出現(xiàn)塌陷，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)?？傊?，通過上述陶瓷漿料微滴打印沉積實驗結(jié)果，基本可以驗證本文設(shè)計開發(fā)的按需噴射打印系統(tǒng)的可行性與正確性。

表1 試驗工藝參數(shù)

參數(shù)名稱數(shù)值信號幅值U/V5噴射頻率f/Hz1噴射壓力Ps/MPa0.5脈沖寬度Wp/ms2基板溫度Ts/℃80噴嘴直徑d/μm500、800沉積高度Hs/mm10碳管加熱功率P/kW1.5

5 結(jié)語

(1)提出一種將微滴按需噴射技術(shù)應(yīng)用到陶瓷零件打印成形的新方法，設(shè)計開發(fā)了一種陶瓷漿料按需噴射打印沉積試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微滴產(chǎn)生系統(tǒng)、成形軌跡控制系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和表面快速固化系統(tǒng)。

(2)利用在線圖像采集處理系統(tǒng)對單個陶瓷漿料微滴按需噴射過程進(jìn)行分析，可以看出整個噴射過程包含射流噴出、射流縮頸、微滴斷裂形成和射流回縮四個階段。

(3)利用設(shè)計開發(fā)的試驗系統(tǒng)完成了點陣、線條、平面和實體的陶瓷漿料微滴按需打印成形，驗證了系統(tǒng)的可行性與正確性。

[1]王偉，高東強．新型陶瓷零件快速成型機鋪料機構(gòu)的研究[J]．機械設(shè)計與制造，2014(10)：109-111．

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Design and experiment of ceramic slurry droplet on-demand jet printing and deposition

CHAO Yanpu

(School of Mechatronics,Xuchang University, Xuchang 461000,CHN)

In order to solve the problems of the ceramic parts limited large brittleness, high hardness and complex shape, long production period and high cost, a new method of droplet on-demand jet printing technology is proposed to fabricate ceramic parts.Through analyzing of the forming process principle of ceramic slurry on-demand jet printing deposit, the system structure, injection device and motion control system are developed.single droplet on-demand jet experiment is completed, and the dot matrix, line, plane and entities are fabricated by using the system.The experimental results show that the system can meet the demand of ceramic slurry droplets jetting and printing, verify that the feasibility and correctness of droplet on-demand jet printing system.

ceramic slurry; droplet on-demand jet; printing; deposition

* 國家自然科學(xué)基金項目( 51305128) ; 2016 許昌市科技攻關(guān)項目資助

TH166 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.012

晁艷普，男，1983年生，博士，講師，主要研究方向為金屬微滴按需噴射、三維打印制造。

(編輯 譚弘穎)

2016-05-03)

161119